SpaceX公司發(fā)展情況分析

楊偉杰 程磊 龐英娜 楊榕 （中國(guó)空間技術(shù)研究院）

美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）是由伊隆·馬斯克（Elon Musk）于2002年創(chuàng)立的私營(yíng)航天企業(yè)，發(fā)展了“獵鷹”（Falcon）系列運(yùn)載火箭、“龍”(Dragon)飛船、“載人龍”(Crew Dragon)飛船、“星鏈”(Starlink)星座等航天系統(tǒng)，業(yè)務(wù)覆蓋發(fā)射服務(wù)、貨物與乘員運(yùn)輸、低軌寬帶通信服務(wù)等領(lǐng)域，取得了多項(xiàng)突破，已經(jīng)成為美國(guó)商業(yè)航天企業(yè)的先鋒力量，為世界航天發(fā)展注入了新的活力。

1 SpaceX公司基本情況

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，以美國(guó)為首的世界航天強(qiáng)國(guó)逐步調(diào)整自身的航天政策，強(qiáng)調(diào)擴(kuò)大國(guó)際合作、增強(qiáng)空間安全及發(fā)展商業(yè)航天。在這一政策的指引下，美國(guó)政府越來(lái)越重視商業(yè)航天發(fā)展對(duì)于整個(gè)航天領(lǐng)域的促進(jìn)作用。在美國(guó)《國(guó)家航天政策》中特別提到“美國(guó)政府將致力于鼓勵(lì)并推動(dòng)美國(guó)商業(yè)航天的發(fā)展，滿(mǎn)足美國(guó)自身的需要、形成全球競(jìng)爭(zhēng)力，加強(qiáng)美國(guó)在新興市場(chǎng)和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)型企業(yè)中的領(lǐng)導(dǎo)地位”。

在此背景下，SpaceX公司于2002年創(chuàng)立，目前擁有員工約6000人；最初主要提供商業(yè)航天發(fā)射服務(wù)，隨后逐步將業(yè)務(wù)擴(kuò)展至載人航天貨物運(yùn)輸和乘員運(yùn)輸、低軌寬帶通信服務(wù)等領(lǐng)域，開(kāi)創(chuàng)了首枚商業(yè)火箭發(fā)射載荷、首次運(yùn)載火箭回收與復(fù)用、首艘商業(yè)貨運(yùn)飛船與“國(guó)際空間站”（ISS）對(duì)接、首艘商業(yè)載人飛船運(yùn)送航天員等，成為世界航天的重要力量。

SpaceX公司的主要里程碑事件如下：

2002年6月，公司注冊(cè)成立；

2006年3月，開(kāi)展首次發(fā)射活動(dòng)，獵鷹－1 火箭首飛任務(wù)失?。?/p>

2006年8月，獲得美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”（COTS）合同；

2008年9月，首次成功發(fā)射獵鷹－1火箭，將載荷送入軌道；

2008年12月，獲得NASA“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”（CRS）合同；

2010年6月，獵鷹－9首次發(fā)射，取得成功；

2010年12月，“龍”飛船首飛成功并安全返回；

2012年5月，“龍”飛船成為首個(gè)與“國(guó)際空間站”對(duì)接的商用航天器；

2014年9月，獲得NASA“商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)”(CCtCap)合同；

2015年12月，獵鷹－9火箭一級(jí)首次陸地回收成功；

2016年4月，獵鷹－9火箭一級(jí)首次海上回收成功；

2017年3月，首枚重復(fù)使用的獵鷹－9火箭一級(jí)成功發(fā)射；

2017年6月，首艘重復(fù)使用的“龍”飛船成功發(fā)射；

2018年2月，“獵 鷹 重 型”（Falcon Heavy）運(yùn)載火箭首飛成功，成為現(xiàn)役運(yùn)載能力最大火箭；

2018年2月，“星鏈”計(jì)劃首批2顆試驗(yàn)星成功發(fā)射；

2019年3月，“載人龍”飛船首飛成功并安全回收；

2019年5月，“星鏈”計(jì)劃首批60顆工作星成功發(fā)射；

2020年5月，“載人龍”飛船首次載人飛行，美國(guó)恢復(fù)載人航天運(yùn)輸能力。

2 SpaceX公司主要業(yè)務(wù)與產(chǎn)品

運(yùn)載火箭

SpaceX公司在美國(guó)政府支持下相繼發(fā)展了獵鷹－1、獵鷹－9、“獵鷹重型”等多型火箭，并正在研制“超重-星艦”（SuperHeavy-Starship）運(yùn)輸系統(tǒng)。SpaceX公司從2013年9月開(kāi)始提供商業(yè)發(fā)射服務(wù)，已發(fā)展成為商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的重要參與者，2018－2020年，SpaceX公司發(fā)射次數(shù)占全美發(fā)射次數(shù)的55%。

