“星鏈”衛星低成本建設因素及方法研究*

季鵬飛，張煜晨，華松逸，余炳晨

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

2023 年4 月20 日，美國SpaceX 公司的重型運載火箭“星艦”從美國德克薩斯州起飛，裝載了4 500 多t 推進劑，但在起飛3 min 后發生爆炸，導致飛船未能進入預定軌道。SpaceX 公司首席執行官馬斯克在推特上表示，通過這次任務，為幾個月后的下一次試射吸取了教訓。雖然發射失敗了，但必須承認，從設計理念和技術上來說，“星艦”確實是一種突破性的火箭。當它成功測試時，無疑將代表人類太空新時代的到來。這是因為它的可回收性和可重復使用性，以及將火箭上層直接用作巨型航天器，正是當今人類空間技術的夢想。因此，必須說，這枚巨型火箭無論在概念上還是在技術上都具有革命性的意義，備受期待[1]。

在美國商業航天政策的指導下，SpaceX 公司堅持簡單、低成本、高可靠性的運營模式，不斷探索和實踐，大幅降低了研發周期、研發成本和發射價格，改變了傳統的航天市場格局，并創造了商業發射市場單次有效載荷發射價格最低、首次回收火箭主體重新發射、現役發射能力最強的火箭等一系列成果。其持續實施的低成本戰略取得了成功，累計獲得來自美國國家航空航天局等數十億美元官方訂單或資金，以及大量商業發射服務訂單。自2007年以來，SpaceX 公司一直保持盈利[2]。SpaceX 公司在發展過程中，采取了一系列先進的互聯網模式，例如加快產品迭代、引進外部投資、科學的項目管理以及扁平化的產業結構等，在成本支出、技術創新以及運行效率等許多方面取得了一定的競爭優勢。從某種程度上來看，也對我國航空航天事業的發展具有重要的指導意義。

1 “星鏈”衛星發展現狀

在2015 年時，SpaceX 公司正式提出了“星鏈”計劃，旨在建立可以實現全球化覆蓋的寬帶衛星通信網絡。該計劃包含的衛星數量大約為42 000 顆，在多條近地軌道上分布，一般在550～1 325 km 范圍之內。該計劃可以細分為兩個階段：第一階段又包含了三個時期，其一，計劃發射的衛星數量大約為1 600 顆，為加拿大以及美國北部地區提供服務；其二，計劃發射的衛星數量為2 825 顆，旨在實現全球聯網的發展目標；其三，計劃發射的衛星數量為7 518 顆，并構成星座的形式，為全球互聯網的運行提供服務。第二階段計劃在328～580 km 的近地軌道發射和部署3 萬顆“星鏈”衛星。從2019年5 月開始，實施的發射任務共計65 批。經調查后發現，截止到2022 年末，已發射的衛星數量共計3 558 顆，實現了25 個國家及地區的網絡覆蓋。在2020 年11 月時，正式推出了“星鏈”服務，自此之后，該服務實現了許多國家的全面覆蓋，包括美國、加拿大以及英國等44 個國家，發展模式基本完善。全球活躍用戶已超過100 萬個，預計收入已達300 億美元[3]。

SpaceX 公司負責設計與制造主火箭“獵鷹”9 號，能夠重復使用芯一級與整流罩。芯一級重復使用紀錄最多為14 次，整流罩重復使用紀錄最多為6 次。未來，SpaceX 公司計劃使用“星艦”作為“星鏈”計劃第二階段的主火箭，該計劃具有完全重復應用的條件。

