航天發(fā)射領(lǐng)域突破性發(fā)展趨勢分析

常建龍 段心磊 邵旭東 趙永娟 張鵬飛 韓冰

摘要：隨著通信及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以小衛(wèi)星組網(wǎng)為基礎(chǔ)的天基互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式成為世界航天大國爭相發(fā)展下一個熱點(diǎn)，本文以克里斯坦森的突破性發(fā)展趨勢分析方法為基礎(chǔ)，在當(dāng)前航天發(fā)射市場需求變革的背景下，對比固體運(yùn)載火箭與傳統(tǒng)液體火箭的優(yōu)勢與劣勢，認(rèn)為固體運(yùn)載火箭將以其快速性、易用性帶來航天發(fā)射市場的突破性發(fā)展。

Abstract： With the development of communications and Internet technology， the space-based Internet application model based on small satellite networking has become the next hot spot for the development of the world's space powers. This article is based on Christensen's breakthrough development trend analysis method. In the context of the current demand changes in the space launch market， comparing the advantages and disadvantages of solid launch vehicles with traditional liquid rockets， it is believed that solid launch vehicles will bring about a breakthrough in the space launch market with its rapidity and ease of use.

關(guān)鍵詞：突破性發(fā)展趨勢;航天發(fā)射;固體火箭

Key words： breakthrough development trend;space launch;solid rocket

中圖分類號：V4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）20-0212-02

0? 引言

基于衛(wèi)星組網(wǎng)形成的天基衛(wèi)星網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)信息流互聯(lián)，將海陸空三方信息融合[1]，使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以在戰(zhàn)場上更加快速地搜集戰(zhàn)略情報(bào)，更加準(zhǔn)確地感知戰(zhàn)場態(tài)勢。

火箭發(fā)動機(jī)的種類有液體火箭發(fā)動機(jī)和固體火箭發(fā)動機(jī)等。固體火箭發(fā)動機(jī)與液體相比其體積較小，但更容易提供穩(wěn)定的大推力，發(fā)射操作也更加簡單?；诮陙砗教炜萍嫉陌l(fā)展形勢，作為將中小型衛(wèi)星快速送入預(yù)定軌道的運(yùn)載工具，固體小型運(yùn)載火箭依靠其簡單結(jié)構(gòu)、成本較低、可靠性高以及極強(qiáng)的機(jī)動性等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。

現(xiàn)如今，太空探索已經(jīng)是眾多企業(yè)的一項(xiàng)業(yè)務(wù)，固體運(yùn)載火箭和小衛(wèi)星組網(wǎng)的結(jié)合已經(jīng)踏入商用領(lǐng)域[2]。固體燃料在同等造價(jià)下，能夠提供比液體燃料更大的推力，使用固體發(fā)動機(jī)也有助于減輕火箭總體質(zhì)量[3]。因此固體小型運(yùn)載火箭是目前空間運(yùn)輸火箭發(fā)展的一個重要方向，具有廣闊的發(fā)展前景和用途。

同時，由于固體火箭發(fā)射成本的降低，會推動小衛(wèi)星的規(guī)?；l(fā)展，能夠滿足未來高效、倉儲化、廉價(jià)、規(guī)?；?、小型化的小衛(wèi)星戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用需求，具有良好的市場前景[4]。

歷經(jīng)40多年的建設(shè)和發(fā)展，我國的固體火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)達(dá)到了較高的水平。未來，小型固體運(yùn)載火箭和小衛(wèi)星的結(jié)合或許將成為開發(fā)宇宙空間的重要戰(zhàn)略平臺[5]。