獵鷹－1火箭

1）獵鷹－1火箭。獵鷹－1火箭是SpaceX公司借助美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)資助，耗資900萬(wàn)美元研制的小型低成本兩級(jí)運(yùn)載火箭，也是該公司研制的第一型運(yùn)載火箭。箭體全長(zhǎng)21.3m，直徑1.7m，火箭一、二級(jí)均使用液氧/煤油作為推進(jìn)劑，近地軌道（LEO）運(yùn)載能力670kg，可執(zhí)行多星、多軌道發(fā)射任務(wù)。獵鷹－1火箭前3次發(fā)射失利，第4次發(fā)射才取得圓滿(mǎn)成功，在2009年7月14日完成第5次發(fā)射后，未再承擔(dān)任何發(fā)射任務(wù)，目前已經(jīng)退役。但SpaceX公司在獵鷹－1火箭研制過(guò)程中積累的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)都為后續(xù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了重要基礎(chǔ)。

2）獵鷹－9系列火箭。獵鷹－9火箭是一款中型、低成本、兩級(jí)構(gòu)型的運(yùn)載火箭，以液氧/煤油作為推進(jìn)劑，主要執(zhí)行近地軌道空間站貨物/乘員運(yùn)輸、高軌通信衛(wèi)星發(fā)射、太陽(yáng)同步軌道（SSO）遙感衛(wèi)星發(fā)射等多種任務(wù)。獵鷹－9研制時(shí)間為4年半，研制費(fèi)用約3億美元，發(fā)射費(fèi)用約6200萬(wàn)美元。目前，獵鷹－9系列火箭共進(jìn)行了3次較大改進(jìn)，先后形成4種型號(hào)，最新的獵鷹－9 Block5構(gòu)型可實(shí)現(xiàn)LEO軌道22.8t、地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）8.3t的運(yùn)載能力。獵鷹－9系列火箭自2010年首飛至2020年底已完成102次發(fā)射，其中完全成功100次，部分成功1次，失敗1次，發(fā)射成功率為98%。

3）“獵鷹重型”火箭?！矮C鷹重型”由三枚一級(jí)助推器捆綁火箭二級(jí)構(gòu)成，其研制費(fèi)用約為5億美元，發(fā)射費(fèi)用為9000萬(wàn)美元。“獵鷹重型”火箭可實(shí)現(xiàn)近地軌道63.8t，地球同步轉(zhuǎn)移軌道軌道26.7t的運(yùn)載能力。截至2020年底，獵鷹重型火箭共執(zhí)行3次發(fā)射任務(wù)且全部取得成功：2018年2月完成首飛，將一輛特斯拉跑車(chē)送入環(huán)日軌道；2019年4月成功將商業(yè)衛(wèi)星送入GTO軌道；2019年6月成功將23顆衛(wèi)星送入SSO軌道。

獵鷹－9火箭

“獵鷹重型”火箭

4）“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)。SpaceX公司在2016年9月正式對(duì)外公布了“星際運(yùn)輸系統(tǒng)”（ITS），瞄準(zhǔn)人類(lèi)殖民火星以及星際探索，后逐漸演化成“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)為重型運(yùn)輸系統(tǒng)，采用兩級(jí)構(gòu)型，由一級(jí)“超重”和二級(jí)“星艦”組成，使用液氧/ 甲烷推進(jìn)劑。火箭全長(zhǎng)約120m，箭體直徑9m，起飛質(zhì)量5000t，完全重復(fù)使用情況下LEO軌道運(yùn)載能力超過(guò)100t。SpaceX公司從2018年開(kāi)始先后研制3個(gè)系列的試驗(yàn)樣機(jī)并持續(xù)開(kāi)展試飛工作，包括試飛樣機(jī)“跳蟲(chóng)”（Hopper）、全尺寸原型樣機(jī)Mk系列和SN系列。目前已實(shí)現(xiàn)12.5km高度試飛，還需要對(duì)熱防護(hù)、高精度制導(dǎo)等技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。

