基于專利分析的SpaceX公司發(fā)展策略研究

景晨思 佟艷春 曲 晶 馬利娟 董曉軍

北京航天長征科技信息研究所

根據(jù)2022 年全球獨(dú)角獸榜排名，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）全球排名第二，是美國最大的獨(dú)角獸。同時(shí)，SpaceX 公司力壓美國其他軍工相關(guān)企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)，僅2021 年就接到美國國家航空航天局（NASA）約29 億美元的訂單。

SpaceX 公司雖然是一家私營企業(yè)，但其做到了許多國家都做不到的事情。例如，公司已經(jīng)累計(jì)發(fā)射了近2000 顆衛(wèi)星，打造了一個(gè)由低軌道衛(wèi)星星座組成的全球網(wǎng)絡(luò)，開展各種商業(yè)或軍事目的的活動(dòng)。SpaceX公司發(fā)展壯大的核心是技術(shù)創(chuàng)新，而技術(shù)創(chuàng)新的有力后盾就是知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)。其中，專利保護(hù)是國際一流企業(yè)獲取競爭主動(dòng)權(quán)、占據(jù)市場壟斷的有效手段。本文將基于專利的視角①專利數(shù)據(jù)來源于歐洲專利局世界專利數(shù)據(jù)庫、美國專利商標(biāo)數(shù)據(jù)庫，公開日截至2022 年6 月。，研究SpaceX 公司的市場競爭策略，剖析SpaceX 專利保護(hù)與其重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、人才引進(jìn)計(jì)劃和資本運(yùn)作的關(guān)聯(lián)等，供我國商業(yè)航天予以借鑒。

一、SpaceX公司重點(diǎn)項(xiàng)目專利保護(hù)及應(yīng)用分析

SpaceX 公司主要針對“獵鷹”系列火箭和“星鏈”計(jì)劃等重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行了專利保護(hù)。其中，“獵鷹”系列火箭以高可靠性、快速響應(yīng)等能力，有效保障了SpaceX 公司“星鏈”計(jì)劃衛(wèi)星軌道的部署。通過分析SpaceX 公司在“獵鷹”系列火箭、“星鏈”計(jì)劃上應(yīng)用的專利技術(shù)，對其“獵鷹”系列火箭“一箭60 星”的運(yùn)載能力、“星鏈”計(jì)劃的衛(wèi)星堆疊放置，甚至是星箭電氣接口簡化等設(shè)計(jì)理念一探究竟。

1. “獵鷹”系列火箭相關(guān)專利分析

SpaceX 公司的“獵鷹”系列火箭主要包括“獵鷹”9 火箭和“獵鷹”重型火箭，其中，“獵鷹”9 火箭是SpaceX 公司研發(fā)的一款中型、低成本、兩級構(gòu)型的全液體運(yùn)載火箭，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是顯著提升運(yùn)載火箭的可靠性，降低發(fā)射成本。“獵鷹”9 火箭利用二級發(fā)動(dòng)機(jī)多次點(diǎn)火，具備執(zhí)行多個(gè)軌道發(fā)射任務(wù)的能力，已執(zhí)行近地軌道空間站貨運(yùn)/載人、低軌衛(wèi)星通信星座、中軌全球定位系統(tǒng)（GPS）導(dǎo)航衛(wèi)星、高軌通信商業(yè)衛(wèi)星、太陽同步軌道遙感、偵察衛(wèi)星及深空探測器等多種載荷發(fā)射任務(wù)。

“獵鷹”重型火箭則繼承了“獵鷹”9 火箭的成熟技術(shù)，由1 個(gè)強(qiáng)化過的“獵鷹”9 中央芯級與2 個(gè)“獵鷹”9 第一節(jié)捆綁而成，因此推力是“獵鷹”9 火箭的3 倍。用于研制“獵鷹”重型火箭的費(fèi)用大約為5 億美元，每次的發(fā)射費(fèi)用約為9000 萬美元?！矮C鷹”重型火箭全長70 m，寬12.2 m，質(zhì)量為1420.8 t，可送入近地軌道的有效載荷高達(dá)63.8 t。發(fā)射基地為佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地和肯尼迪航天中心，能夠執(zhí)行星際軌道、地球同步轉(zhuǎn)移軌道及近地軌道任務(wù)?！矮C鷹”重型火箭的運(yùn)載能力僅次于當(dāng)年執(zhí)行“阿波羅”計(jì)劃的“土星”5 重型運(yùn)載火箭，“土星”5 重型運(yùn)載火箭載荷能力約140 t。截至2023 年5 月，“獵鷹”重型火箭共完成了6 次發(fā)射任務(wù)。

