基于产业思维的航天发射服务研究

盛英华，吴佳林，毛承元，梁建国

(上海宇航系统工程研究所,上海 201108)

1 抓住太空2.0时代发展机遇

2010年以来,全球航天产业正处于能力与市场快速发展的新时期，航天已经从传统服务于国防、民用和探索，进阶为与互联网融合，服务于民生，创造新市场，推动世界经济增长的新引擎。

以美国为代表的航天强国在20世纪90年代推进军民融合转型，布局商业航天，以政府采购等政策激励催生了多家私营航天企业，涵盖了运载火箭发射服务、卫星通信、遥感图像、导航定位、空间居住、数据服务等航天产业的众多环节。

在新技术持续突破、“航天+互联网”跨界融合、国家产业政策鼓励、风险投资涌入等多重因素聚集下，全球航天产业即将进入太空2.0时代[1]。

太空1.0时代主要由“冷战驱动、政府主导”，如图1所示。从零到一逐步构建了运载火箭发射、卫星应用、空间站、发射场和地面测控网等庞大的航天基础设施。

太空2.0时代是大众利用太空的时代，主要由“万物互联、天地一体”驱动。起于20世纪90年代卫星星座计划，以“服务大众、商业盈利”为目标的商业航天重新整合太空1.0时代的航天产业资源，以“三创新”(商业模式、产品和技术)实现航天的内生性自我推动和发展，推动航天与大众生活深度融合。

为抓住太空2.0时代航天产业兴起的战略机遇，本文从第一推动上将航天产业发展划分为3个阶段，从价值链上梳理了航天产业业务分布及产业整合策略，分析新兴航天发射公司模式、产品和技术，为航天传统发射服务在太空2.0时代的新发展提供参考。

2 航天产业进阶三要素齐聚

一个新兴行业从出现到大众普及需要突破技术、产品和市场三个阶段。

从1957年第一颗卫星上天至今，航天运输发展了60余年，突破了一次性技术，解决了进入空间工具的有无问题。20世纪90年代低轨卫星通信星座兴起，美国政府逐步制定有关鼓励航天军民融合、商业航天的政策和法律，航天产业化所需的系统环境逐渐出现。

预计1991—2030年前后，航天商业化和商业航天将兴起，与政府共同主导航天发射服务产业。在“万物互联、天地一体”推动下，物联网、大数据、人工智能和航天产业跨界融合，引领未来新的经济增长。

2.1 新市场即将兴起

两大潜在市场的兴起将改变航天发射服务产业格局。一是大规模低轨卫星星座应用，二是近地轨道商业载人航天[2]。

如表1所示，从20世纪90年代提出低轨通信卫星星座，历经近30年三代发展，大规模商业化的低轨卫星星座即将进入部署应用阶段。空间探索、波音、一网(OneWeb)、加拿大开普勒通信、另外的三十亿(O3b)等众多商业公司提出了大型低轨星座，频段以Ka、Ku、V为主，服务于全球宽带及窄带通信、综合地球观测、地球成像等[3]。

表1 卫星移动通信发展总结

商业载人航天是未来最大的潜在新兴市场。自2006年美国实施商业轨道运输(COTS计划)，追求近地轨道载人航天能力的私营机构发展初见成效。空间探索公司猎鹰9火箭、蓝色起源公司的新格林火箭等具备了近地轨道商业载人发射能力；空间探索公司(龙飞船)、波音公司(星际客车)、内华达山脉公司(追梦者)将在2020年前后实现空间站载人商业运输；与NASA合作，毕格罗公司充分验证了充气式试验舱技术，计划建立独立运行的商业太空旅馆(BA330舱段对接)；XCOR宇航公司、维珍银河、蓝色起源等多家公司即将提供太空旅游产品和服务[4]。

2.2 新技术持续突破

低轨即时移动通信业务、商业载人航天业务兴起需要突破以下技术：

(1)高通量数字通信技术[5]

正如移动互联网的带宽决定生意大小，卫星高通量数字通信技术决定卫星未来增强移动带宽(可感知互联网、增强现实、虚拟现实等)、关键业务服务(自动驾驶汽车、工业自动化、智能电网)和海量物联网业务的大小。

目前点波速覆盖的HTS卫星技术已经在高轨通信卫星实现，通信带宽为10Tbit/s。

(2)卫星应用终端的通用化技术

以智能手机为代表的小型、低成本移动终端产品。

(3)超小型相阵控天线技术

普通用户接入近地轨道卫星网络提供的网络服务，需要低成本、小型化、易携带的超小型相控阵天线，解决个人手持终端功率不足问题。OneWeb公司的策略是引入电信公司、可口可乐(无人售货机)等战略合作联盟。

近地轨道商业载人业务兴起需要大幅降低发射服务费用，提高载人安全可靠性量级(如飞机一样)[6]，目前正在验证的新技术有：垂直起降重复使用技术、充气式空间站技术、重复使用飞船技术等。