1? 突破性發(fā)展趨勢分析方法

1.1 突破性發(fā)展趨勢分析方法的背景

20世紀(jì)末，大量在傳統(tǒng)領(lǐng)域領(lǐng)先的企業(yè)在面對技術(shù)變革與市場變化時被迅速淘汰或淪為二流企業(yè)。有部分優(yōu)秀企業(yè)，其本身管理并未出現(xiàn)問題，僅僅因忽略或錯誤評估行業(yè)的發(fā)展趨勢便在短短時間內(nèi)破產(chǎn)重組，這種現(xiàn)象令管理業(yè)內(nèi)人士困惑不解。管理學(xué)業(yè)內(nèi)人士提出了多種解釋試圖分析此類企業(yè)衰落的共性。其中哈佛商學(xué)院克里斯坦森將行業(yè)技術(shù)發(fā)展分為“延續(xù)性技術(shù)”與“突破性技術(shù)”，并認(rèn)為一些優(yōu)秀企業(yè)之所以快速被行業(yè)所拋棄，正是沒有正確應(yīng)對行業(yè)中突破性技術(shù)的發(fā)展，突破性技術(shù)帶來了行業(yè)發(fā)展趨勢的突破性，造成了行業(yè)企業(yè)的洗牌。

本文基于克里斯坦森針對商業(yè)市場突破性發(fā)展趨勢的分析方法，針對商業(yè)航天發(fā)射領(lǐng)域中的突破性技術(shù)開展分析，預(yù)測運(yùn)載火箭發(fā)展中的突破性趨勢。

1.2 突破性發(fā)展趨勢分析方法

要針對商業(yè)市場的突破性發(fā)展趨勢開展分析，首先必須明晰其突破性發(fā)展產(chǎn)生的機(jī)理：①突破性發(fā)展趨勢往往是由市場中突破性產(chǎn)品的暢銷而導(dǎo)致的。②突破性產(chǎn)品均采用了在主流市場不被廣泛認(rèn)可的突破性技術(shù)。③突破性產(chǎn)品由于采用突破性創(chuàng)新技術(shù)，在初期往往會造成性能降低，但由于其擁有非主流客戶所重視的價(jià)值，在新生市場或邊緣市場上得以生存。④突破性產(chǎn)品最終的暢銷是隨著技術(shù)的發(fā)展其性能逐步提升，具備了滿足主流市場用戶需求的能力，同時依靠其不同于傳統(tǒng)產(chǎn)品的特點(diǎn)在主流市場上具備了強(qiáng)大的競爭力。

開展突破性趨勢分析的前提是必須明確何為突破性創(chuàng)新技術(shù)。一般而言，技術(shù)對何種性能進(jìn)行改善，是區(qū)分“延續(xù)性創(chuàng)新技術(shù)”與“突破性創(chuàng)新技術(shù)”的唯一標(biāo)準(zhǔn)。若技術(shù)著眼于改善主流客戶所重視的產(chǎn)品指標(biāo)，則此種技術(shù)被稱為“延續(xù)性創(chuàng)新技術(shù)”;若技術(shù)改善的性能指標(biāo)不被主流市場認(rèn)可，反而在邊緣市場受到歡迎，則可被稱為“突破性創(chuàng)新技術(shù)”。

突破性產(chǎn)品由于采用突破性創(chuàng)新技術(shù)可能會造成性能降低，其誕生初期最大的問題是如何尋找到認(rèn)可其價(jià)值的市場;突破性產(chǎn)品的進(jìn)一步發(fā)展需要行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，并且進(jìn)步的速度需快于市場需求的提升。突破性產(chǎn)品性能滿足主流市場需要時，其即具備了從邊緣市場進(jìn)入主流市場的能力。

突破性產(chǎn)品在新生市場或邊緣市場的主導(dǎo)地位并不能影響主流市場的發(fā)展趨勢，所以，開展行業(yè)突破性發(fā)展趨勢分析主要有以下步驟：①尋找行業(yè)內(nèi)突破性技術(shù)及產(chǎn)品，分析其優(yōu)勢及劣勢;②尋找并重視突破性產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)，使其在市場中得以生存;③評估突破性產(chǎn)品性能發(fā)展趨勢及主流市場用戶需求發(fā)展趨勢，判斷突破性產(chǎn)品性能是否能夠滿足主流用戶市場需求;④對比分析主流產(chǎn)品與突破性產(chǎn)品，判斷其是否可帶來行業(yè)的突破性發(fā)展趨勢。

