基于专利分析的SpaceX公司发展策略研究

景晨思 佟艳春 曲 晶 马利娟 董晓军

北京航天长征科技信息研究所

根据2022 年全球独角兽榜排名，美国太空探索技术公司（SpaceX）全球排名第二，是美国最大的独角兽。同时，SpaceX 公司力压美国其他军工相关企业及研究机构，仅2021 年就接到美国国家航空航天局（NASA）约29 亿美元的订单。

SpaceX 公司虽然是一家私营企业，但其做到了许多国家都做不到的事情。例如，公司已经累计发射了近2000 颗卫星，打造了一个由低轨道卫星星座组成的全球网络，开展各种商业或军事目的的活动。SpaceX公司发展壮大的核心是技术创新，而技术创新的有力后盾就是知识产权保护。其中，专利保护是国际一流企业获取竞争主动权、占据市场垄断的有效手段。本文将基于专利的视角①专利数据来源于欧洲专利局世界专利数据库、美国专利商标数据库，公开日截至2022 年6 月。，研究SpaceX 公司的市场竞争策略，剖析SpaceX 专利保护与其重点研发项目、人才引进计划和资本运作的关联等，供我国商业航天予以借鉴。

一、SpaceX公司重点项目专利保护及应用分析

SpaceX 公司主要针对“猎鹰”系列火箭和“星链”计划等重点项目进行了专利保护。其中，“猎鹰”系列火箭以高可靠性、快速响应等能力，有效保障了SpaceX 公司“星链”计划卫星轨道的部署。通过分析SpaceX 公司在“猎鹰”系列火箭、“星链”计划上应用的专利技术，对其“猎鹰”系列火箭“一箭60 星”的运载能力、“星链”计划的卫星堆叠放置，甚至是星箭电气接口简化等设计理念一探究竟。

1. “猎鹰”系列火箭相关专利分析

SpaceX 公司的“猎鹰”系列火箭主要包括“猎鹰”9 火箭和“猎鹰”重型火箭，其中，“猎鹰”9 火箭是SpaceX 公司研发的一款中型、低成本、两级构型的全液体运载火箭，其设计目标是显著提升运载火箭的可靠性，降低发射成本。“猎鹰”9 火箭利用二级发动机多次点火，具备执行多个轨道发射任务的能力，已执行近地轨道空间站货运/载人、低轨卫星通信星座、中轨全球定位系统（GPS）导航卫星、高轨通信商业卫星、太阳同步轨道遥感、侦察卫星及深空探测器等多种载荷发射任务。

“猎鹰”重型火箭则继承了“猎鹰”9 火箭的成熟技术，由1 个强化过的“猎鹰”9 中央芯级与2 个“猎鹰”9 第一节捆绑而成，因此推力是“猎鹰”9 火箭的3 倍。用于研制“猎鹰”重型火箭的费用大约为5 亿美元，每次的发射费用约为9000 万美元。“猎鹰”重型火箭全长70 m，宽12.2 m，质量为1420.8 t，可送入近地轨道的有效载荷高达63.8 t。发射基地为佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地和肯尼迪航天中心，能够执行星际轨道、地球同步转移轨道及近地轨道任务。“猎鹰”重型火箭的运载能力仅次于当年执行“阿波罗”计划的“土星”5 重型运载火箭，“土星”5 重型运载火箭载荷能力约140 t。截至2023 年5 月，“猎鹰”重型火箭共完成了6 次发射任务。

“猎鹰”系列火箭相关专利主要分布在火箭的推进器领域、材料领域以及电源系统。重点专利技术对应“猎鹰”系列火箭的技术分布如图1 所示。

在推进器技术领域，SpaceX 公司只对轴针式喷嘴的冷却技术进行了保护。轴针式喷嘴主要应用于液体或混合发动机，而SpaceX 公司“猎鹰”系列火箭的“梅林”发动机是唯一还在运行中的轴针式喷嘴发动机。SpaceX 公司一直沿用轴针式喷嘴发动机，这种发动机燃烧效率高，容易控制流量，结构简单、稳定。然而该发动机也存在缺陷，例如，燃料混合不充分会产生热能，因此会造成喷嘴下方烧蚀材料的侵蚀和碳化，在使用后必须更换，不能重复使用。

公开号US7503511B2 的专利解决了相关问题，具体内容如下：双推进剂火箭发动机包括在中心通道中流动的主推进剂、与中心通道大致同轴的第二通道中流动的第二推进剂和与主通道同轴并围绕中心室的轴针尖端，中心室侧壁具有穿过其中的多个孔，使得一些主推进剂横向流动于第二推进剂之间，离开中心室。所述的轴针尖端具有比主室侧壁厚的次室侧壁，围绕主室下游的次室，并与主室流体连通。次室侧壁具有穿过次室侧壁的多个孔，使得一些主推进剂横向流动于次通道中，与次推进剂一同流出次室。轴针尖端用于混合主推进剂和第二推进剂。公开号US7503511B2专利如图2 所示。

