商业思维下SpaceX公司“星链”计划发射成本浅议

赵凯 /中国运载火箭技术研究院

王文正 /首都航天机械有限公司

尚辉、白志富、孟翔 /中国运载火箭技术研究院

2021 年1 月16 日，《求是》杂志刊登习近平主席重要文章《不断做强做优做大我国数字经济》，明确要求加快新型基础设施建设，卫星互联网建设是下一代通信基础设施建设的必经之路。2022 年1 月12 日，国务院印发《“十四五”数字经济发展规划》，明确提出积极稳妥推进空间信息基础设施演进升级，加快布局卫星通信网络，推动卫星互联网建设。2022 年被认为是卫星互联网元年，各国纷纷出台了多个卫星互联网计划。卫星互联网是下一代通信技术发展的重要方向，是6G 的重要组成部分，其中最引人瞩目的是美国太空探索公司（SpaceX）的“星链”计划。

卫星互联网建设需要执行大批次的发射任务，低成本发射是卫星互联网发展的必由之路。承担“星链”计划一期发射任务的火箭为“猎鹰”9 号，报价为6200 万美元，随着可重复使用技术的发展，“猎鹰”9 号的发射成本将大大降低。据称SpaceX 拟使用正在研制的下一代重型运载火箭“星舰”作为主力火箭，执行“星链”计划二期发射任务，“星舰”具备全箭可完全重复使用能力，可以预见未来“星链”计划的发射成本将进一步降低。

一、“星链”计划概况

1.“星链”计划

“星链”计划是SpaceX 于2015 年提出的一个可以覆盖全球的宽带卫星通信网络，项目包括约4.2 万颗卫星，分布在550～1325km 之间的多条近地轨道。“星链”计划分为2 期：一期包括3 个阶段，第1 阶段发射约1600 颗卫星，为美国北部和加拿大客户提供卫星互联网服务；第2 阶段发射2825 颗卫星，目标是完成全球组网，第3 阶段发射7518 颗卫星组成的星座，为全球提供互联网服务。二期拟发射3 万颗“星链”卫星，部署在328～580km 的近地轨道。自2019 年5 月起已经执行65 批次的“星链”计划发射任务，截至2022年11 月完成超过3558 颗卫星的发射，卫星网络覆盖25 个国家和地区。自2020 年11 月“星链”开始服务以来，全球活跃用户超过25 万，预期收益达到300 亿美元。

2.“星链”计划发射情况

SpaceX 承担“星链”计划一期发射任务主力火箭“猎鹰”9 号的设计和制造，是世界上第一款轨道级可重复使用火箭，芯一级和整流罩可重复使用，近地轨道运载能力为22.8t，可以一次将60颗“星链”卫星发射入轨。截止2022 年11 月，“猎鹰”9 号已经完成了186 次发射任务，其中184次成功，芯一级已经有最多14 次复用记录，整流罩最多6 次复用记录。未来，SpaceX 计划将研制中的“星舰”作为“星链”计划二期的主力火箭，具备全箭完全重复使用能力，其近地轨道运载能力可以达到100t，可以一次将400 颗“星链”卫星发射入轨。

二、低成本“猎鹰”系列火箭

“猎鹰”系列火箭在短时间内取得了巨大的技术、成本优势，与SpaceX 的商业思维密不可分，SpaceX 选择发展低成本可重复使用火箭，制定了“打造一款比目前成本至少低10 倍的火箭”目标。

1.研制低成本、可重复使用、高性能发动机作为突破口

受到资金的限制，SpaceX 在设计研制阶段以低成本、可重复使用、高性能发动机作为突破口。通过与美国国家航空航天局的合作,将低成本发动机变废为宝，经过9 次迭代升级，最终形成了世界领先的液氧煤油发动机——梅林1D，而后又研发出最先进高效的全流量分级燃烧液氧甲烷发动机——猛禽。

2.发展高可靠、低成本的可重复使用航天器是着力点

发展可重复使用技术的关键是高可靠、低成本。SpaceX 的“猎鹰”系列火箭从诞生之初就面向高可靠和低成本的可重复使用需求，通过快速技术迭代，已经发展出“猎鹰”1 号、“猎鹰”9 号、“重型猎鹰”。在目前世界主流火箭中，“猎鹰”系列火箭无论是成本、运载能力还是可靠性在同类型火箭中都位于领先地位，SpaceX 正在研制的下一代重型运载火箭“星舰”具备完全可回收复用能力，如果研制成功，发射成本将进一步降低。国际主要卫星互联网计划运载火箭对比情况见表1。

