SpaceX公司发展情况分析

杨伟杰 程磊 庞英娜 杨榕 （中国空间技术研究院）

美国太空探索技术公司（SpaceX）是由伊隆·马斯克（Elon Musk）于2002年创立的私营航天企业，发展了“猎鹰”（Falcon）系列运载火箭、“龙”(Dragon)飞船、“载人龙”(Crew Dragon)飞船、“星链”(Starlink)星座等航天系统，业务覆盖发射服务、货物与乘员运输、低轨宽带通信服务等领域，取得了多项突破，已经成为美国商业航天企业的先锋力量，为世界航天发展注入了新的活力。

1 SpaceX公司基本情况

进入21世纪以来，以美国为首的世界航天强国逐步调整自身的航天政策，强调扩大国际合作、增强空间安全及发展商业航天。在这一政策的指引下，美国政府越来越重视商业航天发展对于整个航天领域的促进作用。在美国《国家航天政策》中特别提到“美国政府将致力于鼓励并推动美国商业航天的发展，满足美国自身的需要、形成全球竞争力，加强美国在新兴市场和创新驱动型企业中的领导地位”。

在此背景下，SpaceX公司于2002年创立，目前拥有员工约6000人；最初主要提供商业航天发射服务，随后逐步将业务扩展至载人航天货物运输和乘员运输、低轨宽带通信服务等领域，开创了首枚商业火箭发射载荷、首次运载火箭回收与复用、首艘商业货运飞船与“国际空间站”（ISS）对接、首艘商业载人飞船运送航天员等，成为世界航天的重要力量。

SpaceX公司的主要里程碑事件如下：

2002年6月，公司注册成立；

2006年3月，开展首次发射活动，猎鹰－1 火箭首飞任务失败；

2006年8月，获得美国国家航空航天局（NASA）“商业轨道运输服务”（COTS）合同；

2008年9月，首次成功发射猎鹰－1火箭，将载荷送入轨道；

2008年12月，获得NASA“商业补给服务”（CRS）合同；

2010年6月，猎鹰－9首次发射，取得成功；

2010年12月，“龙”飞船首飞成功并安全返回；

2012年5月，“龙”飞船成为首个与“国际空间站”对接的商用航天器；

2014年9月，获得NASA“商业乘员运输服务”(CCtCap)合同；

2015年12月，猎鹰－9火箭一级首次陆地回收成功；

2016年4月，猎鹰－9火箭一级首次海上回收成功；

2017年3月，首枚重复使用的猎鹰－9火箭一级成功发射；

2017年6月，首艘重复使用的“龙”飞船成功发射；

2018年2月，“猎 鹰 重 型”（Falcon Heavy）运载火箭首飞成功，成为现役运载能力最大火箭；

2018年2月，“星链”计划首批2颗试验星成功发射；

2019年3月，“载人龙”飞船首飞成功并安全回收；

2019年5月，“星链”计划首批60颗工作星成功发射；

2020年5月，“载人龙”飞船首次载人飞行，美国恢复载人航天运输能力。

2 SpaceX公司主要业务与产品

运载火箭

SpaceX公司在美国政府支持下相继发展了猎鹰－1、猎鹰－9、“猎鹰重型”等多型火箭，并正在研制“超重-星舰”（SuperHeavy-Starship）运输系统。SpaceX公司从2013年9月开始提供商业发射服务，已发展成为商业发射市场的重要参与者，2018－2020年，SpaceX公司发射次数占全美发射次数的55%。

猎鹰－1火箭

1）猎鹰－1火箭。猎鹰－1火箭是SpaceX公司借助美国国防部高级研究计划局(DARPA)资助，耗资900万美元研制的小型低成本两级运载火箭，也是该公司研制的第一型运载火箭。箭体全长21.3m，直径1.7m，火箭一、二级均使用液氧/煤油作为推进剂，近地轨道（LEO）运载能力670kg，可执行多星、多轨道发射任务。猎鹰－1火箭前3次发射失利，第4次发射才取得圆满成功，在2009年7月14日完成第5次发射后，未再承担任何发射任务，目前已经退役。但SpaceX公司在猎鹰－1火箭研制过程中积累的技术、经验都为后续产品的开发提供了重要基础。

2）猎鹰－9系列火箭。猎鹰－9火箭是一款中型、低成本、两级构型的运载火箭，以液氧/煤油作为推进剂，主要执行近地轨道空间站货物/乘员运输、高轨通信卫星发射、太阳同步轨道（SSO）遥感卫星发射等多种任务。猎鹰－9研制时间为4年半，研制费用约3亿美元，发射费用约6200万美元。目前，猎鹰－9系列火箭共进行了3次较大改进，先后形成4种型号，最新的猎鹰－9 Block5构型可实现LEO轨道22.8t、地球同步转移轨道（GTO）8.3t的运载能力。猎鹰－9系列火箭自2010年首飞至2020年底已完成102次发射，其中完全成功100次，部分成功1次，失败1次，发射成功率为98%。

