基于產(chǎn)業(yè)思維的航天發(fā)射服務研究

盛英華，吳佳林，毛承元，梁建國

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201108)

1 抓住太空2.0時代發(fā)展機遇

2010年以來,全球航天產(chǎn)業(yè)正處于能力與市場快速發(fā)展的新時期，航天已經(jīng)從傳統(tǒng)服務于國防、民用和探索，進階為與互聯(lián)網(wǎng)融合，服務于民生，創(chuàng)造新市場，推動世界經(jīng)濟增長的新引擎。

以美國為代表的航天強國在20世紀90年代推進軍民融合轉(zhuǎn)型，布局商業(yè)航天，以政府采購等政策激勵催生了多家私營航天企業(yè)，涵蓋了運載火箭發(fā)射服務、衛(wèi)星通信、遙感圖像、導航定位、空間居住、數(shù)據(jù)服務等航天產(chǎn)業(yè)的眾多環(huán)節(jié)。

在新技術持續(xù)突破、“航天+互聯(lián)網(wǎng)”跨界融合、國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵、風險投資涌入等多重因素聚集下，全球航天產(chǎn)業(yè)即將進入太空2.0時代[1]。

太空1.0時代主要由“冷戰(zhàn)驅(qū)動、政府主導”，如圖1所示。從零到一逐步構(gòu)建了運載火箭發(fā)射、衛(wèi)星應用、空間站、發(fā)射場和地面測控網(wǎng)等龐大的航天基礎設施。

太空2.0時代是大眾利用太空的時代，主要由“萬物互聯(lián)、天地一體”驅(qū)動。起于20世紀90年代衛(wèi)星星座計劃，以“服務大眾、商業(yè)盈利”為目標的商業(yè)航天重新整合太空1.0時代的航天產(chǎn)業(yè)資源，以“三創(chuàng)新”(商業(yè)模式、產(chǎn)品和技術)實現(xiàn)航天的內(nèi)生性自我推動和發(fā)展，推動航天與大眾生活深度融合。

為抓住太空2.0時代航天產(chǎn)業(yè)興起的戰(zhàn)略機遇，本文從第一推動上將航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展劃分為3個階段，從價值鏈上梳理了航天產(chǎn)業(yè)業(yè)務分布及產(chǎn)業(yè)整合策略，分析新興航天發(fā)射公司模式、產(chǎn)品和技術，為航天傳統(tǒng)發(fā)射服務在太空2.0時代的新發(fā)展提供參考。

2 航天產(chǎn)業(yè)進階三要素齊聚

一個新興行業(yè)從出現(xiàn)到大眾普及需要突破技術、產(chǎn)品和市場三個階段。

從1957年第一顆衛(wèi)星上天至今，航天運輸發(fā)展了60余年，突破了一次性技術，解決了進入空間工具的有無問題。20世紀90年代低軌衛(wèi)星通信星座興起，美國政府逐步制定有關鼓勵航天軍民融合、商業(yè)航天的政策和法律，航天產(chǎn)業(yè)化所需的系統(tǒng)環(huán)境逐漸出現(xiàn)。

預計1991—2030年前后，航天商業(yè)化和商業(yè)航天將興起，與政府共同主導航天發(fā)射服務產(chǎn)業(yè)。在“萬物互聯(lián)、天地一體”推動下，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和航天產(chǎn)業(yè)跨界融合，引領未來新的經(jīng)濟增長。

2.1 新市場即將興起

兩大潛在市場的興起將改變航天發(fā)射服務產(chǎn)業(yè)格局。一是大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座應用，二是近地軌道商業(yè)載人航天[2]。

如表1所示，從20世紀90年代提出低軌通信衛(wèi)星星座，歷經(jīng)近30年三代發(fā)展，大規(guī)模商業(yè)化的低軌衛(wèi)星星座即將進入部署應用階段。空間探索、波音、一網(wǎng)(OneWeb)、加拿大開普勒通信、另外的三十億(O3b)等眾多商業(yè)公司提出了大型低軌星座，頻段以Ka、Ku、V為主，服務于全球?qū)拵Ъ罢瓗ㄐ拧⒕C合地球觀測、地球成像等[3]。

