SpaceX獵鷹火箭低成本探究及啟示

李 飛 王郁景 樊曉雨

美國(guó)SpaceX以其低廉的發(fā)射服務(wù)價(jià)格、高效的履約能力及先進(jìn)的公司運(yùn)作模式，為國(guó)際發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)帶來了巨大震動(dòng)，使得傳統(tǒng)航天企業(yè)不得不審視各自的運(yùn)載火箭發(fā)展路線。我國(guó)商業(yè)航天服務(wù)市場(chǎng)也在蓬勃發(fā)展，作為中國(guó)航天事業(yè)的發(fā)祥地，中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院責(zé)無旁貸地需要認(rèn)真分析自身的優(yōu)勢(shì)和不足，學(xué)習(xí)以SpaceX為代表的新興航天企業(yè)的成功之處，不斷做優(yōu)做強(qiáng)自己，提升自身核心競(jìng)爭(zhēng)力。

世界航天發(fā)射市場(chǎng)價(jià)格現(xiàn)狀

目前，國(guó)際地球同步轉(zhuǎn)移軌道的單位載荷發(fā)射價(jià)格為1至2萬美元，近地球軌道的發(fā)射價(jià)格約1萬美元。其中，小型火箭因運(yùn)載能力較低等原因，單位載荷發(fā)射費(fèi)用普遍偏高。

歐洲的阿里安5火箭幾乎占據(jù)國(guó)際GTO發(fā)射市場(chǎng)50%的份額，俄羅斯的質(zhì)子號(hào)火箭價(jià)格相對(duì)較低，也是國(guó)際發(fā)射市場(chǎng)的主要競(jìng)爭(zhēng)者。美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的德爾塔4和宇宙神5火箭在2016年之前，長(zhǎng)期占據(jù)美國(guó)軍方發(fā)射市場(chǎng)的壟斷地位。SpaceX公司獵鷹9火箭的出現(xiàn)以及連續(xù)發(fā)射成功，快速搶占大量國(guó)際發(fā)射市場(chǎng)份額，并以其出色的性能和低廉的價(jià)格，成功打破ULA在美國(guó)國(guó)家安全發(fā)射市場(chǎng)的壟斷。我國(guó)現(xiàn)役火箭（長(zhǎng)征三號(hào)乙等）的單位載荷發(fā)射價(jià)格較低，在國(guó)際發(fā)射市場(chǎng)具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。我國(guó)的運(yùn)載火箭之所以未能在國(guó)際市場(chǎng)占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，關(guān)鍵原因在于國(guó)際武器貿(mào)易條例的限制。由SpaceX公司研制的獵鷹9火箭作為后起之秀，是世界范圍內(nèi)同類型運(yùn)載火箭發(fā)射服務(wù)價(jià)格最低的，其低成本之路值得所有航天企業(yè)深入思考。

SpaceX公司特點(diǎn)

SpaceX公司由互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目PayPal的聯(lián)合創(chuàng)始人艾倫·馬斯克于2002年創(chuàng)立，是一家以提供商業(yè)航天發(fā)射與運(yùn)輸服務(wù)為主的私營(yíng)商業(yè)宇航公司。該公司采用低成本發(fā)射實(shí)現(xiàn)盈利的商業(yè)模式，利用互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)企業(yè)的模式進(jìn)行運(yùn)作，建設(shè)快速產(chǎn)品迭代、扁平企業(yè)結(jié)構(gòu)、敏捷項(xiàng)目管理，利用外部投資迅速擴(kuò)大資本規(guī)模，走新企業(yè)經(jīng)濟(jì)路線的太空創(chuàng)業(yè)公司。在短短的十幾年時(shí)間里，其設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的法爾肯1火箭、法爾肯9系列火箭以及“龍”飛船等宇航產(chǎn)品相繼投入使用，通過低廉的發(fā)射成本、較高的飛行可靠性、創(chuàng)新的技術(shù)和管理模式引起世界航天領(lǐng)域廣泛關(guān)注，同時(shí)也獲得了大量的商業(yè)發(fā)射服務(wù)訂單，沖擊著傳統(tǒng)宇航領(lǐng)域企業(yè)的發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)。該公司具有明顯的特點(diǎn)：

