我国为何要大力发展商业航天？先来看SpaceX的一组数据

发布者：老枪火 2024-4-11 11:21

火箭“排队”等发射，你见过吗？

4月2日的《新闻联播》，报道了我国首个商业航天发射场——海南国际商业航天发射中心的“抢手”程度。

发射场还在建设中，多家国内头部商业航天企业就已经开始排队等发射。

看到这则报道，不少人可能会好奇，航天不是“国家队”的事吗？什么是商业航天？

今年，“商业航天”首次写入政府工作报告。我国为何要大力发展商业航天？商业航天驶向星辰大海，又将给我们的生活带来哪些改变？

我国为何要大力发展商业航天？

让我们先从一组数据说起。

2023年，中国航天共实施67次发射任务，发射载荷质量达155吨，研制发射221个航天器。发射次数和发射载荷质量均位居世界第二。

△2023年6月7日，力箭一号遥二运载火箭成功发射，采取“一箭26星”方式，将搭载的试验卫星顺利送入预定轨道。

再来看看第一的成绩，2023年，美国共发射火箭116次，重点是，其中98次都来自一家商业航天公司——美国太空探索技术公司（SpaceX）。

除去2次实验性质的“星舰”发射，2023年，SpaceX旗下“猎鹰9号”和“重型猎鹰”可复用运载火箭共实施96次发射，全部成功，全球占比43%。

2023年，SpaceX发射质量达1195吨，全球占比80%；发射的卫星数量为2514颗（其中“星链”占1948颗），全球占比87%。

惊人的数据，显示着商业航天强大的能量。SpaceX作为私营航天公司，成为美国航天的主力。

所谓“商业航天”，是指以市场为主导、具有商业盈利模式的航天活动。“市场”“商业”“盈利”是关键词。

商业航天最开始出现于21世纪初的美国，当时面对航天发展停滞、发射费用高涨的局面，美国政府有意引导私营航天公司进入航天业，希望它们能带来活力与创新。

经过多年发展，在众多私营航天公司中，马斯克于2002年创立的美国太空探索技术公司（SpaceX）脱颖而出，开创火箭可复用技术，不断迭代突破技术极限，打开了航天业的天花板，也让航天活动的成本跌穿地板。

根据SpaceX官网发布的信息，“猎鹰9号”火箭单次发射成本约3000美元每千克，而在此之前，全球商业航天发射成本在1万至2万美元每千克。按照马斯克的说法，未来“星舰”入役后，要最终实现一天3次发射，每千克发射成本低至200美元的目标。

如今，依托强大的发射能力和低廉的发射成本，SpaceX正在加速打造自己的低轨卫星互联网星座——“星链”。

什么是低轨卫星互联网？打开地图，我们会发现，城市只是一个个散点，大面积的都是野外，在野外都建上基站，维护成本过高，卫星则是更好的办法。通过低轨卫星互联网，能够构建起一个天地互补、全球无缝覆盖的网络环境。

△示意图

它一方面可以解决目前城市基站没有覆盖的人与人之间互联互通的需求，比如飞机旅行、极限探险等场景。

更重要的是，它将瞄准下一代物联网应用，要构建一个万物互联的更智能的世界。比如，在沙漠、海洋等条件恶劣的野外环境，如果网络不再是问题，就可以让工程设备和机器人巡检代替人类的工作。

SpaceX有“星链”，中国也在打造自己的卫星互联网星座。就像虽然已经有成熟的GPS定位系统，中国也要有自己的北斗卫星导航系统，只有这样，在关键时刻才不会受制于人。