表1 衛(wèi)星移動通信發(fā)展總結(jié)

商業(yè)載人航天是未來最大的潛在新興市場。自2006年美國實施商業(yè)軌道運輸(COTS計劃)，追求近地軌道載人航天能力的私營機構(gòu)發(fā)展初見成效?？臻g探索公司獵鷹9火箭、藍色起源公司的新格林火箭等具備了近地軌道商業(yè)載人發(fā)射能力；空間探索公司(龍飛船)、波音公司(星際客車)、內(nèi)華達山脈公司(追夢者)將在2020年前后實現(xiàn)空間站載人商業(yè)運輸；與NASA合作，畢格羅公司充分驗證了充氣式試驗艙技術，計劃建立獨立運行的商業(yè)太空旅館(BA330艙段對接)；XCOR宇航公司、維珍銀河、藍色起源等多家公司即將提供太空旅游產(chǎn)品和服務[4]。

2.2 新技術持續(xù)突破

低軌即時移動通信業(yè)務、商業(yè)載人航天業(yè)務興起需要突破以下技術：

(1)高通量數(shù)字通信技術[5]

正如移動互聯(lián)網(wǎng)的帶寬決定生意大小，衛(wèi)星高通量數(shù)字通信技術決定衛(wèi)星未來增強移動帶寬(可感知互聯(lián)網(wǎng)、增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實等)、關鍵業(yè)務服務(自動駕駛汽車、工業(yè)自動化、智能電網(wǎng))和海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的大小。

目前點波速覆蓋的HTS衛(wèi)星技術已經(jīng)在高軌通信衛(wèi)星實現(xiàn)，通信帶寬為10Tbit/s。

(2)衛(wèi)星應用終端的通用化技術

以智能手機為代表的小型、低成本移動終端產(chǎn)品。

(3)超小型相陣控天線技術

普通用戶接入近地軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡提供的網(wǎng)絡服務，需要低成本、小型化、易攜帶的超小型相控陣天線，解決個人手持終端功率不足問題。OneWeb公司的策略是引入電信公司、可口可樂(無人售貨機)等戰(zhàn)略合作聯(lián)盟。

近地軌道商業(yè)載人業(yè)務興起需要大幅降低發(fā)射服務費用，提高載人安全可靠性量級(如飛機一樣)[6]，目前正在驗證的新技術有：垂直起降重復使用技術、充氣式空間站技術、重復使用飛船技術等。

2.3 法律與政策不斷完善

1998年美國通過《商業(yè)航天法案》，以法律形式再次強調(diào)了對商業(yè)航天領域發(fā)展的重視；2010年公布《美國國家航天政策》，大力支持商業(yè)航天部門發(fā)展；2015年美國通過《商業(yè)航天發(fā)射競爭力法案》；2016年美國通過《太空復興法案》，增加美國聯(lián)邦航空局(FAA)授權基金，增加商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)采購。

美國商業(yè)航天法案政策主要聚焦：1)市場準入(規(guī)范)；2)技術擴散；3)投資鼓勵(政府背書)；4)市場容量有限下的政府采購。

如圖2所示，美國航空航天局從2005年啟動商業(yè)乘員與運輸G3P計劃，至今經(jīng)過三個階段，已成功由商業(yè)貨物運輸進入商業(yè)載人運輸。

3 整合航天產(chǎn)業(yè)形成規(guī)模經(jīng)濟

從發(fā)射運輸服務到衛(wèi)星應用，再到衛(wèi)星通信、能源、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等跨界融合，其中發(fā)射服務是小眾市場，掌握航天產(chǎn)業(yè)的入口；衛(wèi)星作為航天產(chǎn)業(yè)的空間物質(zhì)基礎，其流量帶寬成為通信、人工智能、大數(shù)據(jù)等產(chǎn)業(yè)興起的核心樞紐之一。

