商业航天要成功，到底靠什么

■ 文/翟 尤

我国航天商业化发展要从国家战略和市场需求出发，将市场良性竞争、优胜劣汰与航天科技政策、技术、资金相结合，在实践中不断探索协同创新的路径和模式。

人类在太空探索中一直有着无尽的兴趣与精力。

1972年，赞比亚修女玛丽·朱昆达给美国国家航空和航天局（NASA）写信，质疑他们为何在火星探索上花费不计其数的财力、物力，而全球还有数亿人尚在挨饿。时任NASA 马歇尔太空中心的科学副总监恩斯特·史都林格博士在回信中说道，深空探索会衍生出很多新技术来改善人们的生活，例如，空间计划和气象卫星可以提升全球农业水平，从而减轻贫困、饥饿等问题。这封著名的回信试图告诉人们：征服星辰大海的科技也会造福大众。

主力军与生力军构建国家竞争硬实力

从国内外的经验来看，航天科技在维护国家竞争力方面发挥着举足轻重的作用，有效执行国家战略和任务也是航天科技发展的重要使命。

●航天科技主力军对国家战略与经济发展的推动作用

以NASA 为例，其成立初衷正是为了应对美国和苏联在冷战时期的竞争，尤其是在太空领域打破苏联的竞争优势成为NASA 在20世纪六七十年代的重要任务。这期间需要持续不断地投入大量的人力、物力，仅仅依靠政府投入难以持续，因此广泛地引入民间力量参与其中成了重要的选择。这一做法无意间开启了美国商业航天的探索大门，不但解决了空间探索的资金来源问题，NASA 几十年来积累的大量技术和经验还使得美国商业航天企业从一开始就站在世界航天科技之巅，其商业价值在国民经济发展中得到了更加有效的应用。NASA 测算，在载人航天领域投入1 美元就可收获高达9 美元的回报，这是汽车等任何一个产业都难以到达的高度。从先进材料到信息通信、光电传感、智能制造、数据处理，再到如今提升人类社会智能化信息化水平的大批先进技术创新，都可以追溯到航天科技。

●商业航天生力军对国家战略的支持作用

商业航天的发展并非是从0 到1 的创新，而是得益于各个国家在航天科技领域的技术和人才积累。当然，商业航天这支生力军发展到一定程度时，也将反哺国家战略和国家竞争优势的打造。根据国际电信联盟（ITU）的规定，卫星频率和轨道资源的使用权采用“先到先得”的竞争方式获取，这就造成了“先占永得”的局面。目前，Ku 频率资源已基本被瓜分殆尽，Ka、Q/V 频率资源已有低轨星座系统规划。为此，当前全球主要航天科技国家充分认识到轨道与频率资源的重要战略地位，并加快布局低轨道卫星网络。这不仅要靠航天“国家队”进行战略布局，也需要商业航天企业在竞争中发挥作用。例如，美国通过开放低轨道载人和货物运输限制，推动美国太空探索技术公司（SpaceX）抢占轨道资源进行全球布局。

当前，我国航天商业化发展可以发挥新型举国体制优势。一方面，我们可以发挥国有企业主力军的作用，在投入大、风险高、见效慢的深空探索和基础科学研究领域，由国家主导完成。另一方面，我国可以发挥民营企业作为生力军的价值，尤其是发挥民营企业自身灵活性优势。我国航天商业化发展要从国家战略和市场需求出发，将市场良性竞争、优胜劣汰与航天科技政策、技术、资金相结合，在实践中不断探索协同创新的路径和模式。其中，如何能够让体制外优秀的技术、人才、管理、产品等更好地服务国家战略，是发展商业航天的关键所在。

“如何能够让体制外优秀的技术、人才、管理、产品等更好地服务国家战略，是发展商业航天的关键所在。

产业聚集与都市圈带来的协同效应

技术的创新发展离不开集群效应，航天科技作为高度复杂化和规模化的集合，更离不开全产业链的高度协同。当前，低轨道卫星星座组网成为商业航天发力的重点。未来，将有上万颗卫星进入太空，这意味着卫星制造将从“实验室定制研发模式”向“工业化批量生产模式”转变。同时，卫星功能将进一步集合通信、导航、遥感能力，人工智能技术、数据处理能力将进一步增强卫星的智能化水平。因此，融合创新与工业化生产将推动航天产业向规模化、集群化发展。那些能够将相关核心产业链资源进行整合，并形成高密度协同效应的城市群或都市圈将成为商业航天快速发展的肥沃土壤。