研制任務(wù)高度整合。SpaceX公司打破了傳統(tǒng)的運(yùn)載火箭研制任務(wù)分工過于分散的模式，一家承擔(dān)原本不同單位分別承擔(dān)的大部分研制任務(wù)，采用高度集成化的設(shè)計(jì)模式，完成研制任務(wù)的縱向整合，對(duì)于自己無法承擔(dān)或有貨架產(chǎn)品的研制任務(wù)則直接采購(gòu)。

高度產(chǎn)品化。公司主力運(yùn)載火箭法爾肯9芯一級(jí)使用9臺(tái)相同的發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)是在一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上的高空改進(jìn)版，基本相同的發(fā)動(dòng)機(jī)給生產(chǎn)帶來了極大便利，同時(shí)大大降低了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期。法爾肯重型更是在法爾肯9的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)助推器，助推器與法爾肯9芯級(jí)基本相同，僅僅對(duì)法爾肯重型芯一級(jí)做了結(jié)構(gòu)增強(qiáng)及部分適應(yīng)性改進(jìn)，所有27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)完全一致，其產(chǎn)品化程度推進(jìn)力度驚人。在箭體設(shè)計(jì)和導(dǎo)航控制等方面盡量通用，通過火箭部件的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，以批量生產(chǎn)降低分?jǐn)偟脑O(shè)計(jì)費(fèi)用及生產(chǎn)成本。

突出創(chuàng)新能力。由于法爾肯火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不夠先進(jìn)，該公司在總體方案方面更加注重創(chuàng)新性，以此提高火箭整體性能，降低成本。由于芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)基本一致且數(shù)量多達(dá)9臺(tái)，該公司采用故障檢測(cè)及動(dòng)力冗余技術(shù)，在少數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，通過實(shí)時(shí)彈道重構(gòu)重新規(guī)劃彈道，完成發(fā)射任務(wù)，盡最大可能保障發(fā)射任務(wù)成功，該技術(shù)在發(fā)射任務(wù)中得到驗(yàn)證。公司在自主可控回收與重復(fù)使用、快速高效的測(cè)發(fā)技術(shù)、過冷推進(jìn)劑加注技術(shù)、推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)等方面均取得重大突破。

重視工藝的可實(shí)現(xiàn)性。公司將設(shè)計(jì)與生產(chǎn)集中在總部，設(shè)計(jì)部門與生產(chǎn)部門僅一墻之隔，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之初就充分考慮材料和工藝的可實(shí)現(xiàn)性，并隨時(shí)與車間生產(chǎn)人員直接溝通，及時(shí)了解產(chǎn)品設(shè)計(jì)與公司生產(chǎn)資源是否匹配，及時(shí)了解生產(chǎn)部門的反饋信息。設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的密切聯(lián)系，大大提高了工作效率，降低了后續(xù)生產(chǎn)過程的更改概率。

采用流水線生產(chǎn)模式。公司據(jù)稱具備年產(chǎn)40枚法爾肯9的生產(chǎn)能力，公司內(nèi)部建設(shè)了三條平行的法爾肯9生產(chǎn)線，具備24個(gè)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工位?；鸺圃爝^程類似汽車和飛機(jī)的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了火箭的流水線大規(guī)模生產(chǎn)，火箭不再是高不可攀的高科技頂尖產(chǎn)品，而是工業(yè)時(shí)代的工業(yè)品。

獵鷹火箭低成本原因

外部環(huán)境有利于商業(yè)航天企業(yè)成長(zhǎng)。SpaceX公司的成功，與美國(guó)政府的支持密不可分。2004年，美國(guó)國(guó)家航空航天局退出地球軌道發(fā)射任務(wù)，全面轉(zhuǎn)向深空，將地球軌道發(fā)射任務(wù)轉(zhuǎn)交給商業(yè)公司，為以SpaceX公司為代表的私營(yíng)公司創(chuàng)造了發(fā)展空間。美國(guó)還通過制定和頒布一系列政策法規(guī)來規(guī)范和調(diào)整商業(yè)航天活動(dòng)，引導(dǎo)NASA拓展商業(yè)航天市場(chǎng)，鼓勵(lì)商業(yè)發(fā)射，在加快技術(shù)創(chuàng)新、提高任務(wù)效率、降低成本、促進(jìn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等方面起到積極作用。