載人及貨運(yùn)航天器

1）“龍”飛船。NASA為滿(mǎn)足定期向“國(guó)際空間站”運(yùn)送貨物的需求，提出了“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”計(jì)劃，發(fā)展商業(yè)運(yùn)輸服務(wù)和相關(guān)市場(chǎng)。在NASA支持下，SpaceX公司研發(fā)了“龍”飛船，飛船可重復(fù)使用，最大可上行載荷6t，下行載荷3t。NASA向SpaceX公司授出“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同，第一階段合同包括20次補(bǔ)給任務(wù)，2020年3月SpaceX公司已全部完成，2020年12月已啟動(dòng)第二階段“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”。截至2020年底，SpaceX公司利用“龍”飛船執(zhí)行22次“國(guó)際空間站”運(yùn)輸任務(wù)，其中21次取得成功，為“國(guó)際空間站”運(yùn)送超過(guò)40t貨物。

“超重-星艦”運(yùn)輸系統(tǒng)

“龍”飛船

2）“載人龍”飛船。航天飛機(jī)退役后，美國(guó)只能依靠俄羅斯“聯(lián)盟”（Soyuz）飛船執(zhí)行載人航天飛行任務(wù)，為擺脫對(duì)外依賴(lài)，NASA加快推動(dòng)商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)發(fā)展，支持SpaceX公司的“載人龍”飛船和波音公司（Boeing）的CST－100“星際客船”（Starliner）?！拜d人龍”飛船采用兩艙段設(shè)計(jì)方案，獨(dú)立飛行時(shí)可工作1周，對(duì)接狀態(tài)下可工作210天，設(shè)計(jì)最多可搭乘7名航天員，除滿(mǎn)足NASA航天員和貨物運(yùn)輸需求外，剩余運(yùn)力還可用于太空旅游等應(yīng)用。該飛船于2019年3月成功完成無(wú)人飛行試驗(yàn)；于2020年5月開(kāi)啟載人飛行試驗(yàn)，這也是航天飛機(jī)退役后時(shí)隔近9年，美國(guó)再次自主將本國(guó)航天員送入軌道；2020年11月，“載人龍”飛船完成全部認(rèn)證工作，開(kāi)啟首次正式商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)。

低軌通信衛(wèi)星星座

SpaceX公司低軌互聯(lián)網(wǎng)星座項(xiàng)目最早于2015年提出，致力于利用大規(guī)模低軌衛(wèi)星提供全球高速寬帶接入服務(wù)?！靶擎湣庇?jì)劃分為三期建設(shè)，衛(wèi)星總量約12000顆。I 期和 II 期約 4400 顆衛(wèi)星的研制和發(fā)射是最優(yōu)先發(fā)展的工作，III 期 7518 顆衛(wèi)星的部署是未來(lái)規(guī)劃。2020年3月，SpaceX公司再次向美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）申請(qǐng)30000顆低軌衛(wèi)星。

2018年2月，SpaceX公司成功部署2顆試驗(yàn)通信衛(wèi)星；2019年5月，獵鷹-9火箭成功發(fā)射60顆“星鏈”衛(wèi)星，開(kāi)啟大規(guī)模部署；截至2020年底，SpaceX總共通過(guò)17次發(fā)射部署了955顆“星鏈”衛(wèi)星。

3 SpaceX公司發(fā)展分析

借助政府政策支持實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展

“載人龍”飛船

“星鏈”星座示意圖

政府支持對(duì)SpaceX公司發(fā)展起到了至關(guān)重要的推動(dòng)作用。美國(guó)自20世紀(jì)80年代已開(kāi)始引導(dǎo)NASA拓展商業(yè)航天市場(chǎng)，通過(guò)這一策略降低成本、加快技術(shù)創(chuàng)新、提高任務(wù)效率。美國(guó)現(xiàn)行的《國(guó)家航天政策》中確定了商業(yè)航天的發(fā)展方針，即通過(guò)采購(gòu)政策、體制創(chuàng)新來(lái)推動(dòng)商業(yè)航天的發(fā)展。根據(jù)上述政策，SpaceX公司利用獵鷹－9與“龍”飛船等系統(tǒng)為政府提供發(fā)射和運(yùn)輸服務(wù)。