表1 国际主要卫星互联网计划运载火箭对比

3.结构化、模块化、产业化的思维是加速器

高密度的发射任务，需要保持高产能。在结构化、模块化思维下，SpaceX 减少执行发射任务的火箭型号，多种任务对接一型火箭，一型火箭可以执行多种任务，通过火箭的结构化设计，统一火箭构型，减少专用设计，优化资源配置，有助于产品通用性及互换性，促成模块化，提高了生产效率和可靠性，大幅降低了成本，并提升了规模化生产水平，从而促进产业化发展。比如“猎鹰”9 号和“重型猎鹰”共用梅林发动机，可以共线生产，SpaceX 具备年产400 台梅林发动机能力，可实现年产40 发“猎鹰”9 号或14 发“重型猎鹰”，通过模块化组合生产可以满足多项任务的发射要求。

4.整合资源、内循环是保持领先优势的秘籍

通过整合资源，SpaceX 做到了商业环节的最优化，低成本火箭的研发成功促成“星链”计划的大规模建设；“星链”计划的收入重新投入到可重复使用等技术的研制中，通过技术迭代，研制成功更低成本的火箭，技术、资本和资源形成了内循环，消除了科技创新中的“孤岛现象”，促成了产业链和创新链双向融合，最终形成了显著的技术优势、资本优势和管理优势，如图1 所示。

图1 SpaceX公司产业循环示意图

三、“猎鹰”系列火箭成本分析

1.一手“猎鹰”9 号成本估算

一手“猎鹰”9 号的成本构成主要为芯一级、芯二级、整流罩和推进剂及其它成本。其中，芯一级成本为3000 万美元、芯二级成本为1000 万美元、整流罩成本为550 万美元、推进剂及其它成本为500 万美元，总计大约5050 万美元。

2.重复使用过程解析

经过综合研判，SpaceX 在技术路线上选择回收复用火箭芯一级和整流罩。回收复用芯一级代表其需携带多余重量，包括回收所需燃料、着陆结构等，为了保证运载能力、显著压减火箭的制造周期、大幅降低火箭成本经过技术及经济性分析，芯二级不做回收复用设计，全力发挥其运载能力，每个芯一级计划平均重复使用大约10 次。尽管每个芯一级可以使用更多次重复发射，但为了保证选择一手火箭的用户需求，SpaceX 每年还会保持生产合适数量的一手芯一级，经济性高的重复使用方案保障了“猎鹰”系列火箭的低成本。

经过充分的设计及反复验证，“猎鹰”系列火箭的重复使用维护过程简单，只需更换部分配件和对部分发动机进行除油处理。重复使用的芯一级也根据检查情况部分取消了发射前静态点火试验。

四、“星链”发射成本分析

1.重复使用成本分析

一手“猎鹰”9 号火箭报价为6200 万美元，二手“猎鹰”9 号火箭国际市场报价为5000 万美元。重复使用“猎鹰”9 号的边际成本是1500 万美元，其中1000 万美元是制造一个全新芯二级的制造成本，500 万美元包括推进剂和其它成本（整流罩的回收成本、芯一级的回收成本和备品备件更换成本等），芯一级的维护成本仅25 万美元。拼单发射将会进一步提高发射收入，减少实际发射成本。

“猎鹰”9 号火箭第一阶段复用次数目标为5 次；第二阶段复用次数目标为10 次；第三阶段复用次数目标为100 次。下面按照芯一级重复使用10 次、整流罩重复使用2 次和芯一级重复使用100 次、整流罩重复使用10 次2 种情况分析成本。

一是芯一级复用10 次、整流罩复用2 次。假设一个芯一级重复使用10 次，整流罩可以重复使用2 次。如果1500 万美元的重复试验成本正确，那么每次商业发射都会产生可观利润。第一次发射利润为1150 万美元；第二次同样的芯一级重复使用发射利润为3475 万美元，同样的芯一级前2 次发射利润为4625 万美元，同样的芯一级商业发射重复使用2 次后，可以实现3 次零成本发射。

10 次发射后，总成本将是2.1 亿美元。SpaceX可以使用每个芯一级进行4 次商业发射，剩余6次发射可以折算为零成本，如图2 所示，分析见表2。

表2 10次重复使用发射成本价格分析表（单位：万美元）

二是芯一级复用100 次，整流罩复用10 次。假设一个芯一级重复使用100 次，整流罩可以重复使用10 次。100 次发射后总成本将是16.1 亿美元。SpaceX 可以使用每个芯一级进行32 次商业发射，然后剩余68 次发射可以折算为零成本，发射利润可以达到225 万美元，见表3。

