中国商业航天的发展与未来

王小军

中国商业航天的发展与未来

王小军

（中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

通过研究航天技术发展趋势和国际商业航天发展形势，分析了商业航天对市场发展、产业转型、技术创新的重要意义，结合商业航天发展历史和特点，总结了商业航天发展中的商业化发射、产业化发展、大众化服务3个重要阶段及标志特征，提出了中国运载火箭技术研究院商业运载火箭发展型谱，并根据商业航天当前发展阶段特点和未来任务需求，给出了可靠性、经济性、响应性、创新性等未来发展建议。

商业航天；运载火箭；型谱

0 引 言

近几年来，随着航天技术的不断发展和航天产业规模的日益扩大，商业航天快速发展，以商业运载火箭、低轨互联网星座、亚轨道旅游、商业遥感等为代表的商业航天各领域得到迅速推进，航天产业呈现新的发展态势。在技术进步和市场需求的驱动下，航天规模化生产和大众消费成为可能，发展商业航天产业、提升航天技术水平，对支撑航天强国建设具有重要意义[1,2]。

分析商业航天特点，其发展脉络大致可分为3个阶段：第1阶段是以运载火箭商业市场发射为主的商业化发射阶段，第2阶段是商业航天产业化发展阶段，第3阶段是商业航天提供大众化服务阶段。

本文在研究商业航天发展形势的基础上，着眼于商业航天发展趋势，结合中国运载火箭技术研究院商业航天发展现状与未来布局，提出了中国运载火箭技术研究院商业运载火箭型谱发展构想，并给出了中商业航天未来发展建议。

1 商业航天发展形势分析

商业航天是在国家相关法律法规指导下，利用社会化资本、遵循市场机制而开展的航天活动，是对由国家投资主导的政府航天的重要补充，可以有力提升资源配置效率效益，支撑航天技术长远发展[3]。

随着冷战政治意识对抗的淡化和结束，航天活动的商业属性日益展现，规模化的商业航天于20世纪80年代开始起步。1984年，美国颁布了《商业航天发射法案》。1987年，美国Orbital Sciences公司开始研制世界上第1种由私营公司投资的商用运载火箭——飞马座，此后还先后研制了金牛座、安塔瑞斯运载火箭。2002年，美国SpaceX公司开始研制法尔肯系列运载火箭，近年来通过法尔肯9火箭快速抢占国际商业发射市场。与此同时，Blue Origin、Rocket Lab等新兴航天企业陆续涌现，新谢泼德垂直起降飞行器、电子号火箭先后飞行成功。

中国商业航天发源于对外商业发射服务，与国外基本同时起步。从20世纪80年代后期开始，中国长征系列运载火箭先后完成了亚星、澳星、铱星等商业发射任务，形成了长征火箭的国际市场重要影响力[4,5]。进入21世纪，尤其是2010年之后，在新技术和新需求的推动下，中国商业运载火箭、商业卫星及商业应用服务蓬勃发展。

商业航天以大胆创新、快速迭代的技术和管理优势带来了市场空前繁荣，尤其基于航天技术和社会化资本深度融合的“航天+”模式带来全新的业务形态，推动了产业资源与市场需求的加速融合，激发更多的应用场景，催生出新的经济增长点，其主要表现在如下3个方面。

a）商业航天是市场发展的新引擎。

随着航天技术的发展和航天应用的普及，航天产业蓬勃发展，经济规模持续攀升。根据美国航天基金会发布的2019年第2季度《航天报告》显示，2018年全球航天经济增长8.1%，远高于世界经济整体增长水平。2018年市场规模达到4147.5亿美元，其中商业航天占到市场份额的80%。商业航天已经成为市场的主力军，更是未来的发力点和新引擎。