2? 固體運(yùn)載火箭的突破性

目前世界商業(yè)航天發(fā)射市場中主流產(chǎn)品均為一次性的化學(xué)能運(yùn)載火箭，在我國，航天發(fā)射基本均選用長征二號丙、丁等系列液體運(yùn)載火箭，固體運(yùn)載火箭仍處于邊緣行列。

2010年開始，我國陸續(xù)啟動多型固體運(yùn)載火箭的研制工作。由于采用固體發(fā)動機(jī)，火箭結(jié)構(gòu)簡單、可長期貯存、售價(jià)低，且因不需要射前加注燃料，原則上不受發(fā)射工位約束，可支持超高密度的快速發(fā)射，是一種典型的突破性產(chǎn)品。

但由于受到我國固體動力技術(shù)發(fā)展的制約，目前我國市面上主流固體運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的液體火箭，如長征十一號運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力為500kg/500km，無法滿足主流發(fā)射市場的需求;且每公斤載荷的成本是液體火箭的一倍左右，在主流市場上尚不具備競爭能力。

近年來，衛(wèi)星制造的成本隨著技術(shù)發(fā)展而逐漸降低，釋放了科研機(jī)構(gòu)、中小型企業(yè)對衛(wèi)星的需求。但其中重量低于500kg的小衛(wèi)星占據(jù)所有衛(wèi)星數(shù)量的60%以上，且微納衛(wèi)星居多。此類衛(wèi)星的研制機(jī)構(gòu)往往無力承擔(dān)動輒幾個億的中、大型火箭，同時由于科研周期或融資周期等因素，對發(fā)射服務(wù)的時效性要求較高。而執(zhí)行國家任務(wù)的火箭周期一般以年計(jì)算，雙方需求無法契合。此時，可快速履約、高密度發(fā)射的固體運(yùn)載火箭受到小衛(wèi)星發(fā)射市場的青睞。

3? 航天發(fā)射市場需求趨勢分析

目前世界各國航天發(fā)射市場仍是以國家任務(wù)為主，而商業(yè)任務(wù)體量較小，處于萌芽階段。以我國為例，衛(wèi)星發(fā)射市場的主流載荷仍是以“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)為代表，任務(wù)需求與固體運(yùn)載火箭能力相去較遠(yuǎn)，因此通常采用大型長征系列火箭執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。

但是隨著衛(wèi)星的載荷微型化發(fā)展趨勢，目前世界各國衛(wèi)星發(fā)射呈現(xiàn)出“小衛(wèi)星、大組網(wǎng)”的“互聯(lián)網(wǎng)+”新型運(yùn)營模式，對火箭的需求遵循著“功能選擇-性能選擇-可靠性選擇-價(jià)格選擇-便易性選擇”的規(guī)律，從性能逐漸向著火箭可靠性、快速性等方面轉(zhuǎn)變。

SpaceX公司于2017年提出星鏈計(jì)劃，將發(fā)射12000顆低軌衛(wèi)星以向全球提供高速寬帶接入服務(wù)，同時借此推進(jìn)美國空軍天基互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的實(shí)施;2019年5月，SpaceX使用獵鷹-9號運(yùn)載火箭成功發(fā)射其星座的首批60顆衛(wèi)星，單星重量227kg。此外，我國“鴻雁”等低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)通信星座項(xiàng)目計(jì)劃在未來部署200-600顆小型衛(wèi)星，在天基互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。

西歐各國作為傳統(tǒng)航天強(qiáng)國，歷來重視小衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用。歐盟《歐洲空間技術(shù)發(fā)展優(yōu)先級于路線圖（2018-2030）》對歐洲小衛(wèi)星發(fā)展提出了明確規(guī)劃，2021年完成小衛(wèi)星星座在氣候監(jiān)視、能源安全和智能交通等方面應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究。在此趨勢下，固體運(yùn)載火箭的能力將逐漸接近與主流用戶需求。