首先要考虑的是频轨资源。

联合国下属的国际电信联盟（ITU）规定，卫星频率及轨道按照申报顺序获得优先使用权，也就是先到先得。

根据ITU数据，地球低轨卫星总容量约6万颗，目前各国申报数量已超7万颗。而按照SpaceX的“星链计划”，要在2027年前将4.2万颗卫星送入低轨。

频轨资源有限，中国当然不会坐等他人“跑马圈地”。

2020年，中国向ITU提交了星座频谱申请，计划发射约1.3万颗低轨卫星，代号GW。2021年，中国卫星网络集团有限公司成立。此外，根据公开资料，由上海市政府主导的G60星座也计划发射超万颗低轨卫星。

但提交申请并不意味着一劳永逸，按照ITU规定，如果没有在规定时间内完成发射数量要求，则将被视为放弃轨道使用权。

所以，发射能力就至关重要。

目前，“星链”卫星发射总量已经突破6000颗，在全球低轨卫星总量中占比超过50％。仅2023年，SpaceX就发射了1948颗“星链”卫星。

显而易见，眼下，“星网工程”和G60星座等大规模的建设推进，将释放出巨大的卫星发射需求，而火箭发射能力，已经成为掣肘这些星座计划能否如期实现的关键一环。

再从长远来看，如果SpaceX重型全重复使用火箭“星舰”成功后全面投入市场，并实现航班化发射，可能出现这样一个严峻的情况——全球大部分发射量都由这一家公司创造，而这“大部分”的总费用却比剩余“小部分”的费用更低。这样的情况一旦出现，将为我国航天业发展带来巨大挑战。

为了补齐发射能力的短板，不论是航天国家队还是商业航天，都在积极发力。大家都是中国航天的一分子，无论谁取得突破，都将助力中国航天驶向更广阔的星辰大海。

△2024年1月11日，我国自主研制的全球最大固体运载火箭引力一号成功首飞。

“对国内商业火箭企业来说，未来5到10年是非常重要的战略发展机遇期，我们要加油干，拼命干，抓住这样一个窗口期，也是助力我国夺取未来空天话语权。”蓝箭航天火箭研发部总经理、朱雀三号火箭总指挥戴政这样表示。

2023年，我国商业运载火箭的发射次数和成功率显著提升，共实施发射13次，相比2022年的5次同比增长160%。

截至目前，我国成功将火箭发射入轨的商业火箭企业就包括——星际荣耀、星河动力、蓝箭航天、天兵科技、中科宇航、东方空间。

也许很多人对这些名字还感到陌生，但不妨给予它们更多关注。透过这些充满宇宙浪漫感的名字，我们可以看到中国商业航天逐梦太空的赤子之心。

我国商业火箭

和SpaceX差距有多大？

今年三月，SpaceX对其新型运载火箭“星舰”进行了第三次试射，引发全球关注。

根据SpaceX官网介绍，“星舰”是迄今全球规模最大、运力最强的运载火箭，设计为一二级全重复使用。它的总高度约121米，包括底部“超重型推进器”和顶部飞船。“超重型推进器”配备33台“猛禽”发动机，可产生最大7000多吨的推力。在完全重复使用情况下，运载能力最高为150吨，而在不考虑回收的一次性使用情况下，运载能力最高可达250吨。

这次发射，“星舰”飞船成功入轨，但一级与二级飞船并未成功完成回收试验动作。也就是说，这个人类历史上最大的火箭已经实现入轨，但距离全重复使用目标还有相当一段距离要走。

“星舰”试射如火如荼，许多人想问，我国的商业火箭发展如何？与SpaceX还有多大差距？

戴政从“三步走”的角度解释了我国商业火箭的进度条。

他介绍，SpaceX的火箭研发技术路径，分三步走——

第一步，先研发制造一次性小型火箭，也就是“猎鹰1号”。

第二步，再研发制造部分可重复使用的中大型火箭，也就是“猎鹰9号”。它的起飞质量约550吨，相较“猎鹰1号”翻了约10倍；一级可重复使用，二级一次性使用，是部分重复使用的火箭。2016年，“猎鹰9号”一级实现回收复用，如今，其中单枚火箭一级已经实现19次复用。