b）商业航天是产业转型的加速器。

政府航天部门建立了一套完善的技术和管理体系，确保稳步推进重大工程实施、前沿技术研究和空间科学探索等，但由于任务影响大、可靠性要求极高等因素影响导致任务成本居高不下。随着航天产业持续壮大，面对小批量向规模化的转型机遇和挑战，利用社会资源进行市场化配置是提高效益的重要手段[6]。当前商业火箭、商业卫星不断呈现新的发展形势，必然带动卫星应用等大量上下游和周边企业的进步，推动航天向产业化方向发展。

c）商业航天是技术创新的助推剂。

商业航天具有灵活的运营协作机制和快速市场响应能力，能够将各个领域的先进技术成果与航天应用场景结合，围绕市场需求进行革命性创新。例如SpaceX公司大胆开展垂直起降飞行试验最终实现工程应用，创新性地构建了运载火箭重复使用的技术发展路线[7]。

2 中国运载火箭商业化发射回顾

商业化发射作为商业航天发展的重要起步阶段，主要是通过市场竞标和签订合同，利用传统火箭完成市场发射任务。该阶段的特点是商业运营独立于技术研发，没有改变运载火箭的研制模式，也没有专门的商业运载火箭，长征系列运载火箭率先跻身国际商业航天发射市场，是中国商业航天发展的第1个重要阶段。

20世纪80年代后期国际商业载荷迎来了第1次发展浪潮，同期航天飞机和阿里安系列火箭连续出现飞行失利，长征系列运载火箭以性能可靠、价格经济的显著优势迅速跻身国际商业航天发射市场。

1988年11月1日，中国长城工业总公司（现为中国长城工业集团有限公司）和美国休斯公司正式签署了卫星发射服务合同，决定研制大推力运载火箭——长征二号捆（见图1），用于发射澳赛特通信卫星。 1990年7月16日，长征二号捆火箭在西昌卫星发射中心将澳星模拟星顺利送入太空，创造了18个月完成火箭研制的奇迹，并且突破了火箭捆绑关键技术难题。截至1994年8月28日，一共完成了3颗澳星发射任务，此后还成功完成了亚洲二号、艾科斯达一号等商业卫星的发射任务。

图1 长征二号捆火箭发射

1989年1月23日，中国长城工业总公司与亚洲卫星有限公司签订发射合同，确定使用长征三号火箭（见图2）发射亚洲一号卫星。1990年4月7日，长征三号运载火箭圆满完成发射任务，掀开了中国商业发射的大幕。

图2 长征三号火箭发射

1993年4月28日，中国长城工业总公司和美国摩托罗拉公司签订了卫星发射服务合同，决定利用长征二号丙火箭以一箭双星的方式发射铱星。1997年9月1日，长征二号丙运载火箭成功发射2颗铱星模拟星。截至1999年6月11日，长征二号丙火箭一共进行7次发射，将2颗模拟星和12颗正式星准确送入预定轨道，全部取得了圆满成功。

1997年8月20日，中国当时推力最大的运载火箭——长征三号乙火箭成功地将菲律宾的马步海卫星送入地球同步轨道，标志着中我国卫星发射能力达到世界先进水平，长征三号乙火箭也成为中国承担国际商业发射任务的主力火箭。

近年来随着美国ITAR扩大化，中国国际商业发射市场份额大幅降低。但随着国内外商业载荷的蓬勃发展，长征二号丙、长征十一号等火箭已经执行了多次微小卫星商业发射任务，尤其随着长征三号乙火箭发射大型通信卫星的整星出口业务发展，长征系列运载火箭在国际商业发射市场的地位日趋重要。

除了整星发射任务外，早在1987年8月5日，长征二号丙火箭发射任务中就搭载了两台由法国马特拉宇航公司研制的微重力实验装置。1990年7月16日，长征二号捆火箭首飞任务中也搭载了巴基斯坦科学试验卫星。

