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商业航天进化论,中美如何眺望星空

行业资讯 2021-10-11 人浏览 人点赞
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编辑导读:人类虽然只是众多星球中的小小一粟,却从未停止过探索宇宙的步伐。商业航天如今不再是一件新鲜事,十年之内,商业航天不等同于私营航天,集中力 ...

编辑导读:人类虽然只是众多星球中的小小一粟,却从未停止过探索宇宙的步伐。商业航天如今不再是一件新鲜事,十年之内,商业航天不等同于私营航天,集中力量办大事的举国体制,是我国航天事业发展的宝贵经验。

本文重点

如果实在懒得看,全文可以高度概括为一句话:十年之内,商业航天不等同于私营航天,集中力量办大事的举国体制,是我国航天事业发展的宝贵经验。

非要加一点的话,NASA铁了心要搞商业航天可能是因为穷,虽然他们已经是世界上最烧钱的机构了。

最后,Space X真的不是NASA亲儿子,他们之所以穿一条裤子,完全是因为马斯克会省钱!

1990年的情人节,「旅行者一号」在关闭摄影机之前,回眸凝望地球。

60亿公里外的惊鸿一瞥,一个像素的大小,便成就了天文史上最经典的瞬间之一。

我们默默无闻,沉浸在无尽的浩瀚里。

人类的航天探索事业始于上世纪50年代,在美苏太空竞赛的70年代达到高峰。彼时,航天技术的研究高度保密,且带有军事应用的性质。发展伊始,航天技术在国家级战略投资的庇护之下,可以不计成本地进行积累、试错和总结。

1966年,阿波罗登月的巅峰筹备时期,美国联邦预算对NASA的投资达到了惊人的4.41%,相当于当年政府开支投资交通和公立教育的总和。因此,会有人不断发问:这么大的投资,真的有必要继续发展航天事业吗? 在和平年代,改善民生的诉求不是应该得到更多重视?

航天技术很容易给人一种投资回报不成正比的感觉。动辄数十亿美元的投资,却只能得到一枚火箭、一颗卫星,甚至极有可能是数次失败之后的一次成功。

源于“二战”升级和延续的航天技术,时至今日,和汽车、火车以及飞机行业的发展历史一样,对近地空间的开发,比如火箭、飞船、空间站技术,正在从 NASA下放到Space X、毕格罗、蓝色起源这类商业航天公司,注入经济和生活的方方面面。

正是因为已经完全融入了我们的生活,才更不容易为人所感知。

01 商业航天的开端(美国)

从人类的第一颗人造卫星进入太空开始算起,到60多年后的今天,人类至少发射了6600多颗卫星。它们中一半在太空中游弋,只剩下1000颗左右卫星在继续工作,其中600颗属于美国。

在卫星和载人航天上落后一步的美国,航天事业后来居上,离不开联邦政府的支持。但即使财大气粗如美利坚,国防预算也不可能无节制地增长。在创纪录的4.41%之后,NASA经费占联邦预算的拨款比例一路下滑至0.5%。

在这种情况下,不管是国防部还是NASA,想要单独开发新的、重大的航天系统首先会面临一个重大问题:不小的财政压力。

这是他们最大限度地利用商业系统进行开发工作的主要原因,没有之一。

经济实力是贫穷:进入共享模式。

以发射“天空实验室”的“土星五号”为例,单次发射费用达到11.6亿美元(折合2021年美元价值)。于是在1969年,美国便正式立项了一种能空天一体、回收利用的轨道器。

10-15年使用寿命、每年可以使用10次、平均发射成本仅为6000万美元(折合2021年美元价值)、绝大部分零部件可以回收……

这是后来的「航天飞机」项目,却并未达到预期的效果。

本来为节省成本而出现的航天飞机,最后成本却比“土星五号”的发射费用还要高。

由超过250 万个零件、370公里长电缆和27000多块隔热瓦构成的航天飞机,是世界上最复杂的单个运载器。

隔热瓦必须由纯人工替换,主发动机需要大修,轨道转移发动机的维修难度超出计划,各种计划外情况使得它的单次发射成本在4.5亿美元之上,全项目平均下来单次发射价格甚至超过了15亿美元。