4? 固體運(yùn)載火箭的發(fā)展趨勢

固體運(yùn)載火箭牽引了固體動力技術(shù)的發(fā)展，正在研制中的快舟十一運(yùn)載火箭運(yùn)載能力預(yù)計(jì)為1噸左右，已站在了主流市場的門檻處，而航天科技集團(tuán)200噸推力固體發(fā)動機(jī)的成功試車，推動著新研制的長征十一甲運(yùn)載火箭的能力大幅提升，預(yù)計(jì)將達(dá)到長征十一運(yùn)載火箭能力的三倍，其運(yùn)載能力已于國際上主流固體運(yùn)載火箭如金牛座持平，可滿足主流市場用戶的基本需求。

隨著2019年我國首次運(yùn)載火箭海上發(fā)射飛行試驗(yàn)的成功，又為固體火箭帶來了兩大優(yōu)勢：

①我國長征系列固體運(yùn)載火箭同時具備海、陸雙模式發(fā)射能力，進(jìn)一步降低了對發(fā)射場的依賴，可通過改造現(xiàn)有大型船舶，在短時間內(nèi)具備同時執(zhí)行多次發(fā)射任務(wù)的能力。②海上發(fā)射固體運(yùn)載火箭可通過船舶航行調(diào)整發(fā)射點(diǎn)，具備將低傾角、零傾角衛(wèi)星送上太空的能力，這與天基互聯(lián)網(wǎng)星座需求不謀而合。

5? 中、大型運(yùn)載火箭在小衛(wèi)星發(fā)射市場的困境

長征二號、三號系列火箭目前主要執(zhí)行國家任務(wù)，僅在運(yùn)載能力有一定富裕時，會遴選部分符合需求的中小型衛(wèi)星進(jìn)行搭載發(fā)射;由于液體火箭必須在發(fā)射場的特定工位執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，且在發(fā)射后必須對發(fā)射臺架進(jìn)行檢修，發(fā)射密度受到嚴(yán)重制約，全年發(fā)射次數(shù)有限，無力執(zhí)行商業(yè)發(fā)射任務(wù)。

對于中大型運(yùn)載火箭搭載發(fā)射，無論衛(wèi)星大小，每顆衛(wèi)星均需要開展星箭接口協(xié)調(diào)，重新調(diào)整衛(wèi)星布局，明確星箭機(jī)械電氣接口和電磁兼容性等內(nèi)容。協(xié)調(diào)量隨著衛(wèi)星數(shù)量的增加而增加，會耗費(fèi)較長的準(zhǔn)備周期并造成資源的大量占用。但由于小衛(wèi)星每次發(fā)射的數(shù)量多，以目前商業(yè)航天市場按載荷重量計(jì)算發(fā)射費(fèi)用的方式，其對火箭產(chǎn)品的效益有限，有時竟難以彌補(bǔ)人員費(fèi)用。因此，中大型運(yùn)載火箭難以執(zhí)行商業(yè)搭載發(fā)射任務(wù)。

6? 結(jié)束語

當(dāng)前的航天應(yīng)用市場呈現(xiàn)出“航天技術(shù)”與“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”深度融合的趨勢，天基互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等概念的提出與實(shí)施帶動著小衛(wèi)星組網(wǎng)的迅速方向發(fā)展，對運(yùn)載火箭的快速性、可靠性的重視程度逐年上升;市場需求的變化為固體運(yùn)載火箭及航天發(fā)射市場的突破性發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。同時，固體動力技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，固體運(yùn)載火箭能力的提升進(jìn)一步契合了主流用戶的需求。固體運(yùn)載火箭將以其可靠、便捷的特點(diǎn)，必將推動航天發(fā)射領(lǐng)域的新發(fā)展。

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