中国运载火箭技术研究院近期还专门发布了2020~2021年长征系列火箭十余次搭载发射计划，为用户提供了多样化的商业发射服务选择，见表1。

表1 长征系列火箭搭载发射计划

Tab.1 The piggyback launch plan of LM series launch vehicles

序号发射窗口轨道/轨道类型可搭载余量/kg整流罩直径/m发射类型 12020年GTO10004.2搭载 22020年728km/SSO103.35搭载 32020年1000km/SSO待定4.2 42021年500km/SSO3003.35 52021年500km/SSO5004.2 62021年500km/SSO5004.2 72021年600km(35°)/LEO1003.35 82020~2021年多次发射机会500~700km/LEO SSO430~500（SSO）1.6/2.0整箭或搭载发射 92020~2021年多次发射机会500~700km/LEO SSO155~200（SSO）1.2/1.4

3 中国运载火箭产业化发展构想

近年来，随着新技术发展，各类商业星座发射计划层出不穷，发射市场需求日趋旺盛。例如，一网公司提出的“OneWeb Constellation”计划发射超过 650颗卫星；SpaceX公司的“Starlink”计划更是提出发射42 000颗卫星；亚马逊公司提出的“Kuiper”星座也多达三千颗卫星；中国也有多家公司提出了类似的商业计划[8]。

以星座组网为代表的卫星数量超过以往人类发射的所有航天器，发射数量多、经济性要求高，即使采用多星发射任务，年度发射量也将达到数百次，对传统火箭研制发射模式提出了空前的挑战。通过供给侧结构性改革，构建市场化的发射服务体系，成为一种可行的解决方案，商业航天进入产业化发展阶段，这也是中国商业航天发展的第2个阶段。该阶段的特点是推动航天研制模式由追求科研成果转向满足市场需求转变，弥补现有运载火箭在发射次数上的能力不足，并支撑未来低轨星座组网等工程顺利实施。商业航天产业化发展一方面可以做大做好商业发射服务市场，形成对传统航天的有益和重要补充；另一方面可以推动科研院所做好成果转化与转型发展，提高技术转化效益和资源配置效率。

2015年以来，中国成立了以科工火箭、蓝箭航天、星际荣耀、零壹空间为代表的一系列商业火箭公司，涵盖发动机、箭体结构、火箭总体等整个产业链。2018~2019年，蓝箭航天、零壹空间、星际荣耀等陆续完成了亚轨道和入轨发射，民营航天企业逐步崭露头角[9]。

2016年，中国运载火箭技术研究院成立了中国长征火箭有限公司，创新管理模式和研制模式，充分发挥在运载火箭研制、生产、发射领域的技术优势，通过社会资本加速技术创新，利用商业化模式推动成果转化。2019年8月17日，中国运载火箭技术研究院捷龙一号商业运载火箭将3颗商业卫星送入预定轨道，再次创造了18个月完成一型全新运载火箭研制和首飞的奇迹，探索了“国家队”商业化研发模式。

与传统运载火箭研发模式相比，捷龙一号运载火箭研制过程中完成了由注重技术成功向注重技术、市场、效益并重成功的转变，实现了三者有机对接，具有“高性价比、高可靠、快履约、快发射”的显著特点。捷龙一号运载火箭研制中通过营造容错试错的创新环境，大胆应用新方法、新产品、新工具，首次验证了卫星舱倒置、全箭简控等为代表的15项新技术，促进了运载火箭设计、仿真技术创新；通过采用更加市场化的竞争性采购机制和资源配置方式，面向社会资源扩大配套来源，降低采购成本，打造了商业化产业链条；通过大规模组批生产，缩短发射服务履约周期，与用户签订合同后6个月即可出厂；通过优化发射准备流程，缩短发射准备时间，采用一车一箭方式，成熟期运抵发射场后可实现24小时快速发射。

