千军万马问苍穹

2023-11-03猫猫相羽

百科知识 2023年20期

猫猫相羽

2023年7月12日上午9时00分，朱雀二号遥二运载火箭拖着浅红色的尾焰，在中国酒泉卫星发射中心发射升空。随后，其二子级成功进入预定轨道，标志着人类首发入轨液氧甲烷火箭研发和实验成功。液氧甲烷燃料具有无毒环保、比冲较高、燃料成本低、便于储存等突出优势，是近年来全球各大火箭制造商的攻关重点。

朱雀二号遥二运载火箭的制造商是我国民营航天企业蓝箭航天空间科技股份有限公司（简称蓝箭航天）。自2015年成立以来，该公司主要针对液氧甲烷燃料火箭进行技术攻关，自主攻关了包括多型液氧甲烷发动机和箭体研制技术、牵制释放发射技术、中大型火箭“三平”发射技术、大推力低温火箭发动机泵后摆技术在内的一系列核心技术，再加上其采取了“小步快跑”的正确战略，最终成就了朱雀二号遥二运载火箭这个全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭。

接下来，我们将纵观我国商业航天“国家队”和“民营队”的历史，总结经验，展望未来。

艰苦创业，自力更生—“国家队”发展商业航天简史

相对于传统的依靠国家拨款、用于无偿公共事务的航天产业，商业航天是利用各类资本、向客户提供有偿商业服务的新型航天服务业态。

商业航天虽然是近年来才大红大紫的高新产业，但我国航天产业商用化发展的历史可以追溯到1980年。当年，中国航天科技集团成立了著名的中国长城工业总公司，乘着商业航天产业大发展的时代潮流，该公司开始尝试向全球客户提供商业航天发射服务。

1990年4月7日，随着长征三号运载火箭托举亚洲一号卫星进入预定轨道，中国成为了当时世界上具备商业卫星发射服务能力的国家之一。之后，长征系列运载火箭先后完成了“亚星”“澳星”“铱星”等数次商业发射任务。但可惜的是，一方面由于当时我国的发射成功率不高，连续出现了多次发射事故；另一方面，美国认为中国会从发射商业卫星的过程中“窃取”先进航天技术，所以出台法令禁止本国生产的卫星及零部件出口至中国。因此，虽然我国发射报价相对低廉，但进入21世纪后，西方的卫星厂商基本不再从我国购买航天发射服务，一些已经签约的订单也不得不拱手让人，中国航天商业化进程一度遇到了极大阻碍。

面对这种“卡脖子”的局面，中国航天人决定独立自主，自力更生：一方面和欧洲国家合作，继续为无美国零部件的卫星和载荷提供发射服务，一方面努力开发中国人自己的卫星平台，为有需求的客户提供“精装修”式的整星在轨交付服务。终于，2004年12月，通过激烈的国际竞标，中国长城工业总公司以最低的报价成功获得了尼日利亚通信卫星一号研制和发射的订单。这颗利用中国自研的东方红四号卫星平台开发的通信卫星，最终于2007年由长征三号乙运载火箭成功送入地球同步轨道，成为中国首颗成功实现“整星+发射+运维支持服务”打包出口的卫星，标志着以“独立自主，互利共赢”为核心的中国商业航天新时代的到来。

隨后，作为中国航天科技集团有限公司全资子公司的长城公司成为中国参与国际商业航天竞争的“国家队”，陆续为委内瑞拉、巴基斯坦、老挝等许多第三世界国家提供了通信和遥感卫星的整星在轨交付服务，在赢得国际客户好评、帮助欠发达国家发展经济的同时，也获得了丰厚的利润回报。

八仙过海，各显神通—民营商业航天的发展和成就

2015年，我国颁布了《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025年）》，明确鼓励中国民营企业参与商业航天的各个核心过程，包括卫星总体设计制造和航天发射等领域。此后，各大民营商业航天企业如雨后春笋般涌现，而传统的国有航天院所也不甘落后，纷纷通过直接销售航天服务、推出针对商业航天的产品、成立混合所有制企业等手段参与到商业航天的大潮中。