NASA向SpaceX公司提供了技術(shù)轉(zhuǎn)讓?zhuān)ㄩ_(kāi)放技術(shù)資料、派駐技術(shù)人員、轉(zhuǎn)讓專(zhuān)利等。此外，NASA還提供了研發(fā)設(shè)備與試驗(yàn)場(chǎng)地，允許SpaceX公司使用測(cè)試臺(tái)開(kāi)展熱試車(chē)試驗(yàn)；美國(guó)空軍和NASA均將發(fā)射工位租賃給SpaceX公司，為SpaceX公司降低航天活動(dòng)成本提供了條件。

獲得政府和資本市場(chǎng)資金實(shí)現(xiàn)快速成長(zhǎng)

航天是一項(xiàng)高難度、高投入的活動(dòng)，發(fā)展過(guò)程中需要大量資金持續(xù)支持，SpaceX公司的發(fā)展得到了政府合同和資本市場(chǎng)的資金支持。

在政府合同方面，SpaceX公司通過(guò)商業(yè)貨物運(yùn)輸研發(fā)和服務(wù)合同累計(jì)獲得約35.96億美元，通過(guò)商業(yè)乘員運(yùn)輸研發(fā)、認(rèn)證和服務(wù)合同，累計(jì)獲得約31.25億美元。在資本市場(chǎng)，2002年6月，馬斯克利用個(gè)人資產(chǎn)成立了SpaceX公司，隨后他多次追加投資，并在資本市場(chǎng)進(jìn)行了多輪融資。截至2020年底，SpaceX公司通過(guò)39輪融資累計(jì)獲得54.5億美元，公司估值超過(guò)600億美元。在大量資金持續(xù)支持下，SpaceX公司業(yè)務(wù)快速發(fā)展，年收入約30億美元，人均產(chǎn)值達(dá)到50萬(wàn)美元。

依托美國(guó)發(fā)達(dá)的工業(yè)體系實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展

SpaceX公司的發(fā)展離不開(kāi)美國(guó)整個(gè)工業(yè)體系的支持。美國(guó)航天工業(yè)具有最高技術(shù)水平和最完善的產(chǎn)業(yè)鏈，還有眾多經(jīng)驗(yàn)豐富的工程人員。在美國(guó)強(qiáng)大的裝備制造業(yè)和航天工業(yè)的支持下，SpaceX公司的發(fā)展具備了良好的工業(yè)基礎(chǔ)。

例如，SpaceX公司使用的2195鋁鋰合金以及攪拌摩擦焊，不需要像其他國(guó)家航天企業(yè)那樣獨(dú)立研發(fā)工藝與設(shè)備。2195鋁鋰合金早已在美國(guó)航天飛機(jī)外掛燃料箱上使用，而攪拌摩擦焊可以直接購(gòu)買(mǎi)成套設(shè)備，高度發(fā)達(dá)的工業(yè)配套很大程度上降低了火箭的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。SpaceX公司的成功是美國(guó)航天工業(yè)市場(chǎng)造就的，完善的市場(chǎng)體系和良好的市場(chǎng)環(huán)境為SpaceX公司發(fā)展提供了重要的支撐，對(duì)不斷提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和技術(shù)水平，優(yōu)化資源配置發(fā)揮了重要的作用。

營(yíng)造寬容的發(fā)展環(huán)境鼓勵(lì)持續(xù)創(chuàng)新

航天是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的活動(dòng)，美國(guó)為航天企業(yè)發(fā)展?fàn)I造了寬松的環(huán)境。SpaceX公司在研制獵鷹－1火箭過(guò)程中，前三次發(fā)射全部失敗，但馬斯克認(rèn)為，“在我們這里，失敗也是一種選擇。如果沒(méi)有失敗，你就沒(méi)有足夠的創(chuàng)新。”2019年4月20日，SpaceX公司“載人龍”飛船“超級(jí)天龍”（SuperDraco）發(fā)動(dòng)機(jī)在靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)中發(fā)生爆炸，飛船損毀嚴(yán)重，此次事故大大推遲了“載人龍”飛船的任務(wù)進(jìn)度。NASA局長(zhǎng)在聲明中稱(chēng)，“這正是我們需要測(cè)試的原因，我們要從中不斷學(xué)習(xí)，做出必要調(diào)整，安全地推進(jìn)我們的商業(yè)乘員計(jì)劃。”容許試錯(cuò)和失敗的文化對(duì)于鼓勵(lì)創(chuàng)新有積極意義。