在产业链协同制造方面，强大的航天产业制造基础是实现商业航天发展的基础。以美国洛杉矶都市圈为例，该区域汇集了强大的航空航天产业链，业内熟知的洛克希德·马丁、波音、雷神等公司在洛杉矶都市圈均设有办公室，航空航天相关就业岗位达到26.8 万个，年人均工资为10.6 万美元。区域内聚集的金属部件制造企业、计算机与电子产品制造企业、运载装备制造企业、机械制造企业、服务支持机构等是洛杉矶都市圈实现商业航天规模化生产制造的坚实基础。SpaceX 虽然形成了包含运载火箭、航天器、卫星制造和服务运营等在内的较为完备的垂直领域整合能力和自闭环，但是还需要3 000多家供应商每星期提供上千件零部件，这也是SpaceX 将总部选定在距洛杉矶市中心30 分钟车程的霍桑市的关键原因之一。

在人才聚集与创新方面，经过几十年的发展，洛杉矶都市圈逐渐成为美国航天科技的中心地带。洛杉矶都市圈拥有加州理工学院、南加利福尼亚大学维特比工程学院等知名高校，NASA 负责无人太空探测任务的喷气推进实验室就是由加州理工学院管理的。此外，还有许多机构专门为航空航天从业者量身定制课程，如格伦代尔社区学院、峡谷学院、埃尔卡米诺学院等。洛杉矶都市圈不仅集聚了大量的航天科技人才，还汇聚了电子信息、生物医药、媒体、娱乐等各个产业领域的人才。不同科技领域人才的汇聚意味着激发更多技术创新的可能，不断产生更多乘积效应，尤其是人工智能、生物技术、增材制造等新技术的融合创新，为航天科技产业的持续发展提供了有力支撑。

聚焦国内，北京、上海、西安等城市已初步形成航天科技产业的聚集，这为后续航天商业化发展奠定了坚实的产业链协同基础。自2020年以来，随着卫星互联网被纳入新基建战略规划，我国多个省份和城市相继出台了航天商业化政策措施：武汉市将打造中国航天“第三极”；浙江省将打造创新型航空航天产业群；北京市将进一步优化和稳定“南箭北星”空间布局；依托广州、深圳、珠海、惠州等城市，广东省将打造卫星产业聚集区和产业园区。可以看出，各地对航天科技产业聚集、形成产业集群化发展都较为关注，且有能力和机会走出高度协同与产业聚集的发展路径，为今后我国在全球航天商业化中竞得一席之地。

洛杉矶都市圈NASA 喷气推进实验室

打破常规倒逼技术路线革新

过去，发展航天科技的思路主要集中在运载火箭运力和发动机性能的提高上，一次性使用的运载火箭成为业内共识。但是，推动航天科技的发展与普及，关键在于将运载火箭打造成可重复使用的运载工具，在保证成本和效率的大前提下实现产品的规模化、可重复利用，提高产品的通用性，推动航天科技从更加亲民的路径进行创新升级。

在运载火箭发动机方面，可重复使用的运载火箭对发动机有着较高的要求。一是需要实力强大的矢量发动机。为了适应火箭返回过程中复杂姿态调整控制的要求，发动机要能够向不同方向偏转，产生推力，同时矢量发动机的响应必须迅速且准确。二是发动机要具有深度调节能力。为了适应运载火箭返回过程中不同阶段的减速要求，发动机需要精准的深度节流能力，且推力调节要非常精准。三是发动机要具备多次启动能力。针对火箭返回过程中需要减速的要求，发动机需要多次启动，尤其是中央发动机在每次发射和回收的过程中需要多次可靠点火，关键技术之一就是在超声速环境下点火反推的能力。从火箭发动机“梅林（Merlin）”到“猛禽（Raptor）”，较强的发动机研发能力成为SpaceX 制造可重复使用火箭的关键。在经济效益上，火箭的重复使用大大降低了发射费用。截至目前，猎鹰9 号火箭经多次复用后，向低轨道发射有效载荷的费用已经降低到1 200 美元/kg 左右。依靠技术创新，SpaceX 占全球卫星发射的市场份额从2013年的7%已增加到目前的65%。

在卫星互联网星座方面，卫星宽带服务作为低轨道卫星发挥价值的重要抓手，目前已经基本具备商业化的能力。星链作为卫星互联网星座的典型代表，目标是将4.2万颗卫星送入轨道，组成星链网络，从而为用户提供太空高速互联网服务。星链在布局方面呈现以下3 个特点。一是卫星数量多，传输容量提升。一期部署4 408 颗卫星，二期部署7 518 颗卫星，三期部署30 000 颗卫星，卫星数量增加代表着系统传输容量的不断提升。二是使用频率较高，提前战略卡位。一期使用Ka、Ku 频段，二期使用V频段，三期计划使用E 频段。鉴于频段资源较为稀缺，星链此举可对频段资源进行有效卡位。三是卫星轨道较低，降低传输时延。一期发射的卫星轨道从1 100～1 325 km 降低至540～570 km，二期卫星运行轨道仅为340 km。卫星运行轨道降低可以获得更低的网络传输时延。测速网站Okal 报告显示，2021年二季度星链卫星下行下载速度可以达到108 Mbit/s，时延在37 ms，而美国当前固定宽带的平均下载速率为115 Mbit/s，两者已经相差不大。截至2021年9月底，星链已经为16 个国家超过10万个用户提供互联网服务。

