从Space X公司的崛起看美国军事航天的发展趋势

张小林，顾黎明，吴献忠

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314033)

0 引言

从2002年Space X公司宣告成立后的15年间，这家纯民营航天企业创造的一个个航天技术奇迹，拓展的一个个商业航天市场成果，不仅仅是Space X公司顺应潮流、勇于探索、大胆创新的结果，美国国家调整战略思维，给予全方位的政策鼓励与扶持，更是起到决定性的快速发展推动作用。2017年12月15日，Space X公司利用“二手”猎鹰9火箭发射“二手”“龙”飞船(Dragon)是人类航天史上的第一次，也是载入世界航天发展史册的里程碑事件，这一定也是美国航天领域军民融合的具体举措。

Space X公司从成立之初，就站在巨人的肩膀上，其核心员工主要来自美国NASA和传统的航天大公司的航天精英，Space X公司的雄心壮志还吸引了许多年轻科技人员，到2015年，公司人员已超过4000人。Space X公司成功崛起的经验值得总结学习，从中可分析总结美国的军事航天发展的战略动向和航天技术的发展趋势，对我国的航天技术发展有积极的借鉴意义。

1 Space X的主要产品及其特点

Space X公司的产品主要包括“猎鹰”(Falcon)系列运载火箭和“龙”(Dragon)飞船，星链(Star link)互联网星座卫星等。目前研制的“猎鹰”系列运载火箭有“猎鹰”1、“猎鹰”5、“猎鹰”9、“蚱蜢”四个型号。“龙”飞船包括正在加紧研制的货运型号，也包括设想中的载人型号。

1.1 猎鹰”系列产品

“猎鹰”1：“猎鹰”1是一种两级火箭，采用液氧和火箭级煤油作为推进剂，能够将几百千克级的货物运送至近地轨道。2006年3月第一次发射，现已发射5次，其中前3次发射失败，后2次发射成功。“猎鹰”1分为标准型“猎鹰”1和加强型“猎鹰”1e两个型号。标准型“猎鹰”1火箭长21.3 m，直径为1.7 m，质量为27.67 t，起飞推力347 kN，低地轨道运载能力470 kg。2010年推出的加强型“猎鹰”1e火箭长24.7 m，直径1.7 m，质量35.18 t，起飞推力512 kN，185 km低地圆轨道运载能力1010 kg，发射价格1090万美元。该型号已取代标准型。以下介绍针对的是“猎鹰”1e。

“猎鹰”5：与“猎鹰”1一样，“猎鹰”5也是一种采用液氧和火箭级煤油(RP-1)作推进剂的两级运载火箭。它与“猎鹰”1使用基本相同的发动机、结构构造(直径更大)、宇航电子设备和发射系统。这意味着其所有关键组件在首飞之前就将已经是经过飞行验证的。不过，“猎鹰”5和“猎鹰”9一样，两级都可重复使用。这将使它们成为世界上首批可完全重复使用的运载火箭。

“猎鹰”5火箭在可靠性上的重大突破源自其有5台发动机和单一贮箱的第一级配置。它由此将和“猎鹰”9一起，成为美国自“土星”5之后第一种具有发动机停车可靠性的运载火箭。更重要的是，其第一级可在有多达3台发动机失效的情况下继续完成发射任务。

“猎鹰”9：Space X公司在2015年9月宣布研制“猎鹰”9运载火箭的。“猎鹰”9主要有三项用途：一是为商业和政府用户向近地转移轨道发射各种尺寸的卫星；二是发射重型低轨卫星，主要是美国国防部卫星；三是争取用于国际空间站补给发射，首先是货物补给，以后还可能用于运送人员。

同“猎鹰”1和“猎鹰”5一样，猎鹰”9也采用液氧和RP-1煤油作推进剂的两级运载火箭，而且发动机、结构构造(直径加大)、航电设备和发射系统也与“猎鹰”1基本相同。该火箭已在2010年进行了两次试射，均取得了成功。2016年发射7次，成功回收5次，先后实现低轨任务的陆地回收以及高轨任务的海上回收。“猎鹰”9现分为1型和2型。2型“猎鹰”9全长54.9 m，直径3.6 m，质量333.4 t(低地轨道，5.2 m整流罩)或332.8 t(近地转移轨道，5.2 m整流罩)，起飞推力约5 MN。

1.2 “蚱蜢”火箭

2013年10月19日，美国Space X公司研发的“蚱蜢”火箭完成了“第八跳”，火箭在点火发射升空到744 m的高空后，又垂直准确降落到发射台上。整个试验过程持续78.8 s，火箭降回地面后外观完好。与传统运载火箭相比，“蚱蜢”外形上最大不同是带有四条钢铝结构的“腿”，它们带有液压减震器，使火箭能抵御垂直落回地面的巨大冲击而不致严重损坏。