2.3 法律与政策不断完善

1998年美国通过《商业航天法案》，以法律形式再次强调了对商业航天领域发展的重视；2010年公布《美国国家航天政策》，大力支持商业航天部门发展；2015年美国通过《商业航天发射竞争力法案》；2016年美国通过《太空复兴法案》，增加美国联邦航空局(FAA)授权基金，增加商业卫星数据采购。

美国商业航天法案政策主要聚焦：1)市场准入(规范)；2)技术扩散；3)投资鼓励(政府背书)；4)市场容量有限下的政府采购。

如图2所示，美国航空航天局从2005年启动商业乘员与运输G3P计划，至今经过三个阶段，已成功由商业货物运输进入商业载人运输。

3 整合航天产业形成规模经济

从发射运输服务到卫星应用，再到卫星通信、能源、物联网、人工智能和大数据等跨界融合，其中发射服务是小众市场，掌握航天产业的入口；卫星作为航天产业的空间物质基础，其流量带宽成为通信、人工智能、大数据等产业兴起的核心枢纽之一。

市场容量决定产业大小，市场特点引领业务定位及服务模式；性价比、便捷性、可靠性等成为发射服务市场的核心竞争力。航天发射服务与汽车(百万辆)、飞机(千架)等不同，全世界每年百次左右发射，实现商业持续盈利需要寻找新的业务增长点或者新的业务模式。

3.1 航天产业价值链分布

卫星产业主要包含卫星服务业、卫星制造业、发射服务业和地面设备制造业。如图3所示[7]，基于2012年—2016年卫星产业状况分析，火箭发射服务业规模在50亿～70亿美元/年，息税前利润率(EBITAD)低于10%，卫星服务业价值最高，年均规模在2000亿美元左右，EBITAD约5%～30%，成为各方角力的“主战场”。

航天产业存量业务(航天器制造与发射、卫星通信/导航/遥感、太空探索等)有限，尤其是发射服务业目前年均仅有70～90发，美苏冷战时期最高120发左右。

3.2 航天发射服务特点

当前国际航天发射服务是市场经济、法制经济，尚未达到规模经济，非完全自由经济。

(1)小规模经济

对于单一型号主力火箭，2014年联盟火箭在3个发射场发射22发；猎鹰9火箭2017年执行18发任务；对于小火箭，有可能几年执行一次发射任务(如飞马座火箭、米诺陶火箭等)[8]。

根据阿里安火箭公司预计，年均发射量5枚以上可以达到收支平衡。商业发射目前约占发射任务的1/3，假定年均90次发射，约合30次商业发射任务，预计现有纯商业发射仅仅能支持两三家发射服务商生存。

(2)非完全自由经济

发射服务客户主体是政府，发射服务必须符合国家利益和出口管制。根据美国国际武器贸易条例(ITAR)，卫星上使用美国元器件的不能用中国的火箭发射。

3.3 航天产业整合模式

航天产业中通信卫星应用实现了商业化运营，而发射服务为任务导向型，发射费用高，需求少，依托市场形成自生循环的规模经济相对较困难，主要通过内部垂直整合和外部横向整合提升产业规模和效益。

(1)发射服务垂直整合

新兴太空发射服务公司以抓入口模式整合发射服务产业链，如火箭试验室公司(Rocket Lab)、空间探索公司等。

国内航天科工火箭公司选取空间探索公司发展策略，抓火箭入口整合发射产业链，而后以虹云工程为核心整合卫星产业链，引领太空2.0时代的新产业发展。

(2)卫星产业横向整合

新兴的卫星服务公司(如OneWeb)通过利益共享模式整合整个卫星产业链。如图4、图5 所示，OneWeb公司卫星制造选择空中客车集团，发射选择维珍集团(后又增加蓝色起源公司、阿里安宇航等)，通信及地面终端选择休斯公司，星座市场开发选择国际卫星组织、休斯公司等、区域市场开发选择区域电信巨头(印度、巴西等电信巨头)和可口可乐公司等。通过整合产业链，形成协同集群规模优势。

4 创新生态助推航天发射服务

企业是发射服务业的主体，其创新性决定新兴航天企业的竞争力。新兴航天发射服务企业瞄准利润最大市场(高轨发射服务和空间补给等)或者市场痛点(微纳卫星发射)，以生态创新型策略系统提升市场竞争力。

4.1 模式创新

新兴航天企业孕育期在7年以上,如空间探索公司从2002年成立到2010年猎鹰9成功首飞[9]；蓝色起源公司从2000年成立，预计到2020年新格林火箭首飞；另外三十亿(O3b)公司2007年成立，2014年提供卫星通信等服务，一旦顺利度过孕育期，则呈现指数型增长，快速具备市场竞争优势。