“獵鷹”系列火箭相關(guān)專利主要分布在火箭的推進(jìn)器領(lǐng)域、材料領(lǐng)域以及電源系統(tǒng)。重點(diǎn)專利技術(shù)對應(yīng)“獵鷹”系列火箭的技術(shù)分布如圖1 所示。

在推進(jìn)器技術(shù)領(lǐng)域，SpaceX 公司只對軸針式噴嘴的冷卻技術(shù)進(jìn)行了保護(hù)。軸針式噴嘴主要應(yīng)用于液體或混合發(fā)動(dòng)機(jī)，而SpaceX 公司“獵鷹”系列火箭的“梅林”發(fā)動(dòng)機(jī)是唯一還在運(yùn)行中的軸針式噴嘴發(fā)動(dòng)機(jī)。SpaceX 公司一直沿用軸針式噴嘴發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率高，容易控制流量，結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定。然而該發(fā)動(dòng)機(jī)也存在缺陷，例如，燃料混合不充分會產(chǎn)生熱能，因此會造成噴嘴下方燒蝕材料的侵蝕和碳化，在使用后必須更換，不能重復(fù)使用。

公開號US7503511B2 的專利解決了相關(guān)問題，具體內(nèi)容如下：雙推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包括在中心通道中流動(dòng)的主推進(jìn)劑、與中心通道大致同軸的第二通道中流動(dòng)的第二推進(jìn)劑和與主通道同軸并圍繞中心室的軸針尖端，中心室側(cè)壁具有穿過其中的多個(gè)孔，使得一些主推進(jìn)劑橫向流動(dòng)于第二推進(jìn)劑之間，離開中心室。所述的軸針尖端具有比主室側(cè)壁厚的次室側(cè)壁，圍繞主室下游的次室，并與主室流體連通。次室側(cè)壁具有穿過次室側(cè)壁的多個(gè)孔，使得一些主推進(jìn)劑橫向流動(dòng)于次通道中，與次推進(jìn)劑一同流出次室。軸針尖端用于混合主推進(jìn)劑和第二推進(jìn)劑。公開號US7503511B2專利如圖2 所示。

在材料技術(shù)領(lǐng)域，SpaceX 公司對激光穿孔金屬蜂窩材料及其制造方法進(jìn)行了專利保護(hù)（公開號US1048638982），技術(shù)方案如下：用黏合劑打印金屬箔卷；對金屬箔卷進(jìn)行激光打孔，使金屬箔卷具有多個(gè)孔；將多個(gè)打印和穿孔的金屬箔卷壓片成為堆疊片材；將金屬箔片層壓成蜂窩狀。在公開的另一個(gè)實(shí)施例中，穿孔金屬蜂窩結(jié)構(gòu)包括多個(gè)激光穿孔的金屬蜂窩結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)孔的孔間尺寸、形狀和間隔是不均勻的。公開號US10486389B2 專利如圖3 所示。

圖3 激光穿孔金屬蜂窩材料圖

在電源技術(shù)領(lǐng)域，SpaceX 公司對預(yù)先分配航天器電池電量儲存進(jìn)行了專利保護(hù)（公開號US20200361637A1），對火箭進(jìn)行電源管理，具體技術(shù)方案如下：航天器從運(yùn)載火箭上發(fā)射之后，可自主從節(jié)電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹碾姞顟B(tài)。公開號US20200361637A1專利如圖4 所示。

圖4 航天器電池儲能示意圖

2. “星鏈”計(jì)劃相關(guān)專利分析

2015 年，SpaceX 公司開始實(shí)施“星鏈”計(jì)劃，致力于提供一個(gè)全球覆蓋、高速度、大容量和低時(shí)延的天基全球通信系統(tǒng)，“星鏈”計(jì)劃的目的是主導(dǎo)全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，同時(shí)“星鏈”計(jì)劃是美國太空戰(zhàn)略計(jì)劃的重中之重。此外，“星鏈”計(jì)劃將對全球5G通信技術(shù)產(chǎn)生重大的影響，無論是在商業(yè)領(lǐng)域還是美國軍方都具有較高的應(yīng)用前景。