2 SpaceX 公司低成本因素及方法分析

2.1 低成本因素分析

1） 公司設立初衷是以盈利為目的。傳統的航天機構主要是政府資助的國家行動部門，旨在實現國家意愿、戰略或軍事航天活動。傳統航空航天機構受到管理、技術、效率和壟斷等多種因素的制約，導致成本高。在市場需求的驅動下，新型商業航空航天公司以盈利為目標，主要由非政府組織或個人投資。在繼承現有空間技術的基礎上，通過不斷競爭和創新，逐步發展出效率更高、成本更低、技術更加成熟可靠、經濟效益更高的空間技術。正是由于高昂的發射成本阻礙了商業太空飛行服務的普及，因此降低成本正是SpaceX 成立的商業意圖之一。

2） 政府全方面支持有利于商業航天企業成長。在2004 年時，美國國家航空航天局正式宣布，不再參與地球軌道發射任務，并將目標放在深空領域，而將地球軌道發射任務使命交給商業公司，因此也為商業航天企業的發展創造了許多條件。與此同時，美國政府也出臺了一系列的法律法規與政策文件，旨在促進商業太空活動的規范化發展，并且引導美國國家航空航天局擴大商業太空領域的發展規模[4]。

為了呼吁更多商業航天企業參與到這項市場競爭中，并減少近地軌道探測活動的成本，美國國家航空航天局先后推出了廣泛的資助項目。SpaceX 公司在市場競爭中十分活躍，收獲了大量的資金支持，同時也簽訂了許多巨額訂單。從技術方來看，企業接受美國國家航空航天局的技術轉讓，要么租用，要么免費使用大量的基礎實驗設施，節省了許多成本費用。

3） 成功的內部管理節約了大筆資金。首先，采用低成本的設計理念，具有一定的簡單性與可靠性。從工程設計方面來看，所遵循的是“通用化、系列化、模塊化”的發展宗旨，以迭代開發流程為依托，在多模型任務之間重復使用不同組件，不但可以減少成本支出，而且同時也縮短了研發周期，提高了工作效率。

其次，采用扁平化的管理結構。首席運營官與首席技術官均由馬斯克擔任。不僅公司內部沒有典型的部門劃分，而且也不具備組織結構圖。全體員工均可以參與到項目的研發以及技術討論等各個環節中。

最后，采取自主化的生產模式。在制造層面，既充分利用攪拌摩擦焊等成熟的工業技術生產儲罐，又利用3D 打印等新型技術生產閥門。在測試層面，設立了推進和結構測試實驗室，面積達到242 hm2，為測試活動創造了許多便利條件。在發射場方面也具有許多優勢，不僅具有3 個發射場，甚至還在探索其他更多的發射場，以實現發射任務的快速周轉[5]。

2.2 成本控制方法

1） 研制低成本、可重復使用、高性能發動機。為了彌補資金預算的不足，企業在設計與研發領域取得了突破性進展，所開發的發動機具有低成本、高性能以及可重復使用的特征。在此過程中，與美國國家航空航天局展開了業務上的合作，再一次發揮出了發動機的作用價值。歷經無數次的迭代升級之后，終于研發出了梅林1D 液氧煤油發動機，這項技術在世界上遙遙領先，并起到了巨大的應用效果。隨后，又研發出了“猛禽”全流量分級燃燒液氧甲烷發動機，不僅有著明顯的應用效果，而且技術十分先進，因此一經推出后便在全球引起了巨大的轟動。

2） 發展高可靠性、低成本的可重復使用航天器。在對可重復使用設備進行開發時，最為重要的就是要具有低成本以及高可靠性的特點。自從SpaceX 公司研發出“獵鷹”系列火箭之后，始終以此為發展目標，在提高可靠性以及減少成本的同時，實現可重復使用的發展需求。隨著科技水平的提高，各項技術不斷更新迭代，相繼推出了多個類型，比較具有代表性的包括“獵鷹”1 號、“獵鷹”9 號以及“重型獵鷹”。在國際市場上，“獵鷹”系列火箭在可靠性、成本以及運載能力等許多方面均遙遙領先，因此也奠定了其不可撼動的地位。當前，企業正致力于研發重型運載火箭“星艦”，不僅可以做到可重復使用，而且還具有完全可回收的功能。一旦成功推出之后，將會極大程度地減少所需要的發射成本。具體可參考國際主要衛星互聯網計劃運載火箭對比表，見表1。