其中，成绩最为亮眼也最为人熟知的莫过于各大民营和混合所有制“造箭新势力”们。目前，这类企业中的绝大部分成员的主要研发方向均为结构简单、制造门槛低的小型固体运载火箭。虽然这些火箭的太阳同步轨道运载能力大多只有几百千克至一吨上下，远不及“国家队”“长征”系列大中型液体运载火箭动辄数吨、甚至十几吨那么高，但小也有小的好处。这些小型固体运载火箭具有单发总价较低、发射时间灵活、发射场地要求低、燃料无毒无害、可水平装配运输等独特优势，因此更能适应现在商业卫星小型化、低成本化的趋势，可以为不同轨道需求的载荷提供量身定制的“专车服务”，让有高精度入轨需求或有发射时间限制的小型卫星无需“拼车”（即一箭多星，打包发射大量小型卫星）或“搭车”（即把小型卫星作为附属载荷，在某次大型卫星发射任务中顺路释放）就能直达预定轨道。

此外，加工制造这些小型固体运载火箭所需的材料相对廉价、工艺要求较低，携带燃料的火箭可长期储存，因此特别适合大规模量产和快速履约—火箭制造商可先批量生产火箭并将其存放于仓库中；待客户下单后，火箭制造商只需从仓库中取出火箭，经过简单装调，即可快速完成发射。

2019年7月25日，北京星际荣耀空间科技股份有限公司研制的双曲线一号商业运载火箭成功发射，并实现极高精度入轨。这是中国民营航天企业首次成功发射入轨火箭，也使中国成为继美国后第二个由民营航天企业将卫星送入太空的国家。

2020年11月7日，北京星河动力航天科技股份有限公司成功利用谷神星一号运载火箭率先将载荷送入500千米太阳同步轨道。今年9月5日，该公司还成功在山东海阳航天港附近海面上，实施了中国民营商业航天企业的首次海上发射，顺利将天启星座21星～24星送入800千米预定轨道，达成了“全球首次无依托陆海通用机动平台发射”等诸多“第一”。

2022年，广州中科宇航探索技术有限公司成功发射了500千米太阳同步轨道运力高达1.5吨的力箭一号运载火箭，打破了我国固体运载火箭的太阳同步轨道运力纪录。

当然，在运力更大、研制难度也更高的液体运载火箭领域，也有相当数量的商业航天企业在不懈努力。2023年4月2日，北京天兵科技有限公司（简称天兵科技）研发的天龙二号运载火箭成功发射入轨，这枚火箭的成功发射开创了许多“第一”：全球第一次由民营航天企业研发的液体运载火箭首飞即成功，全球第一款使用煤基煤油作为火箭燃料的运载火箭，中国第一款无工位依托而发射的液体运载火箭……这枚火箭的发动机采用中国航天科技集团有限公司第六研究院研发的YF-102开式循环液氧煤油發动机，这型发动机的部分零件采用了3D打印工艺，在降低发动机自重和加工成本的同时，还提高了可靠性，同时具备重复使用的潜力，是为商业航天量身定制的产品。

天龙二号运载火箭的成功发射，是我国商业航天“国家队”和“民营队”合作共赢的经典案例：“国家队”将自身掌握的核心技术进行低成本化改造，以分系统供应商的身份提供关键技术支持，帮助“民营队”快速拥有发射能力；而作为主机厂，“民营队”负责项目总体设计和组装，利用自身掌握的廉价设计加工能力来降低火箭整体成本、提高发射利润，为“国家队”提供资金回报。