3）“猎鹰重型”火箭。“猎鹰重型”由三枚一级助推器捆绑火箭二级构成，其研制费用约为5亿美元，发射费用为9000万美元。“猎鹰重型”火箭可实现近地轨道63.8t，地球同步转移轨道轨道26.7t的运载能力。截至2020年底，猎鹰重型火箭共执行3次发射任务且全部取得成功：2018年2月完成首飞，将一辆特斯拉跑车送入环日轨道；2019年4月成功将商业卫星送入GTO轨道；2019年6月成功将23颗卫星送入SSO轨道。

猎鹰－9火箭

“猎鹰重型”火箭

4）“超重-星舰”运输系统。SpaceX公司在2016年9月正式对外公布了“星际运输系统”（ITS），瞄准人类殖民火星以及星际探索，后逐渐演化成“超重-星舰”运输系统。该系统为重型运输系统，采用两级构型，由一级“超重”和二级“星舰”组成，使用液氧/ 甲烷推进剂。火箭全长约120m，箭体直径9m，起飞质量5000t，完全重复使用情况下LEO轨道运载能力超过100t。SpaceX公司从2018年开始先后研制3个系列的试验样机并持续开展试飞工作，包括试飞样机“跳虫”（Hopper）、全尺寸原型样机Mk系列和SN系列。目前已实现12.5km高度试飞，还需要对热防护、高精度制导等技术进行攻关。

载人及货运航天器

1）“龙”飞船。NASA为满足定期向“国际空间站”运送货物的需求，提出了“商业轨道运输服务”计划，发展商业运输服务和相关市场。在NASA支持下，SpaceX公司研发了“龙”飞船，飞船可重复使用，最大可上行载荷6t，下行载荷3t。NASA向SpaceX公司授出“商业补给服务”合同，第一阶段合同包括20次补给任务，2020年3月SpaceX公司已全部完成，2020年12月已启动第二阶段“商业补给服务”。截至2020年底，SpaceX公司利用“龙”飞船执行22次“国际空间站”运输任务，其中21次取得成功，为“国际空间站”运送超过40t货物。

“超重-星舰”运输系统

“龙”飞船

2）“载人龙”飞船。航天飞机退役后，美国只能依靠俄罗斯“联盟”（Soyuz）飞船执行载人航天飞行任务，为摆脱对外依赖，NASA加快推动商业乘员运输服务发展，支持SpaceX公司的“载人龙”飞船和波音公司（Boeing）的CST－100“星际客船”（Starliner）。“载人龙”飞船采用两舱段设计方案，独立飞行时可工作1周，对接状态下可工作210天，设计最多可搭乘7名航天员，除满足NASA航天员和货物运输需求外，剩余运力还可用于太空旅游等应用。该飞船于2019年3月成功完成无人飞行试验；于2020年5月开启载人飞行试验，这也是航天飞机退役后时隔近9年，美国再次自主将本国航天员送入轨道；2020年11月，“载人龙”飞船完成全部认证工作，开启首次正式商业乘员运输服务。

低轨通信卫星星座

SpaceX公司低轨互联网星座项目最早于2015年提出，致力于利用大规模低轨卫星提供全球高速宽带接入服务。“星链”计划分为三期建设，卫星总量约12000颗。I 期和 II 期约 4400 颗卫星的研制和发射是最优先发展的工作，III 期 7518 颗卫星的部署是未来规划。2020年3月，SpaceX公司再次向美国联邦通信委员会（FCC）申请30000颗低轨卫星。

2018年2月，SpaceX公司成功部署2颗试验通信卫星；2019年5月，猎鹰-9火箭成功发射60颗“星链”卫星，开启大规模部署；截至2020年底，SpaceX总共通过17次发射部署了955颗“星链”卫星。

3 SpaceX公司发展分析

借助政府政策支持实现突破性进展

“载人龙”飞船

“星链”星座示意图

政府支持对SpaceX公司发展起到了至关重要的推动作用。美国自20世纪80年代已开始引导NASA拓展商业航天市场，通过这一策略降低成本、加快技术创新、提高任务效率。美国现行的《国家航天政策》中确定了商业航天的发展方针，即通过采购政策、体制创新来推动商业航天的发展。根据上述政策，SpaceX公司利用猎鹰－9与“龙”飞船等系统为政府提供发射和运输服务。

NASA向SpaceX公司提供了技术转让，包括开放技术资料、派驻技术人员、转让专利等。此外，NASA还提供了研发设备与试验场地，允许SpaceX公司使用测试台开展热试车试验；美国空军和NASA均将发射工位租赁给SpaceX公司，为SpaceX公司降低航天活动成本提供了条件。