为了发展航天飞机,NASA几乎淘汰了所有的常规运载火箭。直到“挑战者号”失事,航天飞机发射暂停,运载火箭产业才逐渐恢复。

1995年,国防部开始实施EELV项目,资助波音、洛马两家公司,美国的运载火箭产业,正式从NASA控制的政府垄断时代过渡到波音和洛马主导的双寡头垄断阶段。

这一时期,德尔塔(波音)和宇宙神(洛马)二者合计拿下了美国卫星发射市场的八成份额。2005年左右,受限于卫星发射需求,在联邦政府的支持下,波音和洛马于次年成立合资企业联合发射联盟(ULA),独揽美国空军、NASA和其他政府机构的火箭发射项目。

长达十年。

2008年9月,Space X猎鹰1成功发射,进入地球轨道。这是世界上第一个使用社会资本制造液态轨道火箭的计划,并且可部分重复使用。

三个月后,Space X就获得了NASA价值16亿美金的商业补给服务(CRS)合约。

按说联邦政府在ULA之后,是没有什么动力重新扶植一家商业发射公司的。是什么让「钢铁侠」脱颖而出,成为NASA的心头好?

原因只有一个,成本控制。

作为全球第一家具备独立载人能力的商业航天公司,龙飞船2号的单张船票只需要5800万美元,不仅远低于阿波罗号的3.9亿美金,甚至比联盟号8600万美元的成本价还要低出一大截。

再来看今年4月那份引得蓝色起源和Dynetics踩着采购申诉期提交了175页申诉申请的“登月舱”合同,Space X29.41亿美元的报价也远低于其他两家,其中蓝色起源的方案造价是Space X的两倍。

要理解NASA的最终选择,需要预先知道一个大前提:2021财年,美国宇航局原定为载人登陆系统项目申请32亿美金,但国会最终实批的经费仅有8.5亿美元。

商业航天公司的核心竞争力就是低成本。

事实上,这是放之四海皆准的商业法则:比对手更低的成本,以及和对手差不多水准的服务。

毫无疑问,为了节约成本,Space X需要对技术进行必要性和可行性研判,通过确定技术的优先级来制定差异化的研发策略:非关键技术大量采用低成本高可靠性的老旧成熟技术,然后把精力集中用于突破关键技术。

不同于现代专业化分工的生产模式,Space X对于成本的把控来自减少采购环节,尽可能多地自主研制和生产各种设备和器件。例如,他们自主生产一个阀门的成本为1.1万美元,外包出去就需要2.5万美元了。

所以他们的商业报价才总是对手的一半?

正是因为玩得一手善于取舍的“平衡术”,Space X才能靠美国1.2%的太空产业从业者完成了全美68.3%的太空发射活动。

以2016年从ULA嘴里抢下美国空军GPS卫星合同为起点(此前,Space X成功回收“猎鹰-9”的一级火箭),Space X用五年时间拿下全球商用发射火箭市场40%的订单。不仅成功将ULA驱逐出商业发射市场(那些要求更复杂、要求更高的政府项目除外),还迫使“联盟-5”(俄罗斯)和“阿里安”(欧洲)跟随降价,避免丢掉更多订单。

Space X凭借一己之力,将商业卫星发射的价格拉低了不止一个level,甚至低于素来以低价著称的中国长城公司。

可回收利用、平均发射成本在6000万美元上下的“猎鹰-9”,比已经退役的航天飞机更符合NASA最初的设想

美国东部时间2021年1月24日10:00,Space X利用“猎鹰-9”从卡纳维拉尔角航天发射场发射升空,以“一箭143星”的方式,实施了代号为“运输者-1”的小卫星拼单发射任务,将10颗“星链”卫星和133颗微小卫星送入极轨道,打破了此前由印度保持的单箭多星世界记录。

2021年6月,当“猎鹰-9”将58颗卫星带进预定轨道,他们累计发射的卫星数量达到540颗。

刚刚过完「成人礼」的Space X,已经是世界上发射卫星数量最多的商业公司了,顺带说一句,也超过所有国家。

02 “星链”近在眼前,第六军种诞生

2021年,全球共完成114次航天发射,连续三年“破百”,维持在“冷战”结束以来的最高位。航天器发射数量首次“破千”,创造了航天器年度发射数量的历史新高。

大部分来自Space X,美国。

自2021年5月组网发射启动以来,Space X通过18次专项组网发射任务将1073颗“星链”卫星送入轨道。加上2021年初发射的2颗“丁丁”原型卫星,“星链”计划已发射的卫星总数达到1085颗。