表1 國際主要衛星互聯網計劃運載火箭對比表

3） 內部垂直整合生產。企業為了減少成本費用的支出，設計了科學健全的成本控制計劃，盡量由企業內部研發制造火箭與航天器所需的各類部件。正是因為采用了內部垂直整合生產方式，才可以達到成本控制的目的，同時也可以減少外部采購帶來的風險問題，盡可能地提高質量控制水平。為了能夠縮短整個生產線流程，在進行產品制造時，盡量在一條生產線上操作。除此之外，在霍桑工廠集中了大量的生產環節，能夠對信息資源進行實時共享，提高信息反饋效率，減少各個環節的成本支出。SpaceX 公司生產大約90%的火箭部件；而對于波音公司與洛克希德·馬丁公司來說，若想制造火箭的話，則必須要與12 000 家供應商共同合作，方可實現。

4） 在成熟技術基礎上不斷創新。SpaceX 公司在成熟空間技術的基礎上，不斷進行技術創新，牢牢掌握核心技術。自主研發了“獵鷹”運載火箭的發動機、制導系統和低溫儲罐，并不斷創新和更新。在梅林發動機的基礎上，不斷獨立設計、改進和制造火箭發動機。最新版本的梅林發動機實現了極高的工作效率，有效提高了其承載能力；通用核心級模塊并行捆綁技術采用多引擎功率冗余技術，可靠性高；通用核心級模塊回收再利用技術可以顯著降低發射價格。與此同時，SpaceX 公司大量利用成熟商業技術，具有高可靠性和低成本。例如，“獵鷹”火箭使用普通ATM 機中價值5 000 美元的計算機來取代航空航天專用計算機，極大程度地減少了成本支出；在導航與控制系統方面，則是基于商用Linux 操作系統實現了開發設計，采用的商用電子元件也十分完善。

3 低成本建設手段實施效果分析

通過對“星鏈”計劃進行研究后發現，該計劃包含的衛星數量共計為4.2 萬顆，其中第一階段的衛星數量共計為1.2 萬顆，第二階段的衛星數量為3 萬顆。以“獵鷹”9 號為例，每次發射的“星鏈”衛星數量為60 顆；星艦每次發射的“星鏈”衛星數量為400 顆，則可保證全部衛星維持正常的運轉狀態?？紤]兩種情景。其中，情景1 是指“獵鷹”9 號執行“星鏈”計劃所有發射任務，情景2 是指“獵鷹”9 號執行“星鏈”計劃第一階段發射任務，“星艦”執行“星鏈”計劃第二階段發射任務，計算可得兩種情景所需要的發射成本，見表2。其中，“重復使用”可簡稱“復用”。以下分別對兩種情景予以具體分析。

表2 兩種情景所需要的發射成本對比

1） “獵鷹”9 號執行“星鏈”計劃所有發射任務。在測算過程中，所制定的方案主要有3 種，分別是：第一種方案利用一手“獵鷹”9 號進行發射；第二種方案利用芯一級復用10 次，整流罩復用2 次進行操作；第三種方案則是選用芯一級復用100 次，并且整流罩復用共計10 次。

第一種方案所需成本為5 050 萬美元，在“星鏈”計劃中，如果全部發射任務均采用這種方案，發射次數共計為700 次，最后成本總計為353.5 億美元，單星所需成本大約為84 萬美元。

第二種方案按照SpaceX 公司實際發射的統計結果顯示，10 次發射所需成本大約可以達到2.1 億美元，實現整個“星鏈”計劃任務需要的成本總計為147 億美元左右，單星所需成本大約只有35 萬美元。

第三種方案芯一級復用100 次，整流罩復用10 次。100 次復用成本共計為16.1 億美元，實現整個“星鏈”計劃任務需要的成本總計為32.2 億美元，單星所需成本大約為27 萬美元。