“蚱蜢”火箭使用了全新的垂直起飞垂直降落概念，Space X公司希望凭借该技术打造出可重复使用的火箭系统，这样在运载火箭发射后就可以自动降落在预订场地上，不需要从海洋中人工打捞火箭助推器或者其他部件。这项技术有助于降低运载火箭的发射成本，使火箭不再是一次使用的消耗品。本次“蚱蜢”试验是公司研发垂直起降、完全可重复使用运载火箭的“关键一步”，希望将垂直起飞垂直降落技术安装到下一代的“猎鹰”火箭上。该公司已用“猎鹰”9系列运载火箭承揽卫星发射任务，并与NASA签订合同，向“国际空间站”运送航天员和物资。

1.3 “龙”飞船

“龙”飞船是Space X公司设计的为轨道接收目标运送货物和航天员的空间自由飞行航天器。它作为公司的内部项目于2005年启动，拟用于向低地轨道运送增压和不增压货物，并考虑发展载人型号。飞船由三大部分组成。头锥部分用于在上升飞行过程中保护飞船和对接适配器。飞船本体部分用于乘坐人员和装载增压货物，并设有装纳航电设备、反推控制系统、降落伞和其它保障设备的服务舱。筒形躯干部分用于装载不增压货物，并支撑飞船的太阳能电池阵和散热器。

NASA于2008年底宣布选用“猎鹰”9火箭和“龙”飞船来执行航天飞机退役后国际空间站的货运补给飞行任务。2011年4月18日，NASA宣布同4家公司签订了“商业机组发展”计划第二轮(CCDev-2)下的协议，将向这几家公司提供共计2.693亿美元的经费资助，以扶持研制以商业方式运营的人员运输系统，Space X公司获得了其中的7500万美元。2017年6月1日Space X公司从NASA肯尼迪航天中心向国际空间站发射“龙”航天器，执行第11次商业补给任务。“龙”将由“猎鹰”9火箭发射，为国际空间站的工作人员运送生活补给和科研物资，包括用于研究中子星的科研设备、太阳能电池板、地球观测工具等。

1.4 星链卫星(Star Link)

2019年5月23日，Space X公司使用“猎鹰”9运载火箭在卡纳维拉尔角空军站发射了的60颗星链低轨宽带卫星。本次发射的这些卫星每颗质量约为227 kg，总质量13.62 t。星链卫星采用新型平板式设计，配备氪燃料等离子体推力器、大功率天线和防撞预警相机。星上配备多部高通量天线和单一太阳能电池阵。卫星采用利用电和氪气来产生冲量的霍尔推力器来开展在轨机动、姿态保持和任务末期的再入引导。

这次发射的卫星型号属于0.9版，没有配置星间链路，但能利用地面站作为中继通道。星链的用户终端采用相控阵电扫天线，同传统碟形天线相比，电扫系统能同时跟踪多颗卫星。

Space X公司最终计划发射和运营多达4409颗Ku和Ka波段卫星，7518颗V波段卫星组成的一个网络，这将使Space X公司低轨宽带星座卫星数量达到11927颗。

Space X公司的星链计划准备三步走搭建：

第一步：用1600颗卫星完成初步覆盖。其中，前800颗卫星满足美国、加拿大和波多黎各等国的天基高速互联网的需求。这1600颗卫星分布在32条轨道上，每条轨道50颗卫星。轨道高度1150 km，轨道倾角53°。

第二步：用2825颗卫星完成全球组网。这2825颗卫星分为4组。第1组由1600颗卫星组成，布于32条轨道上，每条轨道50颗，轨道高度为1110 km，轨道倾角为53.8°；第2组由400颗卫星组成，分布在8条轨道上，每条轨道50颗，轨道高度1130 km，轨道倾角为74°；第3组由375颗卫星组成，分布在5条轨道上，每条轨道75颗，轨道高度1275 km，轨道倾角为81°；第4组由450颗卫星组成，分布在6条轨道上，每条轨道75颗，轨道高度1325 km，轨道倾角为70°。前两步的卫星总数量为4425颗，这些卫星工作在较为传统的Ka波段和Ku波段，力争以量取胜。

第三步：用7518颗卫星组成更为激进的低轨星座。这些卫星的运行轨道比第一步和第二步的4425颗卫星的1110～1325 km轨道高度要更低，为340 km高度附近。而且，第三步的7518颗卫星将工作在40～75 GHz之间V波段。

星链计划的三步走完成后，就在近地轨道组成了两层庞大的卫星星座，内层340 km轨道高度的7518颗卫星与外层的1000多千米轨道高度的4425颗卫星组成的11943颗卫星星座。2018年11月12日，Space X公司对星链进行了修订，旨在减少庞大数量的卫星对近地空间造成的影响。此次修订只针对第一批发射计划中第一阶段发射的卫星数量。