NASA為鼓勵(lì)私營(yíng)企業(yè)參與軌道空間運(yùn)輸服務(wù)競(jìng)爭(zhēng)，降低近地軌道探索活動(dòng)成本，陸續(xù)出臺(tái)種類繁多的資助項(xiàng)目，包括商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)、商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)等，SpaceX公司積極參與競(jìng)爭(zhēng)，并陸續(xù)取得巨額訂單，獲得大量資金支持。在技術(shù)層面，SpaceX公司直接接受NASA的技術(shù)轉(zhuǎn)讓，如獵鷹火箭的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)直接來源于阿波羅計(jì)劃中的登月艙下降發(fā)動(dòng)機(jī)；或租或借或無償使用大量基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)施，如發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架、發(fā)射場(chǎng)以及總裝測(cè)試車間等，節(jié)省了大批基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用。美國(guó)對(duì)航天工業(yè)投以巨資，長(zhǎng)期積累造就了世界上最尖端的技術(shù)和最完備的產(chǎn)業(yè)鏈，培養(yǎng)了一大批經(jīng)驗(yàn)豐富的航天工程師。這些都為SpaceX公司成功研制獵鷹火箭、實(shí)現(xiàn)低成本提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

敢于突破現(xiàn)有航天企業(yè)的傳統(tǒng)桎梏。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力是SpaceX公司成本控制成功的重要因素。SpaceX的產(chǎn)品規(guī)劃、技術(shù)發(fā)展方向、組織結(jié)構(gòu)等都是按照適應(yīng)市場(chǎng)需求、快速反應(yīng)、降低成本的方向制定的。面對(duì)波音、洛克希德?馬丁這些實(shí)力強(qiáng)勁的對(duì)手，唯有高可靠、低成本才是生存之道。

開發(fā)新產(chǎn)品和消減成本都需要?jiǎng)?chuàng)新思維、創(chuàng)造性解決問題的能力、長(zhǎng)遠(yuǎn)思考及整體策略能力，創(chuàng)新是SpaceX公司的核心競(jìng)爭(zhēng)力，SpaceX將其從簡(jiǎn)單的降低成本發(fā)展成為成本創(chuàng)新理念。SpaceX技術(shù)團(tuán)隊(duì)的冒險(xiǎn)精神與創(chuàng)新理念無處不在，如開展蚱蜢重復(fù)使用驗(yàn)證試驗(yàn)，探索重復(fù)使用火箭，實(shí)現(xiàn)一子級(jí)海上平臺(tái)回收；顛覆一定數(shù)量以上小發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)不可靠的理念；突破火箭“要保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定、長(zhǎng)細(xì)比不能大于16”的常規(guī)思路，提供了構(gòu)建“大火箭”結(jié)構(gòu)的另一種路徑。

既有創(chuàng)新的激情，也有遵循研制規(guī)律的冷靜。作為看重成本的商業(yè)公司，SpaceX對(duì)于可控回收這一攻堅(jiān)克難的領(lǐng)域，很好地遵守了循序漸進(jìn)的研制規(guī)律，坦然面對(duì)多次回收失敗，不斷積累重復(fù)使用運(yùn)載技術(shù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)推進(jìn)可重復(fù)使用技術(shù)的研制進(jìn)程，運(yùn)載火箭回收日趨完善和成熟。

成功的內(nèi)部管理。一是簡(jiǎn)單可靠的低成本設(shè)計(jì)理念。獵鷹火箭的研制充分貫徹了SpaceX公司“簡(jiǎn)單、低成本、高可靠”的設(shè)計(jì)理念，在技術(shù)和管理方面雙管齊下。在工程設(shè)計(jì)上，充分踐行“通用化、系列化、模塊化”的思想，采用迭代開發(fā)的過程實(shí)現(xiàn)多型號(hào)任務(wù)間部件的復(fù)用，既節(jié)省成本，又縮短開發(fā)和生產(chǎn)周期，如獵鷹火箭都采用相似的整體結(jié)構(gòu)、同源進(jìn)化的軟件和電子設(shè)備、相似的發(fā)射著陸指令，以及幾乎相同的發(fā)動(dòng)機(jī)等。