市場容量決定產(chǎn)業(yè)大小，市場特點引領業(yè)務定位及服務模式；性價比、便捷性、可靠性等成為發(fā)射服務市場的核心競爭力。航天發(fā)射服務與汽車(百萬輛)、飛機(千架)等不同，全世界每年百次左右發(fā)射，實現(xiàn)商業(yè)持續(xù)盈利需要尋找新的業(yè)務增長點或者新的業(yè)務模式。

3.1 航天產(chǎn)業(yè)價值鏈分布

衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)主要包含衛(wèi)星服務業(yè)、衛(wèi)星制造業(yè)、發(fā)射服務業(yè)和地面設備制造業(yè)。如圖3所示[7]，基于2012年—2016年衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)狀況分析，火箭發(fā)射服務業(yè)規(guī)模在50億～70億美元/年，息稅前利潤率(EBITAD)低于10%，衛(wèi)星服務業(yè)價值最高，年均規(guī)模在2000億美元左右，EBITAD約5%～30%，成為各方角力的“主戰(zhàn)場”。

航天產(chǎn)業(yè)存量業(yè)務(航天器制造與發(fā)射、衛(wèi)星通信/導航/遙感、太空探索等)有限，尤其是發(fā)射服務業(yè)目前年均僅有70～90發(fā)，美蘇冷戰(zhàn)時期最高120發(fā)左右。

3.2 航天發(fā)射服務特點

當前國際航天發(fā)射服務是市場經(jīng)濟、法制經(jīng)濟，尚未達到規(guī)模經(jīng)濟，非完全自由經(jīng)濟。

(1)小規(guī)模經(jīng)濟

對于單一型號主力火箭，2014年聯(lián)盟火箭在3個發(fā)射場發(fā)射22發(fā)；獵鷹9火箭2017年執(zhí)行18發(fā)任務；對于小火箭，有可能幾年執(zhí)行一次發(fā)射任務(如飛馬座火箭、米諾陶火箭等)[8]。

根據(jù)阿里安火箭公司預計，年均發(fā)射量5枚以上可以達到收支平衡。商業(yè)發(fā)射目前約占發(fā)射任務的1/3，假定年均90次發(fā)射，約合30次商業(yè)發(fā)射任務，預計現(xiàn)有純商業(yè)發(fā)射僅僅能支持兩三家發(fā)射服務商生存。

(2)非完全自由經(jīng)濟

發(fā)射服務客戶主體是政府，發(fā)射服務必須符合國家利益和出口管制。根據(jù)美國國際武器貿(mào)易條例(ITAR)，衛(wèi)星上使用美國元器件的不能用中國的火箭發(fā)射。

3.3 航天產(chǎn)業(yè)整合模式

航天產(chǎn)業(yè)中通信衛(wèi)星應用實現(xiàn)了商業(yè)化運營，而發(fā)射服務為任務導向型，發(fā)射費用高，需求少，依托市場形成自生循環(huán)的規(guī)模經(jīng)濟相對較困難，主要通過內(nèi)部垂直整合和外部橫向整合提升產(chǎn)業(yè)規(guī)模和效益。

(1)發(fā)射服務垂直整合

新興太空發(fā)射服務公司以抓入口模式整合發(fā)射服務產(chǎn)業(yè)鏈，如火箭試驗室公司(Rocket Lab)、空間探索公司等。

國內(nèi)航天科工火箭公司選取空間探索公司發(fā)展策略，抓火箭入口整合發(fā)射產(chǎn)業(yè)鏈，而后以虹云工程為核心整合衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈，引領太空2.0時代的新產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