需要指出的是，美国商业航天企业在一开始就站在了高的起点，NASA 在半个多世纪的发展过程中积累了大量的先进技术，包括火箭液体发动机、防热材料、仿真软件等，持续不断地将相关技术转化给民营企业。除了SpaceX 在商业航天领域的突破以外，3D 打印技术、太空加油技术等也成为民营企业探索技术创新的关键领域。与传统火箭制造技术相比，3D 打印火箭可以大大减少零部件数量，节省10 多倍的生产时间，明显减少交货时间，简化供应链并提高整个系统的可靠性，Relativity Space 等初创公司已经在相关领域展开布局。同时，太空加油技术也已进入实质应用阶段，美国Orbit Fab 公司在近地轨道运营了首个“太空加油站”，为需要加油的卫星补充燃料。

我国航天科技集团研发的“太空油罐车”同样具备燃料补加能力，可为在轨卫星长期运营提供能源保障。对于一颗急需救助的卫星，只需补充50 kg燃料，就可以延长大约1年的使用寿命。补加飞行器一次可携带1.3 t 燃料，超过其自身质量的一半，与重新发射一颗静止地球卫星相比成本降低了35%。2017年，天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室成功对接，首次完成了推进剂的在轨补加，这意味着我国已经成为继美国、俄罗斯之后第三个突破在轨空间燃料补加技术的国家。

利益驱动催生航天商业化发展新模式

目前，商业航天领域仍处于一片蓝海，具有冒险精神的开拓者可以大显身手，从而实现更大的商业价值。正是因为看到了太空梦想与商业利益结合的巨大可能，以及技术创新本身带来的丰厚利润回报，越来越多的人关注并投身商业航天赛道。

商业模式的可靠性与可执行性决定了航天商业化进程能否顺利发展。1987年，摩托罗拉公司开启“铱星”卫星通信网络设想与建设，历经11年，耗资50 亿美元，在1998年宣告组网完毕并启动商业化运营。但是，由于昂贵的终端成本、笨重的接收装备以及无法在室内使用等硬伤，在正式运营15 个月之后，“铱星”就宣告破产。因此，商业航天若想健康发展，离不开良好的商业模式和盈利模式。

为此，当前诸多商业航天公司通过技术创新来降低成本，从而增加企业盈利的空间。例如，在火箭箭体及推进器材料方面，SpaceX 放弃使用碳纤维材料，转而使用不锈钢为原材料，其中有两个主要因素：一方面碳纤维的成本为200 美元/kg，而不锈钢的成本不超过5 美元/kg，后者可以极大地降低使用成本；另一方面创新技术保证材料的可靠性和安全性，经过研发和验证，金属铬和金属镍含量高的不锈钢原材料强度更高、韧性更强，符合火箭制造和使用的要求。即使是传统的航天科技，在过去几十年中也非常注重技术转化和商业价值衍生。据统计，基于美国载人航天技术衍生出来的技术，催生出3 万多种民营科技产品，航天技术衍生出的民用产品包括圆珠笔、不粘锅、人工心脏、透析机等已经在我们日常生活中得到了广泛应用。

以我国北斗卫星导航系统为例，目前在轨服务卫星总计45 颗，其中,北斗二号卫星15 颗，北斗三号卫星30 颗。北斗卫星导航系统已经在交通、金融、电力、农业等领域开展服务。具有被动定位功能的终端产品社会总保有量超过10 亿台/套，包括道路运营车辆700 万辆、农机自动驾驶系统4.5 万台/套、邮政快递车辆3.6 万辆等。2020年，我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到4 033 亿元，同比增长16.9%。此外，华为、苹果等公司的智能终端均支持北斗卫星导航系统，2021年一季度申请入网支持北斗定位的智能手机占比达到79%。

同时，我们也要看到，在寻找可行商业模式的过程中，国家和行业对失败的宽容度决定了商业航天企业发展的脚步。过去，航天大国对失败的容忍度较低，这是因为一方面传统发射成本较高，动辄几十亿元、上百亿元资金的投入，另一方面航天发射经常与一国的综合实力与民族凝聚力挂钩，一旦发射失败，将承受较大的社会舆论压力甚至政治压力。因此，追求成功率，甚至是100%成功率，是传统航天发射不成文的规定。但是，从SpaceX的发射来看，不只有成功的经历，也有失败的经历，包括可重复火箭也是经历了多次失败，甚至是现场直播的失败后才逐渐成熟的，正是这种容忍失败的良好氛围激发了更大的创新激情。