星链第一批发射计划原包括4425颗卫星，其中第一阶段包括1600颗卫星，在距地面高度为1150 km的轨道上运行。修订后，该阶段待发射的卫星总数减少至1584颗，运行高度降低到550 km，卫星的运行方式也做出了相应调整，如表1所示。

表1 第一批卫星布置调整

星座的通信架构部署将分两阶段进行。第一阶段，Space X将使用Ku波段频谱进行卫星与网关和用户终端之间的通信，同时在地面站安装抛物面天线。第二阶段共计划发射7518颗卫星，随着卫星数量的增加，Space X将结合Ku/Ka双波段芯片组和其他支持技术，逐步转向使用Ka波段频谱进行网关通信；随着系统的发展，逐步引入相控阵天线。这2个阶段的数据链路频率如表2所示。

表2 工作频率范围

2 Space X公司成功崛起的原因分析

2.1 经营理念先进

Space X公司的企业使命是：发展宇宙空间探测火箭和飞行器，持续提高航天运输系统的可靠性和成本效率，铸就世界领先的航天服务公司。为了实现企业使命，该公司先进的经营理念是：简单、可靠、低成本。

作为新兴的私营航天企业，为了与垄断美国政府发射市场的联合发射联盟公司竞争，Space X公司制胜的关键就是低成本。其降低发射成本的主要秘诀集中在降低间接费用、动力系统、箭体结构、电子系统和发射操作等方面。

2.2 技术特点突出

Space X公司在技术上体现出技术成熟与持续创新的特点。一方面，Space X公司十分注重使用成熟技术与成熟产品，将成熟技术、成熟产品运用到极致。“猎鹰”系列火箭的灰背隼发动机采用了“阿波罗”计划登月舱下降段发动机的喷管；“猎鹰”系列火箭使用了2195铝锂合金材料和搅拌摩擦焊技术，因为2195铝锂合金材料早已用于航天飞机的外置燃料箱，搅拌摩擦焊技术也是如此，所以，不需再研发工艺。沿用成熟技术和成熟产品在很大程度上降低了火箭的研制费用，提高了可靠性。

另一方面，Space X公司高度重视技术创新，坚持拥有自己的核心技术，自主研制了“猎鹰”系列火箭的主发动机、上面级发动机、低温贮箱结构和制导系统等关键产品。

2.3 管理架构扁平

传统的航天公司多以大团队协同的工作模式研制火箭，如波音公司在研制“德尔它”4火箭时投人了近千名工程师。而Space X公司采用了扁平化的管理架构，公司内部没有通常意义上的部门划分，各领域的员工平等地参加技术研讨、开发、设计、生产等工作。

扁平化的组织结构，能够将创新的想法和概念及时传送到决策层，也能够使相关决策及时传递到基层并实施，同时还使设计与生产的联系更为紧密。研发人员在考虑材料和工艺的可实现性时，可随时到生产车间与生产人员直接沟通，以便及时发现这项技术是否具备投入生产的条件。事实证明，扁平化的管理保证了整个研发工作团队的效率，节约了管理成本。

2.4 美国政府的扶植

美国政府积极扶持商业航天企业，营造有利于新兴航天企业发展的环境。在市场准入上，美国联邦航空管理局(FAA)2011年授予Space X公司飞行器再入轨道许可证书。

除了美国国家顶层的航天政策，美国还制定了一系列促进商业航天发展的配套法律，包括《零重力零税收法》、《航天现代投资法》、《商业航天法》、《商业航天发射法》等，这些政策、法规的出台，有力地推动了美国商业航天的发展，使得美国航天工业的产业结构从过去的军、民的结构向军、民、商业航天三足鼎立的结构发展。

3 美国军事航天的发展趋势

近年来，随着对太空威胁认识的不断深化和自身对太空能力需求的不断增长，美国将太空安全视为核心利益，重视把开发太空资源与维护太空安全统一起来，深度推进太空领域军民融合，军民融合的范围不断拓展、模式持续创新。

3.1 新型太空体系结构牵引美国航天领域军民融合深度发展

面对日益复杂的太空环境，美军积极推动太空力量转型，强调增强太空体系结构的可恢复性、防护性和重构能力。美空军航天司令部谋划发展分散式太空系统体系结构，通过将太空能力“分散”到多个平台或系统(包括民用/商业)上，提高太空系统的生存能力，增加对手实施攻击决策的困难，为威胁环境下的能力重构、恢复或运行提供保障。2016年4月，美空军航天司令部发布“太空企业级构想”，谋求构建富有弹性的国家安全太空体系，通过体系对抗增强太空系统生存能力，提升国家太空安全。