2）“獵鷹”9 號執行“星鏈”計劃第一階段發射任務、“星艦”執行“星鏈”計劃第二階段發射任務。根據第二種方案，由“獵鷹”9 號執行“星鏈”計劃第一階段發射任務，發射衛星大約12 000 顆，所需成本為42 億美元，單星所需成本大約為35 萬美元。經研究后發現，對“星艦”實現量產之后，價格不會達到2 億美元，按照復用50 次的要求進行計算，每次發射所需成本不超過400 萬美元，“星艦”發射的衛星一次可達到400 顆，并進入到近地軌道，根據“星艦”執行“星鏈”計劃第二階段發射任務進行計算，所需成本將減少到3 億美元，與第二階段發射任務成本相加后得出，最后總計需要45 億美元，也就是說，單星所需成本大約為11 萬美元。

4 對我國降低航天裝備建設成本的啟示

在我國“十四五”時期，國家為了促進數字經濟的發展，將衛星互聯網建設作為一項重要任務，并對這一領域予以了高度重視。在此期間，要對各項產業資源進行協調整合，構建出適應國家發展的最佳方案。對于一個企業來講，若想實現可持續發展的目標，前提條件就是要降低運載火箭的成本。為了達到這一目標，應采取有效的應對措施，致力于解決在設計、管理以及生產等各個方面的問題。低成本運載火箭將會對國家航天科技的發展產生重要意義，不但象征著科技水平的進步，而且也提高了我國企業的市場競爭力，使自身的盈利能力得到提升，甚至會使自身的研發能力得到增強，因此具有重要的現實意義。

1） 優化企業上下游合作機制，提升行業全產業鏈閉環能力。一方面，梳理衛星互聯網供應鏈的各個環節，對相關企業的多個方面進行綜合評估，包括核心產品、生態合作伙伴以及技術路線等，打造出完善的供應鏈合作平臺，實現各項資源的高效整合，實現供需關系的協調發展，同時也要立足于全產業鏈的發展現狀，構建出相應的供應商名單，減少各項成本費用的支出，增強產業鏈各個環節的合作與配合。另一方面，學習美國SpaceX 公司等優秀企業對產業鏈的管控能力，深入研究國內供應鏈中的問題和風險點，科學制定應對方案，促進優勢互補與鍛造相結合，構建出科學健全的核心產品與業務體系，使我國衛星互聯網產業鏈供應鏈布局得到優化處理，并增強在國際市場上的競爭實力，從而使全產業鏈閉環能力得到有效提高。

2） 商業發射收入占比低，易于通過運營策略降低價格。對于SpaceX 公司來說，必須依靠低成本戰略才能進入到發射服務領域，并實現市場規模的擴增。綜合企業的不同業務量進行分析，商業發射的份額實際上很小，這使得企業能夠將更多的補貼提供給商業發射，并減少這部分的成本。SpaceX公司在成功形成企業品牌效應后，通過尋求足夠的政府資金支持和吸收大量社會融資，大幅擴大了“星鏈”和“星艦”的規模，這是確保這一運營策略實施的前提。盡管SpaceX 公司始終提倡技術創新，并做到重復使用，盡可能地減少發射價格，但相比于商業發射價格來說，政府發射價格相對更高一些，由此則可說明，運營策略也是導致這類問題出現的主要原因。

3） 新技術研發重點突出可重復使用。SpaceX公司正在研發的用于衛星互聯網發射任務的火箭具有可重復使用的能力。我國在研發低成本火箭新技術的過程中，應對可重復使用技術予以高度重視，并對此展開深入的探索與研究。綜合當前的研究現狀來看，我國的可重復使用技術正處在技術驗證時期，面對這種情況，必須要提高科技研發力度，盡可能增強應用能力，從而適應時代的發展趨勢。