在材料技术领域，SpaceX 公司对激光穿孔金属蜂窝材料及其制造方法进行了专利保护（公开号US1048638982），技术方案如下：用黏合剂打印金属箔卷；对金属箔卷进行激光打孔，使金属箔卷具有多个孔；将多个打印和穿孔的金属箔卷压片成为堆叠片材；将金属箔片层压成蜂窝状。在公开的另一个实施例中，穿孔金属蜂窝结构包括多个激光穿孔的金属蜂窝结构，其中多个孔的孔间尺寸、形状和间隔是不均匀的。公开号US10486389B2 专利如图3 所示。

图3 激光穿孔金属蜂窝材料图

在电源技术领域，SpaceX 公司对预先分配航天器电池电量储存进行了专利保护（公开号US20200361637A1），对火箭进行电源管理，具体技术方案如下：航天器从运载火箭上发射之后，可自主从节电状态转变为耗电状态。公开号US20200361637A1专利如图4 所示。

图4 航天器电池储能示意图

2. “星链”计划相关专利分析

2015 年，SpaceX 公司开始实施“星链”计划，致力于提供一个全球覆盖、高速度、大容量和低时延的天基全球通信系统，“星链”计划的目的是主导全球卫星互联网通信系统，同时“星链”计划是美国太空战略计划的重中之重。此外，“星链”计划将对全球5G通信技术产生重大的影响，无论是在商业领域还是美国军方都具有较高的应用前景。

“星链”计划主要为低轨道卫星星座的全球覆盖，其卫星星座构建主要分为3 个阶段。第一阶段，发射的卫星数量为1584 颗，完成除南北极以外的绝大部分地区的卫星覆盖；第二阶段，发射的卫星数量为2825颗，完成全球卫星覆盖；第三阶段，发射卫星数量为7518 颗，降低通信延时并提供更有针对性的服务。目前能够通过公开报道获取的相关数据以及资料仅仅是3 个阶段卫星的轨道参数、卫星组合体照片以及星箭分离实况录像等，关于如何实现“一箭60 星”等核心技术的报道并不多见。因此，通过分析SpaceX 公司申请的相关专利，可以获得更为具体的技术信息。

在天线技术领域，公开号US20210070477A1 专利对卫星星座构型进行了保护。该专利提供了一种与低轨通信卫星星座通信的方法，包括提供配置用于与卫星星座通信的地面终端以及在地面终端和非地球同步卫星星座之间建立通信。通过将分析说明书的实施例与已知的轨道参数等进行比对，推测该专利用于“星链”计划第三阶段卫星星座构型的可能性较高。第一组卫星以第一倾角轨道运行，其中，第一组卫星中的每一颗卫星处于离散的轨道平面，且第一颗卫星与最后一颗卫星首尾相邻接，形成围绕地球运动的第一组“蛇形”卫星，所述的“蛇形”卫星包括相邻轨道上具有相邻上升结点卫星；各卫星组相对赤道以同速率漂移，从星座看向地球，各卫星组彼此锁定、整体相对地球不动或以固定速度转动。此方案对2000 km 高度以下卫星星座均可应用。公开号US20210070477A1 专利如图5 所示。

图5 卫星星座构型图

公开号US20200361637A1 专利不但用于“猎鹰”系列火箭，也是星箭分离的基本方案，火箭在发射之后自主地将航天器从节电状态转变为耗电状态。火箭所携带的卫星则分成两堆堆叠排列，卫星不再与火箭连接以获得供电，而是使用真空检测装置；当检测装置检测到卫星到达一定高度后，卫星自主供配电系统激活，由节电状态转入为耗电状态；火箭到达卫星分离位置后，由解锁装置释放卫星。

该专利技术方案采用新型锁定结构，分层堆叠排列卫星，相比于传统筒形卫星适配器壁挂卫星的方式，充分利用了整流罩内的空间。星箭电气接口充分简化，取消星箭间的供电包带，利用低成本真空检测装置实现卫星供配电系统的自主激活，降低了射前卫星测试组装的成本和复性，也降低了多星分离相互干扰的风险。

该专利解决了以下技术问题：取消了火箭和卫星之间供电连接的困难，简化了星箭电气接口，在没有包带连接的情况下，卫星保持在低功耗状态；由于传统上使用包带连接来检测部署，而本专利使用真空检测装置系统，使得卫星保持节电状态直到展开，降低了星箭分离前卫星测试系统的成本，有序的卫星排列方式也降低了多星分离相互干扰的风险。公开号US20200361637A1 专利如图6 所示。

图6 星箭分离图

二、SpaceX公司专利转让情况分析

SpaceX 公司对其拥有的46 件专利申请进行了转让，转让专利数占SpaceX 公司专利申请总数的一半，具体情况如图7 所示。专利申请的受让人包括银行与技术类公司，其中，美国银行作为专利受让人接收了SpaceX 公司的34 件转让专利，美国高盛银行作为专利受让人接收了SpaceX 公司的2 件专利，法意半导体集团作为专利受让人接收了SpaceX 公司的10 件专利。