“星鏈”計(jì)劃主要為低軌道衛(wèi)星星座的全球覆蓋，其衛(wèi)星星座構(gòu)建主要分為3 個(gè)階段。第一階段，發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量為1584 顆，完成除南北極以外的絕大部分地區(qū)的衛(wèi)星覆蓋；第二階段，發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量為2825顆，完成全球衛(wèi)星覆蓋；第三階段，發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量為7518 顆，降低通信延時(shí)并提供更有針對性的服務(wù)。目前能夠通過公開報(bào)道獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)以及資料僅僅是3 個(gè)階段衛(wèi)星的軌道參數(shù)、衛(wèi)星組合體照片以及星箭分離實(shí)況錄像等，關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)“一箭60 星”等核心技術(shù)的報(bào)道并不多見。因此，通過分析SpaceX 公司申請的相關(guān)專利，可以獲得更為具體的技術(shù)信息。

在天線技術(shù)領(lǐng)域，公開號US20210070477A1 專利對衛(wèi)星星座構(gòu)型進(jìn)行了保護(hù)。該專利提供了一種與低軌通信衛(wèi)星星座通信的方法，包括提供配置用于與衛(wèi)星星座通信的地面終端以及在地面終端和非地球同步衛(wèi)星星座之間建立通信。通過將分析說明書的實(shí)施例與已知的軌道參數(shù)等進(jìn)行比對，推測該專利用于“星鏈”計(jì)劃第三階段衛(wèi)星星座構(gòu)型的可能性較高。第一組衛(wèi)星以第一傾角軌道運(yùn)行，其中，第一組衛(wèi)星中的每一顆衛(wèi)星處于離散的軌道平面，且第一顆衛(wèi)星與最后一顆衛(wèi)星首尾相鄰接，形成圍繞地球運(yùn)動(dòng)的第一組“蛇形”衛(wèi)星，所述的“蛇形”衛(wèi)星包括相鄰軌道上具有相鄰上升結(jié)點(diǎn)衛(wèi)星；各衛(wèi)星組相對赤道以同速率漂移，從星座看向地球，各衛(wèi)星組彼此鎖定、整體相對地球不動(dòng)或以固定速度轉(zhuǎn)動(dòng)。此方案對2000 km 高度以下衛(wèi)星星座均可應(yīng)用。公開號US20210070477A1 專利如圖5 所示。

圖5 衛(wèi)星星座構(gòu)型圖

公開號US20200361637A1 專利不但用于“獵鷹”系列火箭，也是星箭分離的基本方案，火箭在發(fā)射之后自主地將航天器從節(jié)電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹碾姞顟B(tài)?；鸺鶖y帶的衛(wèi)星則分成兩堆堆疊排列，衛(wèi)星不再與火箭連接以獲得供電，而是使用真空檢測裝置；當(dāng)檢測裝置檢測到衛(wèi)星到達(dá)一定高度后，衛(wèi)星自主供配電系統(tǒng)激活，由節(jié)電狀態(tài)轉(zhuǎn)入為耗電狀態(tài)；火箭到達(dá)衛(wèi)星分離位置后，由解鎖裝置釋放衛(wèi)星。

該專利技術(shù)方案采用新型鎖定結(jié)構(gòu)，分層堆疊排列衛(wèi)星，相比于傳統(tǒng)筒形衛(wèi)星適配器壁掛衛(wèi)星的方式，充分利用了整流罩內(nèi)的空間。星箭電氣接口充分簡化，取消星箭間的供電包帶，利用低成本真空檢測裝置實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星供配電系統(tǒng)的自主激活，降低了射前衛(wèi)星測試組裝的成本和復(fù)性，也降低了多星分離相互干擾的風(fēng)險(xiǎn)。