围绕商业航天市场需求，在长征系列运载火箭基础上，中国长征火箭有限公司将构建龙系列商业运载火箭产品，包括捷龙固体运载火箭系列和腾龙液体运载火箭系列。

捷龙系列（见图3）包括捷龙一号、捷龙二号、捷龙三号三型固体运载火箭，以及捷龙-S亚轨道固体运载器，覆盖500 km太阳同步轨道200~1500 kg的运载能力，将着力满足微小卫星、立方星发射以及星座补网、快速组网等入轨需求。

图3 捷龙系列运载火箭

捷龙一号火箭箭体最大直径1.2 m，总长19.5 m，总重23 t。700 km高度太阳同步轨道运载能力不低于150 kg，未来将具备年均8~10发的发射能力。

捷龙二号火箭箭体最大直径2 m，总长21 m，总重60 t。500 km太阳同步轨道运载能力不低于500 kg；整流罩可用外径1.6 m和2 m两种构型。捷龙二号拟于2020年完成首次飞行试验，未来将具备年均8~10发的发射能力。

捷龙三号火箭箭体最大直径2.6 m，总长31 m，总重140t。500 km太阳同步轨道运载能力不低于 1500 kg；整流罩可用外径2 m和3 m两种构型。捷龙三号拟于2021年完成首次飞行试验，未来将具备年均5~8发的发射能力。

捷龙-S亚轨道运载器采用两级固体发动机串联，可提供临近空间气动力热研究、新材料研究、控制和测量技术等飞行验证条件。直径0.6 m，总长11.3 m，总重3.1 t。可搭载有效载荷约500 kg，高度60 km下最大飞行马赫数可达6.5，可用科学研究试验时间大于25 s。

腾龙系列火箭是采用液体推进剂的中型运载火箭，主要承担中大型卫星和较大规模星座组网的发射服务，单位载荷发射价格控制在5000美元，未来设计有可重复使用能力。

4 中国商业航天大众化服务展望

航天技术的发展一直在推动和改变人类生产生活方式，有数据统计，航天技术每1美元的投入将换来7~12美元的回报，目前中国已有2000多项航天技术成果应用到国民经济各个部门，投入产出比高达1∶10。例如核磁共振和CT、航天粉煤加压气化和气化炉等发源于航天的技术已经在生活中得到广泛应用，有力支撑了国民经济建设发展。

随着未来航天技术的进步和人类生活消费水平的提升，太空活动将日益旺盛。商业航天不仅提供发射服务，还将辐射国民经济各个领域和全面服务大众，并且带来生活生产方式的变革，这将是商业航天发展的第3个阶段，也就是商业航天提供大众化服务阶段。

利用航天技术可以到达大气层边缘或进入太空，为普通人提供置身微重力环境的太空体验。俄罗斯联盟号火箭已经开展了多年的空间站旅游服务，而维珍银河、蓝色起源等商业航天公司也在争相进入亚轨道旅游领域，提供低至25万美元的太空旅游体验服务。中国在亚轨道领域深入研究多年，在此基础上载人亚轨道运载器以及未来重复使用天地往返飞行器的综合应用，将带动加工制造、电子、通信、材料、环境控制与生命保障等一系列学科的技术发展，直接或间接地推动经济增长。

随着未来重复使用技术的成熟、振动噪声环境控制技术的改进、相关航空航天法律法规的建立健全，常态航班化高超声速飞行可以大幅缩短全球点到点运输的时间，飞行可达性和乘坐舒适度将显著改善，航天技术将对大众出行方式带来一次变革。

以航天资源为基础，可以形成相关文化创意产业，不断催生新的经济增长点；在创造经济价值的同时，普及航天文化、树立航天品牌，更高效地融入大众生活。

5 未来发展建议

在不断发展的需求牵引下，随着技术自主创新并不断成熟，航天产业规模将持续壮大，商业航天将进一步走进大众生活、提供多样化服务，将进一步在进入空间、利用空间等航天任务中发挥重要作用。

a）高可靠是商业航天生存与发展的核心基础。

航天产品只有具备很高的可靠性之后，才能进一步在提供大众化服务中发挥重要作用，因此高可靠是决定商业航天立足和发展的核心基础。对运载火箭而言，任何一次飞行失利都将带来惨痛代价和教训，美国Orbital Sciences公司的安塔瑞斯火箭爆炸后，股票跌幅达到12.74%，故障分析和技术改进导致直接停飞两年。