表3 100次重复使用发射成本价格分析表（单位：万美元）

2.“星链”计划发射成本测算

“星链”计划组网包括42000 颗卫星，一期12000 颗，二期30000 颗。假设“猎鹰”9 号每次发射60 颗“星链”卫星，星舰每次发射400 颗“星链”卫星，所有卫星均工作正常，按照情况1“猎鹰”9号执行所有发射任务、情况2“猎鹰”9 号执行计划一期及星舰执行二期，2 种情况展开发射成本测算，见表4。

（1）猎鹰9 号执行所有发射任务

按照3 种方案进行测算：一是完全采用一手“猎鹰”9 号执行“星链”计划发射任务；二是采用芯一级复用10 次和整流罩复用2 次；三是采用芯一级复用100 次和整流罩复用10 次。

完全采用一手“猎鹰”9 号。一手“猎鹰”9号的成本为5050 万美元，假设“星链”计划所有的发射任务完全采用一手“猎鹰”9 号，共需700 次发射，完成“星链”计划部署所需发射成本为353.5 亿美元，折算成单星发射成本仅约84万美元。

芯一级复用10 次、整流罩复用2 次。根据SpaceX 实际发射数据统计，芯一级复用10 次、整流罩复用2 次，是最接近真实状态的情况，这种情况10 次发射成本约为2.1 亿美元，完成“星链”计划部署所需发射成本约为147 亿美元，折算成单星发射成本仅约35 万美元。

表4“星链”计划发射成本分析表

芯一级复用100 次，整流罩复用10 次。假设芯一级复用可以达到100 次、整流罩可复用10 次。100 次重复使用成本为16.1 亿美元，完成“星链”计划部署所需发射成本为32.2 亿美元，折算成单星发射成本仅约27 万美元。

（2）猎鹰9 号执行计划一期、星舰执行二期

按照芯一级复用10 次、整流罩复用2 次，并且由“猎鹰”9 号承担“星链”计划一期发射任务计算，那么“星链”计划一期约12000 颗卫星的发射成本为42 亿美元，折算成单星发射成本仅约35万美元。

根据数据显示，正在研制的星舰量产后的价格不会超过2 亿美元，以复用50 次计算，平均每次发射不到400 万美元，星舰一次可以发射400 颗卫星进入近地轨道，按照星舰执行“星链”计划二期的规划计算，发射成本大大降低为3 亿美元，与“猎鹰”9 号发射的星链一期成本42 亿美元相加，共计45 亿美元，折算成单星发射成本仅约11 万美元。

五、启示及建议

卫星互联网建设是我国“十四五”数字经济发展的重点工作，需从低成本发射构建卫星互联网角度出发，统筹整合产业资源，形成适合我国卫星互联网建设的最优方案。

一是火箭总体设计核心理念是低成本。根据SpaceX“猎鹰”9 号的成功经验，在火箭设计之初，就需要将低成本理念作为核心贯穿到总体设计之中，统筹迭代，研发出满足卫星互联网低成本发射需要的产品。

二是新技术研发重点突出可重复使用。通过对SpaceX“星链”计划卫星互联网发射成本的分析发现，可重复使用技术是决定成本的关键。国外执行卫星互联网发射任务现役和在研火箭均具备可重复使用能力。我国低成本火箭新技术研发应着重突出可重复使用技术的研究，目前包括长征系列火箭在内的可重复使用技术尚在技术验证阶段，应加大研制力度，尽快形成应用能力。

三是优化资源配置主要手段是结构化模块化产业化。2021 年SpaceX“猎鹰”9 号单一型号火箭实现了31 次发射，长征系列11 型火箭完成了48次发射。我国长征系列火箭在型谱模块化方面仍有差距，某种程度上制约着我国运载火箭的规模化生产，从而减缓产业化步伐。建议我国长征系列运载火箭统筹考虑结构化设计，以模块化为抓手，优化资源配置，逐步形成产业化。

三是发挥系统工程理论作用，整合产业资源促成内循环。卫星互联网的建设具备资本密集型的典型特征，低成本星箭一体化设计、大型运载火箭组批发射，降低单星发射成本都需要在新时期新任务充分发挥系统工程理论，整合产业资源，形成技术、资本、资源内循环，迭代发展低成本可重复使用技术，在卫星互联网建设的国际竞争中形成后发优势，持续保持我国通信网络建设的国际领先地位，不断满足人民生产生活需要。