他山之石，可以攻玉—美国商业航天产业的先进经验

虽然我国商业航天取得了耀眼的成就，但目前很多商业航天企业还停留在研制发射小火箭、小卫星的层面，而美国商业航天领跑者—太空探索技术公司（SpaceX）、诺斯罗普·格鲁门公司（以下简称诺格公司）、波音公司等，已经能发射大中型运载火箭，将补给甚至是航天员送入国际空间站。

“他山之石，可以攻玉。”只有了解了美国发展商业航天的历程和重点项目，我们才能更好地有的放矢，助力我国商业航天企业快速追赶，甚至实现反超。

以国际空间站人员和物资运输服务为例，美国最初使用航天飞机为国际空间站提供运输服务，这种大型航天器具有7名航天员和十几吨货物的天地往返运输能力。当然，航天飞机的使用成本过于高昂，因此2004年，美国时任总统布什宣布航天飞机于2010年前后退役。为了填补航天飞机退役后国际空间站补给和载人运输能力的缺失，美国国家航空航天局（NASA）于2006年投资8亿美元，启动了商业轨道运输服务（COTS）计划，寻求商业公司作为研发主体和服务提供商，开发用于将物资运输到近地轨道的自动货运飞船和配套火箭。

在COTS计划中，SpaceX和诺格公司旗下的轨道科学ATK公司成为了NASA的合作伙伴，它们分别成功开发了龙飞船-猎鹰九号火箭组合和天鹅座飞船-安塔瑞斯火箭组合。2008年，NASA将第一批商业补给服务合同（CRS1）授予这两家公司，并购买了20次国际空间站物资运输服务。这两家公司先后于2012年和2014年完成首次补给订单。鉴于此，NASA再次向两家公司追加了一批发射任务订单，并启动了第二批商业补给服务合同（CRS2）。CRS2的乙方不仅包括上述两家公司，还增加了内华达山脉公司，后者开发的追梦者飞行器具有携带较大型货物回到地球的能力，这有效弥补了美国航天飞机退役留下的空白。截至2023年9月，SpaceX和诺格公司已经分别成功完成了28次、18次国际空间站补给任务。

在人员运输方面，NASA于2010年启动商业乘员开发（CCDev1）计划，资助SpaceX、波音公司、内华达山脉公司等开发载人飞船。随后的几年，NASA又先后启动了CCDev2计划、商业船员综合能力（CCiCap）计划和认证产品合同（CPC）。最终，2014年，NASA评估了这些公司各自取得的研发成果，决定将价值68亿美元的商业船员运输能力合同（CCtCap）授予波音公司和SpaceX。目前，SpaceX已经为NASA完成了7次国际空间站运输服务，并额外执行了3次商业航天飞行任务。波音公司的星际客机飞船尽管屡次出现问题，但已处于完成度很高的状态，并计划于年内完成首次载人飞行。

纵观美国商业航天发展史，有两个要点特别值得我们关注和借鉴。

一是引入多家企业参与同一项目开发，采用分阶段给予奖励资金的方法引导商业航天企业一步一步走向最终目标。由于每次奖励的资金有限，NASA还要求参与企业自行筹集研发经费，一些财力不足的企业虽然能完成阶段性任务并领取对应份额的奖金，但由于不能坚持到底，只能遗憾退场。这种方法可以淘汰那些技术能力不足、吸引投资能力不足的公司，而留下技术和财力均雄厚的公司。最终，NASA仅投入了相对少量的奖励资金，就实现了开发客货运飞船和火箭的目标。

二是NASA在组织商业航天企业进行研发时，充分给予其技术、场地和人才支援，而相较于资金，上述支援对于参与企业更为重要。以SpaceX为例，其与NASA签订了多项关于技术支持的协议，涉及的技术领域包括运载火箭研制、发动机建模、增材制造技术等；SpaceX还以优惠价格从NASA租赁了发射工位、配套的测控设施和发射保障服务。如此，SpaceX不仅可以大幅降低研发成本和工期，还能依靠成熟的配套设施和专业的航天人才提高火箭发射率与可靠性。