商业运载火箭在突破传统研制模式存在的元器件等级高、加工制造工艺难、过程管控成本高等问题的同时，须建立健全在商业新模式下的可靠性设计和质量管控体系，通过技术和管理创新实现成本和可靠性的充分平衡。例如，采用控制重构创新技术提升应对飞行故障的适应能力，通过发动机等关键产品通用化设计减少产品种类和薄弱环节，确保低成本工业级元器件的系统可靠性[10]。

b）低成本是商业航天满足大众需求的重要特征。

航天产业的发展应遵循高效益的发展模式，低成本的航天产品才能更好地满足大众需求、走进社会生活。对运载火箭而言，目前单位重量载荷进入空间成本依然较高，如何降低成本实现经济高效地进出空间将决定其是否能够更好地提供大众化服务。

商业运载火箭既要利用社会资源，将基础投入大、费效比不高的产品通过社会化生产和采购，最大程度地提高性价比；更重要的是必须进行技术创新，通过设计制造一体化提高产品生产效率和固有经济性，通过发动机等关键产品复用从而降低单次使用成本[11]。

c）快响应是商业航天赢得市场竞争的内在要求。

商业市场瞬息万变，时间成本是商业活动中的关键要素，有时候甚至是决定因素，往往“抢先一步、领先一路”。对商业运载火箭而言，其快响应涵盖了总体设计、研制生产、测试发射、商业运营等多个方面。

针对多样化的发射市场需求，可通过总体构型通用化设计，满足多种轨道多种载荷发射需求，实现多任务适应性；通过采用先进的设计制造方法实现规模化生产制造，可提升研制效率确保投资回报效益，缩短商业任务周期，确保快速履约；通过测试发射便捷化，提升测试发射自动化和地面设备集成化水平，可降低高密度发射对资源的消耗成本[12]。

d）创新是商业航天实现长远发展的关键途径。

商业航天绝不是现有产品的简单重复和包装，而是自主创新驱动下的技术跨越和产业升级，创新是商业航天实现长远发展的关键途径。对商业运载火箭而言，其创新不仅仅是技术创新，而是包括技术、产品、管理在内的多种手段综合创新。

在技术上，商业运载火箭要面向大众化服务不断创造新的需求，发展新概念飞行器，应用新的设计理念，推动重复使用等技术发展，实现高可靠、低成本和快响应；在产品上，商业运载火箭要不断推动新材料、新器件、新工艺的应用，提高产品性价比，实现全产业链发展；在管理上，商业运载火箭要不断探索新的测试发射管理模式，实施新的商业运营模式，提高综合竞争能力，满足社会大众化需求。

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The Development and Future of China’s Commercial Aerospace

Wang Xiao-jun

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

Based on the investigation of the development of aerospace technology and the trend of commercial aerospace in the world, this paper has studied the significance of commercial aerospace for market development, industrial transformation and technology innovation. Combined with the development history and characteristics of commercial launch vehicles in China, three important stages (commercial launch, industrial operation and popular service) and their typical features are investigated and summarized. In addition, it also provides the spectrum of commercial launch vehicles of CALT. According to the characteristics of the current development stage and the future mission requirements of commercial launch vehicle, the development suggestions are proposed in the aspect of reliability, economy and responsiveness.

commercial aerospace; launch vehicle; spectrum

V45

A

1004-7182(2020)01-0001-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20200101

2020-01-10；

2020-02-10

王小军（1969-），男，研究员，主要研究方向为运载火箭总体设计。