(2)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)橫向整合

新興的衛(wèi)星服務公司(如OneWeb)通過利益共享模式整合整個衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈。如圖4、圖5 所示，OneWeb公司衛(wèi)星制造選擇空中客車集團，發(fā)射選擇維珍集團(后又增加藍色起源公司、阿里安宇航等)，通信及地面終端選擇休斯公司，星座市場開發(fā)選擇國際衛(wèi)星組織、休斯公司等、區(qū)域市場開發(fā)選擇區(qū)域電信巨頭(印度、巴西等電信巨頭)和可口可樂公司等。通過整合產(chǎn)業(yè)鏈，形成協(xié)同集群規(guī)模優(yōu)勢。

4 創(chuàng)新生態(tài)助推航天發(fā)射服務

企業(yè)是發(fā)射服務業(yè)的主體，其創(chuàng)新性決定新興航天企業(yè)的競爭力。新興航天發(fā)射服務企業(yè)瞄準利潤最大市場(高軌發(fā)射服務和空間補給等)或者市場痛點(微納衛(wèi)星發(fā)射)，以生態(tài)創(chuàng)新型策略系統(tǒng)提升市場競爭力。

4.1 模式創(chuàng)新

新興航天企業(yè)孕育期在7年以上,如空間探索公司從2002年成立到2010年獵鷹9成功首飛[9]；藍色起源公司從2000年成立，預計到2020年新格林火箭首飛；另外三十億(O3b)公司2007年成立，2014年提供衛(wèi)星通信等服務，一旦順利度過孕育期，則呈現(xiàn)指數(shù)型增長，快速具備市場競爭優(yōu)勢。

(1) 理念

以互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設計理念快速升級航天產(chǎn)品，而不是飛行驗證后定型。從2010年獵鷹9 V1.0版火箭成功首飛，到獵鷹9V1.1版火箭驗證一子級回收，再到獵鷹9V1.2 版火箭GTO能力達到8.3t，LEO能力達到22.8t，深刻詮釋“產(chǎn)品在迭代中升級”。

(2) 商業(yè)模式

新興商業(yè)公司從運載火箭產(chǎn)品提供商轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)射服務提供商，即直接向用戶提供發(fā)射服務；從傳統(tǒng)火箭研制的協(xié)同分工生產(chǎn)轉(zhuǎn)向基于信息化/智能化技術的產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合，實現(xiàn)從單機、系統(tǒng)、全箭、發(fā)射場全面整合，只采購通用產(chǎn)品。

(3) 管理

在項目開發(fā)過程中并行設計，設計人員與制造、工藝、試驗人員高度融合(項目制，設計辦公室與生產(chǎn)一體化)。產(chǎn)品不再追求一次實現(xiàn)完美，發(fā)射只考慮影響火箭飛行主要因素，容忍缺陷，不斷迭代(如獵鷹9火箭一子級模塊從Block1升級至Block5)，提升產(chǎn)品性能、可靠性和可用性。

核心人員從獎金激勵轉(zhuǎn)向自我實現(xiàn)和股票期權的雙重激勵。

4.2 方案創(chuàng)新

新興商業(yè)公司的運載火箭首先考慮任務適應性、市場覆蓋率和競爭力，側(cè)重商業(yè)回報?；鸺桨甘走x兩級(最簡構(gòu)型)，動力系統(tǒng)配置選擇一、二級發(fā)動機同源，發(fā)射支持遠程無人值守化等。

(1) 獵鷹9V1.2火箭

任務定位：高可靠低成本商業(yè)發(fā)射。地球同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO)運載能力：8.3t(一次性)。構(gòu)型特點：單芯級，兩級，全軌道覆蓋，如圖6所示。

方案評估： 95%以上任務覆蓋，實現(xiàn)了系統(tǒng)綜合最優(yōu)、結(jié)構(gòu)最簡、動力冗余、智能控制和先進測發(fā)，發(fā)射服務具備商業(yè)競爭力，子級垂直回收為重復使用提供新的選擇。

(2) 電子號火箭

任務定位：為微小衛(wèi)星運營商提供發(fā)射服務。500km太陽同步軌道(SSO)運載能力：150kg。構(gòu)型特點：兩級構(gòu)型，一型電動泵驅(qū)動發(fā)動機(Rutherford)，如圖7所示。