二是扁平化的公司管理。公司采用扁平化的管理架構(gòu)，馬斯克是首席運(yùn)營(yíng)官兼首席技術(shù)官，1名總裁負(fù)責(zé)行政工作，9名副總裁分別負(fù)責(zé)相關(guān)技術(shù)或業(yè)務(wù)領(lǐng)域工作，另外還有1名首席財(cái)務(wù)官、1名首席信息官和1名電子、制導(dǎo)與控制總工程師。公司內(nèi)部沒有通常意義上的部門劃分，甚至沒有組織機(jī)構(gòu)圖。各領(lǐng)域的員工平等地參與技術(shù)研討、設(shè)計(jì)和開發(fā)等工作。公司除去發(fā)射場(chǎng)的員工外，大多數(shù)員工在同一層樓辦公，以硅谷的開放式辦公環(huán)境降低了信息交互成本。

三是自主化的生產(chǎn)模式。在制造方面，公司擁有年產(chǎn)40枚獵鷹9火箭的能力，箭上產(chǎn)品的自產(chǎn)率高達(dá)80%；既充分利用攪拌摩擦焊等成熟的工業(yè)技術(shù)生產(chǎn)貯箱，也利用3D打印等新型技術(shù)生產(chǎn)閥門。在測(cè)試方面，擁有242公頃的推進(jìn)及結(jié)構(gòu)測(cè)試試驗(yàn)廠房，可以隨時(shí)進(jìn)行測(cè)試，不需要租用測(cè)試設(shè)施。在發(fā)射場(chǎng)方面，除現(xiàn)有的三個(gè)發(fā)射工位外，還在美國(guó)境內(nèi)尋求其他的用于商業(yè)航天的發(fā)射場(chǎng)，不單純依賴空軍發(fā)射場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射任務(wù)的快速周轉(zhuǎn)。

綜合來講，獵鷹火箭的成本控制主要體現(xiàn)在五大系統(tǒng)上：動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、航電設(shè)備、發(fā)射設(shè)施和管理。對(duì)于動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、航電設(shè)備的成本控制，公司通過“自下而上”的設(shè)計(jì)模式，搭建了一個(gè)完整的設(shè)計(jì)平臺(tái)。通過改進(jìn)發(fā)射流程設(shè)計(jì)，極大地縮減了發(fā)射成本。在管理上吸取硅谷高技術(shù)企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，采用扁平化管理結(jié)構(gòu)，在管理成本上節(jié)約了大筆資金。

對(duì)我國(guó)航天事業(yè)的啟示

著力優(yōu)化科研管理模式，構(gòu)建扁平化管理架構(gòu)。我國(guó)航天事業(yè)起步初期，生產(chǎn)力極為落后，發(fā)展航天事業(yè)的主要矛盾集中在發(fā)展生產(chǎn)力方面，主要資源投入在提高技術(shù)水平方面。發(fā)展到21世紀(jì)，已經(jīng)基本形成了完善的科研布局，具備自主研制運(yùn)載火箭能力。隨著社會(huì)進(jìn)步和航天強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略實(shí)施，當(dāng)前的主要矛盾演變?yōu)樯a(chǎn)能力無法適應(yīng)高強(qiáng)密度發(fā)射常態(tài)化需求，核心在于相對(duì)落后的科研生產(chǎn)管理模式在一定程度上制約了生產(chǎn)力水平的持續(xù)提高。在國(guó)家深化改革背景下，我們更應(yīng)該找準(zhǔn)限制生產(chǎn)力充分發(fā)揮的癥結(jié)所在，切中要害精準(zhǔn)發(fā)力，從根本上提高運(yùn)載火箭科研生產(chǎn)管理水平，構(gòu)建扁平高效的管理架構(gòu)，以管理能力提升和生產(chǎn)力提升雙管齊下，支撐航天強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。