第三步，研发制造大型运载火箭系统“星舰”。“星舰”起飞质量超5000吨，相比“猎鹰9号”又翻了约10倍。在可复用能力上也进一步“加码”，一级和二级飞船均可重复使用，是全重复使用的火箭。

无论是美国还是我国的商业火箭企业，也都在不约而同地延续这样的“三步走”。

2023年4月，天兵科技研制的“天龙二号”液体运载火箭成功首飞。

△2023年4月2日，天龙二号遥一运载火箭发射成功。

2023年7月，蓝箭航天朱雀二号遥二运载火箭发射取得圆满成功，摘得全球首枚成功入轨液氧甲烷火箭的桂冠。

液氧甲烷是目前全球商业航天企业公认的未来低成本商业火箭的主流推进剂，“星舰”使用的也是液氧甲烷发动机。

△2023年7月12日，朱雀二号遥二运载火箭发射成功。

可以说，我国民营火箭企业已经跨过了第一步，如今正在迈向第二步，即研发一款一级可重复使用的运载火箭。

根据天兵科技的公开信息，旗下直接对标SpaceX猎鹰9号的“天龙三号”计划今年7月首飞，火箭一子级具备可自主返回、重复使用的能力。

蓝箭航天的朱雀三号计划明年首飞，它同样定位为大型可复用液氧甲烷运载火箭，一子级设计复用次数不少于20次。未来它的发射成本将下降到每公斤2万元以下，相比目前国内民营火箭每公斤约8万至11万元大幅降低。

此外，民营火箭企业在研的可重复使用火箭还有东方空间的引力二号、星河动力的智神星一号等多个型号。

那么，要跨过第二步，实现火箭回收，难度究竟有多大？

戴政打了这么一个比方，“让运载火箭从100多公里的高度落回到半个足球场大的场坪，就像在十层楼拿一支笔，将它精确地投到放在楼下的笔筒里。”

首先要解决的是发动机推力调节问题。

传统火箭发动机的推力不可调节，一旦点着，就按照额定推力工作，而可回收火箭的发动机要能够调节推力。因为火箭的一二级分离后，回收的一级需要重新点火，如果推力一成不变，无法根据火箭自身重量的变化来调整，火箭就无法实现回收。

“不变的”变成“可变的”，涉及到发动机设计理念的变化，要解决一系列关键技术问题。

接下来，还要解决控制系统和发动机调推特性的匹配。

就像开油车踩油门时会有一定延迟，控制系统下达指令后，火箭发动机的推力调节也会有一定延迟。那么，就像司机要根据汽车的特性决定踩刹车和油门的时机，从而把汽车开好，火箭的控制系统也要学会根据发动机的推力调节特性来智能控制。

如何判断这一系列技术和算法有没有达标呢？可以先来几次“模拟考”。

在一枚可重复使用火箭真正发射之前，可以先使用实验箭在低空低速状态下，对相关技术进行验证。这个过程也被形象地称为“蚱蜢跳”。

2024年1月19日，朱雀三号进行了首次“蚱蜢跳”，飞行高度约350米，着陆位置精度约2.4米。这也验证了在低空低速状态下，朱雀三号的火箭垂直回收发动机调节能力、控制系统与发动机调推性能的匹配性以及火箭垂直回收的制导控制算法。

△2024年1月19日，朱雀三号火箭完成首次大型垂直起降飞行试验。

模拟考必不可少，但也不能总是停留在模拟考，因为火箭在“蚱蜢跳”的低空低速状态下能够回收，并不能验证火箭在入轨高度和速度上也能够回收。

所以，在进行几次模拟考之后，火箭公司往往会直接开展入轨发射任务，搭载有效载荷，挣钱的同时，也在“实战”状态下，验证一级回收能力。如果一次不行，就根据实飞数据来改进技术和算法，之后再进行下一次，不断接近目标，直到成功。这也是SpaceX的技术路径。