获得政府和资本市场资金实现快速成长

航天是一项高难度、高投入的活动，发展过程中需要大量资金持续支持，SpaceX公司的发展得到了政府合同和资本市场的资金支持。

在政府合同方面，SpaceX公司通过商业货物运输研发和服务合同累计获得约35.96亿美元，通过商业乘员运输研发、认证和服务合同，累计获得约31.25亿美元。在资本市场，2002年6月，马斯克利用个人资产成立了SpaceX公司，随后他多次追加投资，并在资本市场进行了多轮融资。截至2020年底，SpaceX公司通过39轮融资累计获得54.5亿美元，公司估值超过600亿美元。在大量资金持续支持下，SpaceX公司业务快速发展，年收入约30亿美元，人均产值达到50万美元。

依托美国发达的工业体系实现可持续发展

SpaceX公司的发展离不开美国整个工业体系的支持。美国航天工业具有最高技术水平和最完善的产业链，还有众多经验丰富的工程人员。在美国强大的装备制造业和航天工业的支持下，SpaceX公司的发展具备了良好的工业基础。

例如，SpaceX公司使用的2195铝锂合金以及搅拌摩擦焊，不需要像其他国家航天企业那样独立研发工艺与设备。2195铝锂合金早已在美国航天飞机外挂燃料箱上使用，而搅拌摩擦焊可以直接购买成套设备，高度发达的工业配套很大程度上降低了火箭的开发费用。SpaceX公司的成功是美国航天工业市场造就的，完善的市场体系和良好的市场环境为SpaceX公司发展提供了重要的支撑，对不断提高劳动生产率和技术水平，优化资源配置发挥了重要的作用。

营造宽容的发展环境鼓励持续创新

航天是一项高风险的活动，美国为航天企业发展营造了宽松的环境。SpaceX公司在研制猎鹰－1火箭过程中，前三次发射全部失败，但马斯克认为，“在我们这里，失败也是一种选择。如果没有失败，你就没有足够的创新。”2019年4月20日，SpaceX公司“载人龙”飞船“超级天龙”（SuperDraco）发动机在静态点火试验中发生爆炸，飞船损毁严重，此次事故大大推迟了“载人龙”飞船的任务进度。NASA局长在声明中称，“这正是我们需要测试的原因，我们要从中不断学习，做出必要调整，安全地推进我们的商业乘员计划。”容许试错和失败的文化对于鼓励创新有积极意义。

构建扁平的内部管理体系实现高效率发展

SpaceX公司的快速发展与公司内部高效的组织管理体系密不可分。马斯克根据在硅谷的创业经验，认为小型精英化团队的工作效率和准确度更高，一个技术过硬的小团队总是会打败技术中等的大组织。因此，SpaceX公司组建了一支拥有世界级顶尖技术水平的精英团队。

SpaceX公司整体上采用的是扁平化管理结构，以提高公司运行的效率，通过缩短信息链条降低沟通成本，既能够将创新的想法和概念及时传达到领导决策层，也能够使相关决策及早地传达到基层并迅速实施，同时还使研发与生产的联系更为紧密。研发人员在设计之初，就会考虑材料和工艺的可实现性，随时到车间与生产人员直接沟通，及时了解相关技术是否具备投产条件。事实证明，管理的扁平化保证了整个研发工作团队的效率，节约了管理成本。

采用“核心技术自主研发、通用技术大量采购”的理念

SpaceX公司对内改变传统的管理体制、对外摒弃分包商，降低了成本并提高了工作效率。与多数宇航制造商不同，SpaceX公司采取自我设计、自我生产的方式，火箭、飞船、卫星的全部制造和装配过程都在一个厂房内完成，这种“垂直集成”方式使得设计者和制造技术人员能更加有效地协作，加快研制进度。同时，SpaceX公司坚持自主研发核心技术，自主设计、测试并制造了“灰背隼”（Merlin）系列、“猛禽”（Raptor）系列火箭发动机。

SpaceX公司在技术上并不追求最先进，而是创造性地大量采用低成本、高可靠的成熟技术，把目标定位在优化产品可靠性和安全性的同时兼顾进度和成本。设计者不但要在选择零件时合理避免昂贵的航天级产品，而且在运行过程中也尽量寻找低成本的商业替代品。

4 结语

SpaceX公司凭借低成本开发理念、持续技术创新，迅速在世界航天领域占有一席之地。美国政府的政策支持、完善的资本市场和工业体系为SpaceX公司快速发展提供了良好基础，该公司容许失败的创新文化氛围、扁平高效的组织管理模式、自主研发和商业采购并重的发展理念也为其持续突破发挥了关键的作用，对我国航天能力发展具有重要启示作用和借鉴意义。