該專利解決了以下技術(shù)問題：取消了火箭和衛(wèi)星之間供電連接的困難，簡化了星箭電氣接口，在沒有包帶連接的情況下，衛(wèi)星保持在低功耗狀態(tài)；由于傳統(tǒng)上使用包帶連接來檢測部署，而本專利使用真空檢測裝置系統(tǒng)，使得衛(wèi)星保持節(jié)電狀態(tài)直到展開，降低了星箭分離前衛(wèi)星測試系統(tǒng)的成本，有序的衛(wèi)星排列方式也降低了多星分離相互干擾的風(fēng)險(xiǎn)。公開號US20200361637A1 專利如圖6 所示。

圖6 星箭分離圖

二、SpaceX公司專利轉(zhuǎn)讓情況分析

SpaceX 公司對其擁有的46 件專利申請進(jìn)行了轉(zhuǎn)讓，轉(zhuǎn)讓專利數(shù)占SpaceX 公司專利申請總數(shù)的一半，具體情況如圖7 所示。專利申請的受讓人包括銀行與技術(shù)類公司，其中，美國銀行作為專利受讓人接收了SpaceX 公司的34 件轉(zhuǎn)讓專利，美國高盛銀行作為專利受讓人接收了SpaceX 公司的2 件專利，法意半導(dǎo)體集團(tuán)作為專利受讓人接收了SpaceX 公司的10 件專利。

圖7 SpaceX公司專利轉(zhuǎn)讓圖

SpaceX 公司專利轉(zhuǎn)讓的目的主要有兩個(gè)：一是將專利申請從無形資產(chǎn)轉(zhuǎn)化為有形資產(chǎn)，為公司進(jìn)一步研發(fā)進(jìn)行融資；二是單純的技術(shù)轉(zhuǎn)讓，授權(quán)研發(fā)或生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品。

SpaceX 公司主要業(yè)務(wù)包括“獵鷹”系列火箭、“龍”飛船、“星鏈”計(jì)劃以及星箭，發(fā)展這4 項(xiàng)業(yè)務(wù)需要大量的資金。SpaceX 公司通過融資獲得了部分資金，融資來源包括權(quán)益融資、合同融資以及債務(wù)融資。2018年，SpaceX 公司與銀行就一筆7.5 億美元的貸款達(dá)成了協(xié)議，后又將金額降低至2.5 億美元。通過分析SpaceX公司專利的轉(zhuǎn)讓情況可知，2018 年其轉(zhuǎn)讓了7 件專利申請，以公開號US10486389B2、US20180241122A1為代表的專利被SpaceX 公司辦理了質(zhì)押手續(xù)，轉(zhuǎn)讓給美國銀行，這與公司和銀行達(dá)成貸款的協(xié)議相吻合。2019 年12 月，SpaceX 公司向美國銀行清還了債務(wù)。2020 年2 月，SpaceX 公司再次將專利轉(zhuǎn)讓給了美國銀行。這表明SpaceX 公司專利價(jià)值度以及利用率很高。

由于SpaceX 公司沒有自己的終端生產(chǎn)線，要將“星鏈”計(jì)劃的客戶連接到其衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，因此，SpaceX 公司只能將自己的專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓給法意半導(dǎo)體集團(tuán)，并以每臺終端2400 美元的價(jià)格，支付給法意半導(dǎo)體集團(tuán)一筆不小的終端制造費(fèi)。法意半導(dǎo)體集團(tuán)幫助SpaceX公司定制生產(chǎn)了終端處理器、GPS 接收機(jī)和射頻組件等元器件。

三、人才引進(jìn)與專利分析

SpaceX 公司引進(jìn)了大批成熟人才，包括2002 年公司成立之初加入的克里斯·湯普森和托馬斯·穆勒，還包括來自微軟技術(shù)許可有限責(zé)任公司同一團(tuán)隊(duì)的馬漢法爾·阿里雷扎和阿帕丁·尼勒。這些優(yōu)秀人才的聚集，使得SpaceX 在較短的時(shí)間里形成了強(qiáng)大的研發(fā)能力，大大縮短了技術(shù)研發(fā)的周期。