星辰大海，无限可能—中国商业航天的未来

2023年5月16日，中国载人航天工程办公室发布了《关于征集空间站低成本货物运输系统总体方案的公告》，向全社会征集包括货物运输飞行器、运载火箭及发射支持在内的低成本货物运输系统一体化总体方案，从而进一步降低空间站上行货物运输成本、增强上行货物运输的灵活性，由此推动中国商业航天快速高质量发展。

这则公告拉开了中国商业航天企业作为运输服务供应商直接参与国家级重点航天项目的序幕；更标志着我国的航天产业从“国家队”占绝对主导地位的时代，走向市场和计划相结合、各种所有制企业“百花齐放”的时代。

不难看出，这则公告的内容和NASA此前的商业航天补给服务项目（CRS）十分相似。首先，通过市场竞争降低中国空间站的日常运维成本，从而节省宝贵的经费，让“国家队”更好地将精力投入到深空探测、载人登月、火星采样等重大项目上；其次，利用市场经济“高效”的特点，引入非公企业作为总包商参与航天项目，可以产生“鲶鱼效应”，倒逼“国家队”提高竞争意识、不断推陈出新，推动我国航天事业更快、更好地攀登新的高峰；再次，我国商业航天企业可以在参与项目的过程中获得经济、技术、硬件等资源的支持和人才方面的帮助，不断积攒成功经验和失败教训，最终成为世界商业航天市场中的一支中国劲旅。

未来，中国商业航天若要更具竞争力，就必须全面对标乃至超越国际先进水平。笔者认为，可以从以下几个方面开展重点攻关。

首先，对标以英国OneWeb星座、美国“星链”计划为代表的中低轨道通信卫星星座。具体而言，就是利用成熟商业元器件和工艺，批量化生产并发射小体积、低成本、大带宽的通信卫星；然后在这样的平台基础上，安装遥感、航空航海广播信号接收器等附加载荷，实现一星多能。目前，在我国的民营航天企业中，这方面处于领先地位的企业是银河航天（北京）科技有限公司（简称银河航天）。该公司从2020年起已经完成了两批7颗低轨通信卫星的制造并成功发射，还成功研发了我国首型平板式通信卫星—灵犀03星。同时，以中国卫星网络集团有限公司为代表的“国家队”，已于2020年宣布要建设多达12992颗低轨卫星的通信星座，并分别在去年5月和今年7月试射了多颗试验卫星。

其次，对标以SpaceX的猎鹰九号和重型猎鹰火箭为代表的可复用大中型运载火箭。在猎鹰系列火箭问世前，依靠劳动力成本相对低、配套产品齐全的优势，我国的发射报价在国际上并不算高；但在如今的市场竞争中，想要进一步降低报价、提高利润、提高市场竞争力，还需要各大航天企业紧跟世界潮流，尽快开发运载火箭起飞级复用技术。

最后，对标以美国麦克萨公司（Maxar）研制的WorldView-3卫星、WorldView-4卫星为代表的0.3米超高分辨率商业光学遥感卫星。这两颗卫星不仅为谷歌等地图厂商长期提供超高分辨率的地面影像，还能实现大范围快速扫描、抓拍以往难以捕捉的转瞬即逝的画面。在这一领域，我国目前最有竞争力的选手是长光卫星技术股份有限公司（简称长光卫星），其在轨运行的吉林一号是目前全球最大的亚米级商业遥感卫星星座。截至今年7月底，吉林一号已经拥有124颗在轨卫星，且最新批次卫星的重量在40千克左右，全色分辨率达0.75米，小型化程度極高。未来，我国的商业遥感卫星体系需要在继承现有星座快速重访能力的同时，进一步提高分辨率和光谱覆盖范围，为农林业、城市规划、环保整治、应急救灾等领域提供高时空、高光谱分辨率的图像，为人民群众的生产生活提供更有力的参考保障。