这个卫星互联网项目打算将42000颗卫星送入轨道,轨道高度从300多千米延伸到1000多千米,涵盖Ka、V、Q频段。

十年内完成部署。

按照国际电信联盟(ITU)制定的《无线电规则》,卫星频率和轨道资源的分配遵循“先到先得”的原则,到2029年,近地轨道上空至少会盘旋46100颗「秃鹰」的卫星(仅计算SpaceX、OneWeb、Telesat和蓝色起源四家龙头企业提出的星座部署计划)。

“星链”计划涉及的卫星数量庞大,且轨道高度极低、补网容易。截至1月20日的专项组网发射,“星链”已经有64颗卫星离轨再入。如果任由其大量发射,将极大地挤占我国航天器在近地轨道的运行空间。

“北斗”在搭建的过程中就吃过类似的亏。要知道卫星频段和轨道等可用资源不仅有限,且有优劣之分。

一场围绕卫星轨道的资源争夺战已经悄然拉开序幕。

而地球近地轨道只可容纳约6万颗卫星。

2021年底,美国会众议院以377-48投票通过《2021年国防授权法案》,授权“The Air Force Space Command”(空军航天司令部)更名为“USSF”(美国天军)。

自1947年组建空军以来,美国在往后72年间再未建立过新的军种。

第六军种的正式筹备,标志着美国对待太空的态度发生了根本性转变:从把太空视为作战支援后备上升为一个独立的作战域。

联邦通过技术转移和政府采购,培育出全球最高载重、最多回收次数、最短发射间隔的私营商业航天公司,以及更多隐藏在航空背景之下的航天公司(比如负责外储箱的洛克希德·马丁公司、负责轨道器的波音公司,以及负责固体助推器的轨道科学公司)。

还有一个逐渐放开近地轨道任务,将重点转向深空探索领域的NASA。

美国商业航天蓬勃发展的前提,是国家实验室和私营部门之间可能存在的竞争被最大限度的剔除。所以我们会看到,猎鹰系列火箭的灰背隼发动机,采用了阿波罗登月舱降级发动机的喷管技术。

这是来自NASA的技术转移,但也不全是。

但凡对NASA的商业航天采购有所了解,都会对他们“里程碑”式的付款方式印象深刻:完成节点方可获拨对应合同款。

技术转移同理。

更有甚者,为了获得美国空军支持液氧甲烷发动机研制项目的3360 万美元的研制资金,Space X要保证公司至少会在该项目上投入6730万美元经费。

至于Space X被政府部门翻牌的时间节点总是稍稍落后于该公司在关键技术上的突破这件事,第一部分讲得很清楚,此处不再赘述。

Space X虽然年轻,但也已经是一个过完「成人礼」的青年了。

只不过还没有开始赚钱而已。

03 商业航天并非私人航天(中国)

当我们把视线转移回国内,中国的商业航天公司大多成立于2015年,甚至更晚。

从各细分领域的融资情况来看,国内的商业航天市场绝大部分融资集中在火箭制造及发射领域,与全球卫星收入的模式背道而驰(全球商业航天领域内,卫星发射总收入占产业总收入的2%,大头集中在下游的卫星服务收入)。

会出现这种悖离的原因非常残酷,市面上绝大多数的民营商业公司,在卫星制造领域能自主研发并进入轨道正常运行的微纳卫星并不多。而低轨星座组网,用到的大多是质量在500kg的小卫星以及更加经济实惠的微纳卫星。

低轨卫星在轨生命周期短,一旦开始组网,就必须尽可能在最短的折旧期内,把所有的卫星打上去。所以,最佳发射窗口周期将集中在未来5-7 年内。

与商业火箭的发展相辅相成。

有券商在19年的时候做过一份草根调研,粗略计算“国家队”的运力之后发现:完成3018颗卫星的发射任务,需要15年时间。

缺口极大。

商业和私营并不是一个概念,商业航天不等同于私营航天。集中力量办大事的举国体制,是我国航天事业发展的宝贵经验。

4月28日,“中国卫星网络集团有限公司”在雄安正式挂牌成立,七个月前,有一家代号为“GW”的中国公司,向ITU递交了频谱分配档案,计划发射两个卫星总数达到12992颗的宽带星座计划。