戴政介绍，2025年6月，朱雀三号将首飞。“它会经历多少次发射才能成功把一级收回来，这不好预测，顺利的话，预计2025年底能够实现回收。”

同时，我们也要意识到，可重复使用火箭不仅是纯粹的技术问题，还涉及到跨过“盈亏平衡点”的经济问题。

做重复使用火箭，根本目标是为了降低发射成本。如果火箭一级要能够回收，就意味着一级的燃料不能全部消耗掉，而要预留一部分用于在坠落过程中再次点火减速，并把火箭控制到回收场精确着陆。燃料不能完全燃烧，实力有所保留，也就意味着运载能力相比一次性使用状态一定会有所下降。

商业火箭企业靠卖运载能力赚钱，如果回收回来的火箭价值，抵不上火箭运载能力的损失，做这件事的成本就大于收益，火箭回收也就失去了意义。

所以对于可回收火箭来说，运载损失要控制在一定比例之下。规律是，火箭越大，可回收状态相比一次性使用状态，损失比例越小，越有可能跨过盈亏平衡点，甚至大幅降低成本。而要造出更大的火箭，也要攻克一系列技术难题。

“我们正在走第二步，SpaceX的第三步已经走了一半。”戴政坦言差距，但并不气馁，“虽然它在前面跑，我们在后面追赶，但我们还看得到它，而且我们跑的速度比它快，差距会不断缩小。我们的劣势是起步比较晚，但有很多方面的优势。”

奋起直追

我国发展商业航天有何优势？

首先是中国工业基础的优势。

△朱雀二号运载火箭总装现场

航天产业是一个大型系统工程，要用到各种各样的材料和工业技术，所以对一个国家来说，工业品类越齐全，就越利于航天业的发展。

而中国正是一个制造大国，拥有联合国产业分类中的全部工业门类。不论是材料还是工艺，应有尽有，且具有价格优势。这是众多跨国企业来中国建厂的原因，也是中国制造能一次又一次将工业品价格“打下来”的底气。手机、电动汽车、光伏，类似的情况在很多行业都在发生。植根于如此强大的工业能力，中国的商业航天也能够发展成为具有全球竞争力的行业。

此外，我国还具备人才优势。

我国非常重视理工科教育，培养了大量工程师，这些人才进入中国庞大的工业产业链条中，将持续为航天业发展助力。

同时，政策利好也在加速释放。

事实上，中国商业航天一路走来，离不开国家政策的牵引和支持。

早在2015年10月，国家发改委、财政部、国防科工局就联合印发了《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015年—2025年）》，提出探索国家民用空间基础设施市场化、商业化发展新机制，支持和引导社会资本参与国家民用空间基础设施建设和应用开发。

政策利好下，国内一批体制内航天人下海创业，第一批商业航天企业就此诞生。2015年也成为“商业航天元年”。

到了2019年，国防科工局、中央军委装备发展部发布《关于促进商业运载火箭规范有序发展的通知》，鼓励商业运载火箭健康有序发展，以进一步降低进入空间成本，补充和丰富进入太空的途径。

如今，经过近10年发展，业内普遍认为，商业航天已经走过了“从0到1”的“拓荒”阶段，进入拼硬实力的成长阶段。

进入新阶段，国家和地方政策也在不断加码助力，推动商业航天进入新一轮高速发展期。

2024年政府工作报告强调，积极打造生物制造、商业航天、低空经济等新增长引擎。这是“商业航天”首次写入政府工作报告。

此前在2023年底召开的中央经济工作会议上，也提到上述三个产业。会议表示，打造生物制造、商业航天、低空经济等若干战略性新兴产业。

目前，北京、上海、海南、安徽等地，纷纷出台相关政策鼓励形成商业航天产业集群。以北京为例，这里不仅成立了可重复使用火箭技术创新中心，加速星箭关键核心技术攻关，还推动建设火箭大街、卫星小镇等产业集聚区。