其中，托馬斯·穆勒在美國最大的發(fā)動(dòng)機(jī)制造商天合汽車集團(tuán)（TRW）就職15 年，曾參與主持TR-106 發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)，是推進(jìn)系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)師。2002 年穆勒入職SpaceX 公司后，主要對“獵鷹”系列火箭使用的“梅林”發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研制，2003 年10 月首次試車失敗后，經(jīng)過15 個(gè)月的改進(jìn)，迎來了試驗(yàn)成功。此后，“梅林”發(fā)動(dòng)機(jī)用于“獵鷹”1、“獵鷹”9 以及“獵鷹”重型火箭，具有較高的可靠性。托馬斯·穆勒在2005 年申請了名稱為“軸針式噴嘴冷卻技術(shù)”的專利，獲得授權(quán)后，轉(zhuǎn)讓給了SpaceX 公司。

在上述成熟人才中，馬漢法爾·阿里雷扎申請的專利最多，為19 件；阿帕丁·尼勒以及羅德里格斯·德·路易斯申請了13 件專利，專利申請方向?yàn)樘炀€技術(shù)領(lǐng)域或通信技術(shù)領(lǐng)域；托馬斯·穆勒申請了1件專利。分析發(fā)現(xiàn)，這些核心技術(shù)人員在入職SpaceX公司之前，未進(jìn)行專利申請，也沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)專利發(fā)明人跳槽至其他公司并申請專利的情況。這充分表明SpaceX 公司科研人才隊(duì)伍穩(wěn)定，人才流失較少，有效減少了技術(shù)秘密外泄的風(fēng)險(xiǎn)。

四、建議及啟示

SpaceX 公司作為新興的私營航天公司，經(jīng)過20余年的發(fā)展，成功研發(fā)了“獵鷹”系列火箭、“星鏈”計(jì)劃等優(yōu)勢產(chǎn)品，在低成本、高可靠航天發(fā)射等方面形成了絕對優(yōu)勢。在專利保護(hù)方面，SpaceX 公司并不是為了保護(hù)而保護(hù)，而是有思考、有針對性地保護(hù)創(chuàng)新技術(shù)，對其重點(diǎn)創(chuàng)新技術(shù)及項(xiàng)目達(dá)到保護(hù)的同時(shí)，也創(chuàng)造了商業(yè)價(jià)值。

SpaceX 公司核心技術(shù)成員比較穩(wěn)定，為創(chuàng)新技術(shù)的保護(hù)提供了有利的環(huán)境。2002 年埃隆·馬斯克集結(jié)了克里斯·湯普森和托馬斯·穆勒等技術(shù)骨干，開啟了SpaceX 公司的冒險(xiǎn)之旅。這些技術(shù)骨干匯集了波音公司、洛克希德·馬丁公司、諾斯羅普·格魯門公司等傳統(tǒng)航天巨頭的精英，無論是在之前任職的公司還是在SpaceX 公司，都扮演著舉足輕重的角色，創(chuàng)造并掌握了核心技術(shù)。

SpaceX 公司專利申請不多，但是其布局的每一件專利價(jià)值度都很高，針對核心技術(shù)逐步形成專利儲備、構(gòu)建技術(shù)壁壘。有些重點(diǎn)專利，如“星鏈”計(jì)劃相關(guān)專利，擴(kuò)展同族數(shù)量幾十個(gè)，在SpaceX 公司的合作國家和區(qū)域都進(jìn)行了保護(hù)，包括德國、英國、日本以及中國臺灣等，這說明其專利技術(shù)可轉(zhuǎn)化程度高，技術(shù)成熟度較高，可有效地將專利從無形資產(chǎn)轉(zhuǎn)化為有形資產(chǎn)。

綜上，我國商業(yè)航天企業(yè)應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)專利布局，積極地對創(chuàng)新成果進(jìn)行知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)。一方面，專利布局有利于相關(guān)產(chǎn)品及技術(shù)更好地適應(yīng)市場發(fā)展；另一方面，對專利進(jìn)行布局，可促進(jìn)專利轉(zhuǎn)化，使其成為商業(yè)航天的有形資產(chǎn)；另外，不斷完善對核心技術(shù)人員的創(chuàng)新激勵(lì)，也是提升知識產(chǎn)權(quán)質(zhì)量及數(shù)量的先期條件，只有擁有穩(wěn)定的人員構(gòu)成以及處于領(lǐng)域前端的核心技術(shù)，才是商業(yè)航天的生存根本。