構(gòu)建扁平的內(nèi)部管理體系實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)展

SpaceX公司的快速發(fā)展與公司內(nèi)部高效的組織管理體系密不可分。馬斯克根據(jù)在硅谷的創(chuàng)業(yè)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為小型精英化團(tuán)隊(duì)的工作效率和準(zhǔn)確度更高，一個(gè)技術(shù)過(guò)硬的小團(tuán)隊(duì)總是會(huì)打敗技術(shù)中等的大組織。因此，SpaceX公司組建了一支擁有世界級(jí)頂尖技術(shù)水平的精英團(tuán)隊(duì)。

SpaceX公司整體上采用的是扁平化管理結(jié)構(gòu)，以提高公司運(yùn)行的效率，通過(guò)縮短信息鏈條降低溝通成本，既能夠?qū)?chuàng)新的想法和概念及時(shí)傳達(dá)到領(lǐng)導(dǎo)決策層，也能夠使相關(guān)決策及早地傳達(dá)到基層并迅速實(shí)施，同時(shí)還使研發(fā)與生產(chǎn)的聯(lián)系更為緊密。研發(fā)人員在設(shè)計(jì)之初，就會(huì)考慮材料和工藝的可實(shí)現(xiàn)性，隨時(shí)到車(chē)間與生產(chǎn)人員直接溝通，及時(shí)了解相關(guān)技術(shù)是否具備投產(chǎn)條件。事實(shí)證明，管理的扁平化保證了整個(gè)研發(fā)工作團(tuán)隊(duì)的效率，節(jié)約了管理成本。

采用“核心技術(shù)自主研發(fā)、通用技術(shù)大量采購(gòu)”的理念

SpaceX公司對(duì)內(nèi)改變傳統(tǒng)的管理體制、對(duì)外摒棄分包商，降低了成本并提高了工作效率。與多數(shù)宇航制造商不同，SpaceX公司采取自我設(shè)計(jì)、自我生產(chǎn)的方式，火箭、飛船、衛(wèi)星的全部制造和裝配過(guò)程都在一個(gè)廠房?jī)?nèi)完成，這種“垂直集成”方式使得設(shè)計(jì)者和制造技術(shù)人員能更加有效地協(xié)作，加快研制進(jìn)度。同時(shí)，SpaceX公司堅(jiān)持自主研發(fā)核心技術(shù)，自主設(shè)計(jì)、測(cè)試并制造了“灰背隼”（Merlin）系列、“猛禽”（Raptor）系列火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

SpaceX公司在技術(shù)上并不追求最先進(jìn)，而是創(chuàng)造性地大量采用低成本、高可靠的成熟技術(shù)，把目標(biāo)定位在優(yōu)化產(chǎn)品可靠性和安全性的同時(shí)兼顧進(jìn)度和成本。設(shè)計(jì)者不但要在選擇零件時(shí)合理避免昂貴的航天級(jí)產(chǎn)品，而且在運(yùn)行過(guò)程中也盡量尋找低成本的商業(yè)替代品。

4 結(jié)語(yǔ)

SpaceX公司憑借低成本開(kāi)發(fā)理念、持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新，迅速在世界航天領(lǐng)域占有一席之地。美國(guó)政府的政策支持、完善的資本市場(chǎng)和工業(yè)體系為SpaceX公司快速發(fā)展提供了良好基礎(chǔ)，該公司容許失敗的創(chuàng)新文化氛圍、扁平高效的組織管理模式、自主研發(fā)和商業(yè)采購(gòu)并重的發(fā)展理念也為其持續(xù)突破發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，對(duì)我國(guó)航天能力發(fā)展具有重要啟示作用和借鑒意義。