方案評估： 發(fā)射便捷，費用低——1U 衛(wèi)星發(fā)射服務費用為5萬美元；發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單，比沖高；箭體質(zhì)量輕(全碳纖維復合材料)；火箭部組件可實現(xiàn)快速制造(3D打印等)。

4.3 技術創(chuàng)新

新火箭任務適應性、市場競爭力源于創(chuàng)新設計方法、應用新技術和產(chǎn)品快速升級。

(1)按概率發(fā)射的系統(tǒng)總體設計技術

傳統(tǒng)運載火箭設計理念源于導彈，選擇99%發(fā)射概率，箭體結(jié)構(gòu)過度冗余。

新興商業(yè)公司選擇70%～80%發(fā)射概率，大幅降低飛行載荷，應用射前裝定、主動減載等技術進一步降低飛行載荷。

(2)簡單可靠的高性能變推力發(fā)動機技術

一型性能先進、簡單可靠的發(fā)動機是研制運載火箭核心支撐。Merlin系列發(fā)動機推力從35t提升到86t，質(zhì)量從630kg降到470kg，直徑從1.2m縮小到1m，比沖從275s提高到282s，地面推質(zhì)比達到183。

發(fā)動機不再強調(diào)大推力，而是考慮制造簡單、性能可靠、推力可調(diào)節(jié)，以多機并聯(lián)策略研制最簡構(gòu)型的運載工具，提升市場競爭力。

(3)新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)技術

快速推動箭體結(jié)構(gòu)設計、仿真、試驗與制造一體化，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與承載精確匹配。選擇高強鋁鋰合金、復合材料等成熟材料降低箭體結(jié)構(gòu)質(zhì)量和制造成本。引入全攪拌摩擦焊、箱底旋壓成型、3D打印等新型制造技術，確保設計到制造的一致性和快速性。

(4)新型控制技術

傳統(tǒng)運載火箭為軌道預裝定，動力故障狀態(tài)下難以將載荷送入軌道。獵鷹9火箭實現(xiàn)了射前裝定、主動減載、一臺發(fā)動機故障狀態(tài)下動力冗余和在線實時規(guī)劃新的飛行控制策略[10]。

在線自主規(guī)劃的核心關鍵是動力冗余、姿控模型重構(gòu)和按照新的軌道飛行，需要算法在毫秒量級以能量最省原則重構(gòu)制導、姿控等策略。美國從火星任務開始研究凸優(yōu)化算法[11]，2011年開始在蚱蜢樣機、獵鷹9火箭一子級上驗證，2015年一子級垂直返回工程實現(xiàn)。

5 我國航天發(fā)射服務發(fā)展建議

進入太空2.0時代，傳統(tǒng)航天企業(yè)與新興商業(yè)航天公司同臺競爭是時代的必然。傳統(tǒng)航天企業(yè)需要從技術、管理和政策3個方向創(chuàng)新，提升航天發(fā)射服務競爭力。

(1)引領技術創(chuàng)新

選擇合理市場切入點，追求基本型火箭方案的最簡化，與上面級組合實現(xiàn)高任務覆蓋，以動力、結(jié)構(gòu)、電氣、地面技術創(chuàng)新提升產(chǎn)品的競爭力。

(2)優(yōu)化組織管理

瞄準產(chǎn)品通用化，實現(xiàn)從傳統(tǒng)研制任務導向型向通用產(chǎn)品發(fā)射服務型組織轉(zhuǎn)變；減少產(chǎn)品研發(fā)中間環(huán)節(jié)，從總體、分系統(tǒng)、單機獨立向系統(tǒng)集成組織轉(zhuǎn)變。

(3)給予政策支持

航天產(chǎn)業(yè)非市場化因素眾多，需要國家制定相關的法律和政策，逐漸將非市場化要素(發(fā)射場、測控網(wǎng)等)轉(zhuǎn)化為市場要素，給予發(fā)射服務許可證，支持企業(yè)開展空間稀缺資源(軌位和頻位)的國際談判等。

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