根据国际电信联盟的规则,申请了相关频率的单位,必须在7年内完成卫星发射和信号验证,才算是真正拥有该频率的使用权。

我国“一箭多星”副主任设计师布向伟曾经向媒体透露:“长征11号”运载火箭具备一次发射28颗甚至更多小卫星的能力。如果一次释放两颗卫星,那么一次发射就可以同时释放56颗微纳卫星。

中国航天科技集团正在研制的“捷龙三号”固体运载火箭,也具备“一箭20星”以上的多星发射能力,并且将发射成本控制在不到1万美元每公斤。

长期以来,航天科技集团都是我国运载火箭的绝对主力,运载火箭产业链的中下游均在航天科技集团各个研究院内闭合,其他企业负责提供配套产品。

为了推动整个发射服务链条的商业化进程,2016 年,航天科技一院成立中国长征火箭有限公司,推出“捷龙一号”,航天科工火箭公司则推出了“快舟”系列火箭。

火箭发动机领域常说一句话,真正的发动机是试出来的。一款液体发动机的研制,需经过至少11种试车类型,2万秒试车时间,50-100次的试车次数。发动机试车是在专业试车台上完成的,是火箭发动机必不可少的生产试验设施。

SpaceX 目前已建成3个试车台,计划总共建造7个,并且拥有52000平研发总部和总装基地,蓝色起源则拥有一个价值2亿美金的火箭生产工厂。

而国内所有试车台,全部归中国航天科技集团公司第六研究院所有。商业火箭公司中,蓝箭航天拥有目前体制外唯一的试车台和总装厂。

而摆在我们面前的事实是,如果民营火箭公司连试车台和总装厂都没有,意味着它们距离真正的技术迭代和产业化商业化阶段,还有很长一段路。

2021年7月,星际荣耀的“双曲线一号”在酒泉卫星发射中心点火升空,按飞行时序将2颗卫星及多个有效载荷精确送入预定300公里圆轨道。

至于如何看待其他商业公司的火箭首飞失败,航天科工公司的“快舟”系列,2021年发射了四次,也有两次失利。

04 结语

我非常喜欢于途写给乔晶晶的第二封信,信中提到中美航天水平的差距:

这种差距反映到现实,是卡纳维拉尔角空军基地一处发射场的发射工位,就比中国四个发射场的发射工位还要多。

2021年11月28日,NASA给尘封了37年的「旅行者一号」发出指令:进行10毫秒工作测试,证明相关仪器依然正常即可。

经过39小时又10分钟的焦急等待,地面人员在焦急的等待中终于等来了「旅行者一号」的回复:四个备份推进器全部启动10毫秒工作正常。

这个已经四十岁“高龄”的探测器,至少还能工作十年。但即使再飞一万年,它也只能飞出去一光年,甚至到不了距离我们最近的比邻星。

幸运的话,它的归宿也许是在若干年后被人类回收,放进博物馆里的「旅行者一号」,前面会竖个牌子,上面介绍着它的生平简介,最后一句写道:

我们的祖先曾试图走出家园的伟大尝试,

在距银河中心2.8万光年的旋臂上,

人类抬起头来眺望星空。

Author

牧遥

参考资料:

[1].我国太空活动现代化治理中的若干重大问题,吴伟仁,2021年

[2].Space X公司“一箭143星”人物分析,李侃,2021年

[3].2021年全球商业航天发射统计分析,张鑫伟 付郁,2021年

[4].四射四炸后 “星舰”为何仍中标登月舱,田丰,2021年

[5].月中霜里斗婵娟2021年中国商业航天产业发展报告,艾瑞咨询,2021年

[6].12992颗卫星!中国的“GW”巨型星座计划确认!全面技术解读,江湖事务所,2021年

[7].美国2021年太空工业基础现状,王洪飞 房立晶,2021年

[8].我国商业卫星产业的现状及发展途径分析,杨慧群 江文,2021年

[9].“新基建”之中国卫星互联网产业发展研究白皮书,赛迪顾问物联网产业研究中心,2021年

[10].商业航天产业研究专题—商业火箭 冉冉升起,安信证券,2021年

[11].我国运载火箭产业:两大航天集团为主体,民企进军势不可挡,中信建投证券,2021年

 

作者:牧遥,新浪微博:科技复联汪

本文由 @科技复联汪 原创发布于人人都是产品经理,未经许可,禁止转载。

题图来自Unsplash,基于 CC0 协议

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