2017年4月，美空军航天司令部制定“太空作战架构”(SWC)，指导未来太空力量体系发展，其中特别强调军民商伙伴关系的重要支撑作用，这意味着军民商融合是美国未来太空力量体系的重要基础之一。未来，美国将通过合理调配军民商太空资源，建设一个更加富有弹性和灵活性的太空力量体系架构，能够对太空作战做出快速反应，在充满对抗、冲突的太空环境中赢得作战，维持21世纪的太空优势。

3.2 立足维护太空安全不断拓展军民融合的范围

美国认为，当前的太空安全环境日益呈现“拥挤、对抗、竞争”的局面，俄、中太空对抗能力的发展，对美国太空系统构成严重威胁。美国的太空资源不再处于绝对安全区，每个轨道上的美国卫星都受到威胁，太空带给美国的战略和战术优势不再是理所当然的事情。

为巩固太空战略优势，2017年6月30日，美国总统特朗普发布行政令，针对美国太空活动日益分化的现实，重建国家航天委员会，将军民商航天活动统管提升到国家战略层面，通过统筹协调政策规划、合理调配资源，把开发太空资源与维护太空安全统一起来，确保每个太空部门都在提升美国利益中扮演适当的角色，确保国家资源都用于实现国家目标。国家航天委员会主席彭斯宣布，将制定综合性的国家太空政策，以支持美国太空领域的重要利益。国家安全顾问麦克马斯特表示，正在进行全面战略评审，制定“太空战略框架”，并提出几个重要目标：一是加强太空活动的安全性、稳定性、可持续性以及弹性，在必要时摄止和挫败敌人针对美国及其盟友的太空威胁；二是强化与商业部门合作，确保美国持续引领航天创新。

事实上，通信、对地观测、导航等应用卫星不仅在军事作战中发挥着重要作用，而且广泛应用于经济和社会各领域，成为军民融合发展的重要领域。随着民用和商业太空技术的不断进步和广泛应用，太空安全领域的军民融合成为新热点。

一是军方重视利用商业太空态势感知能力。美国已与50多家商业航天公司签署太空态势感知数据共享协议，在世界范围内建成天地一体化太空态势感知体系。

二是重视发展军民两用太空操作技术。美国防部和NASA都在积极开展相关研究太空操控技术，不仅能应用于空间站，也具有重要的军事应用价值。以该技术为基础，可以发展对非合作目标的绕飞监视、逼近检查，以至捕获、拦截等多种技术。

三是通过商业搭载、分布式手段等将太空能力分散布置在不同轨道的不同平台上，使太空能力去中心化，以体系能力对抗可能的不对称打击。

四是探索在轨装配、轨道碎片清除等具备多种用途的太空先进技术发展，这些技术的使用目的与界限模糊，其军事应用前景值得关注。

五是通过深空探索任务牵引，推进先进太空技术创新。在深空探索任务中演示验证的深空自主控制/探测/跟踪、在轨机动、与非合作目标交会等技术也是太空攻击武器的必备技术。

4 对航天技术发展的启示

航天技术自带很强的军民两用属性，商业航天的发展不只为国家参与世界航天技术竞争，完善国家航天战略布局时增加了可选择的手段和产品，而且其技术发展必将对军用航天和相关武器装备的发展提供巨大的支撑作用，并将推进在航天和太空探索、应用领域军民融合深度发展格局的行程和落地。

过去，我国航天事业的发展主要得益于集中力量办大事的举国体制，这种体制在资源筹措和资源投入上有很大的优势，但是市场机制在资源利用效率上会有更大的优势，二者并不矛盾，这也是欧美商业航天发展取得成功的主要原因，其中商业航天发展所展现的效率优势已经令人刮目相看。

一般情况下，在封闭的任务导向型的发展体制下，企业在技术选择时必然会倾向于选择既有成熟技术，而放弃创新型技术，以确保任务成功，即使要采取创新技术，也必然要开展大量的验证性试验，为了打消各参与方的顾虑，整个验证过程通常是冗长而低效的，而在市场化的创新型企业中，由于存在市场竞争和资本对投资效果的关注，相关的验证必然会采取最科学和最具效率的方式，只要取得同专业专家的共识和认可。

5 结束语

Space X公司的成功属于美国军民融合发展的一个典范，对我国航天的后续发展有很大的借鉴和参考意义，军民融合深度发展是要让技术发展，设施建设兼顾军民两方面的需求，从制度设计上让国家对国防科技工业的扶持和投入可以形成工业能力，同时要在市场规律作用下激发全社会力量的投入到国防科技工业传统领域提升全行业的能力和效率，只有这样才能实现一体化国家战略体系和能力。