图7 SpaceX公司专利转让图

SpaceX 公司专利转让的目的主要有两个：一是将专利申请从无形资产转化为有形资产，为公司进一步研发进行融资；二是单纯的技术转让，授权研发或生产相关技术及产品。

SpaceX 公司主要业务包括“猎鹰”系列火箭、“龙”飞船、“星链”计划以及星箭，发展这4 项业务需要大量的资金。SpaceX 公司通过融资获得了部分资金，融资来源包括权益融资、合同融资以及债务融资。2018年，SpaceX 公司与银行就一笔7.5 亿美元的贷款达成了协议，后又将金额降低至2.5 亿美元。通过分析SpaceX公司专利的转让情况可知，2018 年其转让了7 件专利申请，以公开号US10486389B2、US20180241122A1为代表的专利被SpaceX 公司办理了质押手续，转让给美国银行，这与公司和银行达成贷款的协议相吻合。2019 年12 月，SpaceX 公司向美国银行清还了债务。2020 年2 月，SpaceX 公司再次将专利转让给了美国银行。这表明SpaceX 公司专利价值度以及利用率很高。

由于SpaceX 公司没有自己的终端生产线，要将“星链”计划的客户连接到其卫星网络，因此，SpaceX 公司只能将自己的专利技术转让给法意半导体集团，并以每台终端2400 美元的价格，支付给法意半导体集团一笔不小的终端制造费。法意半导体集团帮助SpaceX公司定制生产了终端处理器、GPS 接收机和射频组件等元器件。

三、人才引进与专利分析

SpaceX 公司引进了大批成熟人才，包括2002 年公司成立之初加入的克里斯·汤普森和托马斯·穆勒，还包括来自微软技术许可有限责任公司同一团队的马汉法尔·阿里雷扎和阿帕丁·尼勒。这些优秀人才的聚集，使得SpaceX 在较短的时间里形成了强大的研发能力，大大缩短了技术研发的周期。

其中，托马斯·穆勒在美国最大的发动机制造商天合汽车集团（TRW）就职15 年，曾参与主持TR-106 发动机研发，是推进系统的核心设计师。2002 年穆勒入职SpaceX 公司后，主要对“猎鹰”系列火箭使用的“梅林”发动机进行了研制，2003 年10 月首次试车失败后，经过15 个月的改进，迎来了试验成功。此后，“梅林”发动机用于“猎鹰”1、“猎鹰”9 以及“猎鹰”重型火箭，具有较高的可靠性。托马斯·穆勒在2005 年申请了名称为“轴针式喷嘴冷却技术”的专利，获得授权后，转让给了SpaceX 公司。

在上述成熟人才中，马汉法尔·阿里雷扎申请的专利最多，为19 件；阿帕丁·尼勒以及罗德里格斯·德·路易斯申请了13 件专利，专利申请方向为天线技术领域或通信技术领域；托马斯·穆勒申请了1件专利。分析发现，这些核心技术人员在入职SpaceX公司之前，未进行专利申请，也没有发现相关专利发明人跳槽至其他公司并申请专利的情况。这充分表明SpaceX 公司科研人才队伍稳定，人才流失较少，有效减少了技术秘密外泄的风险。

四、建议及启示

SpaceX 公司作为新兴的私营航天公司，经过20余年的发展，成功研发了“猎鹰”系列火箭、“星链”计划等优势产品，在低成本、高可靠航天发射等方面形成了绝对优势。在专利保护方面，SpaceX 公司并不是为了保护而保护，而是有思考、有针对性地保护创新技术，对其重点创新技术及项目达到保护的同时，也创造了商业价值。

SpaceX 公司核心技术成员比较稳定，为创新技术的保护提供了有利的环境。2002 年埃隆·马斯克集结了克里斯·汤普森和托马斯·穆勒等技术骨干，开启了SpaceX 公司的冒险之旅。这些技术骨干汇集了波音公司、洛克希德·马丁公司、诺斯罗普·格鲁门公司等传统航天巨头的精英，无论是在之前任职的公司还是在SpaceX 公司，都扮演着举足轻重的角色，创造并掌握了核心技术。

SpaceX 公司专利申请不多，但是其布局的每一件专利价值度都很高，针对核心技术逐步形成专利储备、构建技术壁垒。有些重点专利，如“星链”计划相关专利，扩展同族数量几十个，在SpaceX 公司的合作国家和区域都进行了保护，包括德国、英国、日本以及中国台湾等，这说明其专利技术可转化程度高，技术成熟度较高，可有效地将专利从无形资产转化为有形资产。

综上，我国商业航天企业应当进一步加强专利布局，积极地对创新成果进行知识产权保护。一方面，专利布局有利于相关产品及技术更好地适应市场发展；另一方面，对专利进行布局，可促进专利转化，使其成为商业航天的有形资产；另外，不断完善对核心技术人员的创新激励，也是提升知识产权质量及数量的先期条件，只有拥有稳定的人员构成以及处于领域前端的核心技术，才是商业航天的生存根本。