(1) 理念

以互联网产品设计理念快速升级航天产品，而不是飞行验证后定型。从2010年猎鹰9 V1.0版火箭成功首飞，到猎鹰9V1.1版火箭验证一子级回收，再到猎鹰9V1.2 版火箭GTO能力达到8.3t，LEO能力达到22.8t，深刻诠释“产品在迭代中升级”。

(2) 商业模式

新兴商业公司从运载火箭产品提供商转变为发射服务提供商，即直接向用户提供发射服务；从传统火箭研制的协同分工生产转向基于信息化/智能化技术的产业链垂直整合，实现从单机、系统、全箭、发射场全面整合，只采购通用产品。

(3) 管理

在项目开发过程中并行设计，设计人员与制造、工艺、试验人员高度融合(项目制，设计办公室与生产一体化)。产品不再追求一次实现完美，发射只考虑影响火箭飞行主要因素，容忍缺陷，不断迭代(如猎鹰9火箭一子级模块从Block1升级至Block5)，提升产品性能、可靠性和可用性。

核心人员从奖金激励转向自我实现和股票期权的双重激励。

4.2 方案创新

新兴商业公司的运载火箭首先考虑任务适应性、市场覆盖率和竞争力，侧重商业回报。火箭方案首选两级(最简构型)，动力系统配置选择一、二级发动机同源，发射支持远程无人值守化等。

(1) 猎鹰9V1.2火箭

任务定位：高可靠低成本商业发射。地球同步转移轨道(GTO)运载能力：8.3t(一次性)。构型特点：单芯级，两级，全轨道覆盖，如图6所示。

方案评估： 95%以上任务覆盖，实现了系统综合最优、结构最简、动力冗余、智能控制和先进测发，发射服务具备商业竞争力，子级垂直回收为重复使用提供新的选择。

(2) 电子号火箭

任务定位：为微小卫星运营商提供发射服务。500km太阳同步轨道(SSO)运载能力：150kg。构型特点：两级构型，一型电动泵驱动发动机(Rutherford)，如图7所示。

方案评估： 发射便捷，费用低——1U 卫星发射服务费用为5万美元；发动机结构简单，比冲高；箭体质量轻(全碳纤维复合材料)；火箭部组件可实现快速制造(3D打印等)。

4.3 技术创新

新火箭任务适应性、市场竞争力源于创新设计方法、应用新技术和产品快速升级。

(1)按概率发射的系统总体设计技术

传统运载火箭设计理念源于导弹，选择99%发射概率，箭体结构过度冗余。

新兴商业公司选择70%～80%发射概率，大幅降低飞行载荷，应用射前装定、主动减载等技术进一步降低飞行载荷。

(2)简单可靠的高性能变推力发动机技术

一型性能先进、简单可靠的发动机是研制运载火箭核心支撑。Merlin系列发动机推力从35t提升到86t，质量从630kg降到470kg，直径从1.2m缩小到1m，比冲从275s提高到282s，地面推质比达到183。

发动机不再强调大推力，而是考虑制造简单、性能可靠、推力可调节，以多机并联策略研制最简构型的运载工具，提升市场竞争力。

(3)新型轻质结构技术

快速推动箭体结构设计、仿真、试验与制造一体化，实现结构与承载精确匹配。选择高强铝锂合金、复合材料等成熟材料降低箭体结构质量和制造成本。引入全搅拌摩擦焊、箱底旋压成型、3D打印等新型制造技术，确保设计到制造的一致性和快速性。

(4)新型控制技术

传统运载火箭为轨道预装定，动力故障状态下难以将载荷送入轨道。猎鹰9火箭实现了射前装定、主动减载、一台发动机故障状态下动力冗余和在线实时规划新的飞行控制策略[10]。

在线自主规划的核心关键是动力冗余、姿控模型重构和按照新的轨道飞行，需要算法在毫秒量级以能量最省原则重构制导、姿控等策略。美国从火星任务开始研究凸优化算法[11]，2011年开始在蚱蜢样机、猎鹰9火箭一子级上验证，2015年一子级垂直返回工程实现。

5 我国航天发射服务发展建议

进入太空2.0时代，传统航天企业与新兴商业航天公司同台竞争是时代的必然。传统航天企业需要从技术、管理和政策3个方向创新，提升航天发射服务竞争力。

(1)引领技术创新

选择合理市场切入点，追求基本型火箭方案的最简化，与上面级组合实现高任务覆盖，以动力、结构、电气、地面技术创新提升产品的竞争力。

(2)优化组织管理

瞄准产品通用化，实现从传统研制任务导向型向通用产品发射服务型组织转变；减少产品研发中间环节，从总体、分系统、单机独立向系统集成组织转变。

(3)给予政策支持

航天产业非市场化因素众多，需要国家制定相关的法律和政策，逐渐将非市场化要素(发射场、测控网等)转化为市场要素，给予发射服务许可证，支持企业开展空间稀缺资源(轨位和频位)的国际谈判等。

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