鼓勵(lì)創(chuàng)新，制定具體鼓勵(lì)辦法和措施，營(yíng)造開放融合氛圍。為了在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得生存發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，SpaceX為實(shí)現(xiàn)低成本的目標(biāo)開展了多項(xiàng)技術(shù)、管理方面的創(chuàng)新，并在不斷探索中尋求到了強(qiáng)大自身的正確道路。創(chuàng)新是必由之路。在國(guó)家層面實(shí)施的“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略”指引下，相關(guān)主管機(jī)關(guān)、企業(yè)自身都要制定詳細(xì)落地的鼓勵(lì)科技工作者和管理者開展創(chuàng)新的具體措施和方法，投入支持資金，打造創(chuàng)新平臺(tái)，從一點(diǎn)一滴的實(shí)處打造良好的創(chuàng)新氛圍。同時(shí)，任何創(chuàng)新都不是一蹴而就的，在遭遇挫折乃至失敗的情況下，還要允許試錯(cuò)，堅(jiān)持創(chuàng)新，不斷積累技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和管理經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新目標(biāo)。

從技術(shù)和管理兩個(gè)方面持續(xù)開展工作，不斷推進(jìn)成本優(yōu)化和競(jìng)爭(zhēng)力提升。我國(guó)的運(yùn)載火箭研制可以充分借鑒SpaceX公司所采用的一些成功的技術(shù)和管理方法，結(jié)合自身的特點(diǎn)，在這兩個(gè)方面持續(xù)開展工作。我國(guó)的運(yùn)載火箭研制正在開展基于傘降和垂直回收等多種技術(shù)途徑的子級(jí)回收技術(shù)攻關(guān)，并充分繼承既有型號(hào)的模塊化組合，快速形成能力達(dá)標(biāo)、成本低廉的運(yùn)載火箭總體方案，不斷采用新技術(shù)，改進(jìn)和提升地面測(cè)試流程，探索采用商船的海上發(fā)射模式等，這些技術(shù)的探索和應(yīng)用，都使我國(guó)的運(yùn)載火箭有了進(jìn)一步優(yōu)化和降低成本的資本。同時(shí)，在新型運(yùn)載火箭的研制過程中，充分探索和實(shí)踐項(xiàng)目制和商業(yè)市場(chǎng)配套等管理措施，也在通過管理途徑降低成本方面進(jìn)行了不懈的努力。

大力推進(jìn)運(yùn)載火箭產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化。實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭低成本，除了管理模式創(chuàng)新、采用低成本設(shè)計(jì)之外，還需要大力推進(jìn)產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化。我國(guó)運(yùn)載火箭型譜較多，以3.35米芯一級(jí)為例，有CZ-3A系列、CZ-7、CZ-8等多種型號(hào)，不同型號(hào)間狀態(tài)差距較大，很難實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，使得單發(fā)成本居高不下。建議深入推進(jìn)產(chǎn)品化工作，進(jìn)一步優(yōu)化不同型號(hào)的產(chǎn)品狀態(tài)，做到相同直徑部段的通用化設(shè)計(jì)，最大程度為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng)造條件，以利于大幅降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)我國(guó)運(yùn)載火箭的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

運(yùn)載火箭的低成本是企業(yè)發(fā)展的重要前提，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的低成本，應(yīng)該在管理、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等諸多環(huán)節(jié)共同發(fā)力系統(tǒng)解決。運(yùn)載火箭低成本的意義不僅可以推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，提高運(yùn)載火箭在發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，還能顯著提高運(yùn)載火箭企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)狀況，提高盈利能力，進(jìn)而促進(jìn)運(yùn)載火箭研制企業(yè)的研發(fā)能力。但也應(yīng)該正確看待運(yùn)載火箭低成本的實(shí)際狀況，不能一味追求低成本而忽視運(yùn)載火箭的可靠性和技術(shù)先進(jìn)性。

隨著衛(wèi)星等有效載荷的技術(shù)發(fā)展，載荷的成本越來越高，以法爾肯9的運(yùn)載載荷為例，其成本普遍在數(shù)億美元，相對(duì)來說，在發(fā)射服務(wù)費(fèi)用方面降低幾千萬美元，對(duì)于運(yùn)載火箭的選擇并沒有那么敏感，發(fā)射可靠性才是載荷選擇運(yùn)載火箭的首要考慮因素。所以，運(yùn)載火箭研制企業(yè)實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭低成本應(yīng)該更加重視發(fā)射可靠性，而不是以低成本作為打發(fā)射服務(wù)價(jià)格戰(zhàn)的基礎(chǔ)。