进击吧,民营航天!
发布时间:2019-08-02
出品:科普中国
制作:太空精酿
监制:中国科学院计算机网络信息中心

    北京时间201972513时,北京星际荣耀空间科技有限公司的“双曲线一号”火箭在酒泉卫星发射中心成功发射。中国民营火箭公司在经历了蓝箭航天“朱雀一号”、零壹空间“OS-M”和亚轨道试验、星际荣耀“双曲线一号S”亚轨道试验等多次尝试后,终于实现了首次成功入轨,为中国民营火箭公司实现了一大突破。 

    


双曲线一号火箭发射现场(图源:新华视点) 

    

  一、意义如何 

    

    此次发射的“双曲线一号”是一种四级串联、长20米、直径1.4米、起飞总重31吨、近地轨道运力300千克的小型固体燃料火箭[1]。一方面,从表面指标来看,类似固体燃料火箭中,它和航天科技集团的捷龙一号(在研)和航天科工集团的快舟一号各项数据已经比较接近,是相当大的突破。但另一方面,它比起航天科技集团长征十一号和航天科工集团的快舟十一号固体燃料火箭依然有不少的差距。比起同为民营航天的国际同行SpaceX,则还不是一个量级。后者的猎鹰九号大获成功,获得了美国一半以上火箭发射订单。猎鹰重型火箭更是现役世界最强火箭,理论上可运送64吨至近地轨道,且可实现火箭芯一级、两个助推器和两片整流罩的回收,总费用甚至低于一枚传统的中型火箭。总体而言,作为中国民营火箭公司首次入轨火箭,“双曲线一号”是“小荷才露尖尖角”。 


双曲线一号运输过程艺术效果图(图源:星际荣耀) 

    

    大家都对“两弹一星”事业的难度和成就有所了解,但可能不知道,运载火箭是支撑 “两弹一星”技术的核心之一。它的研发难度巨大,需要的分系统过多。研制一枚火箭,需要总体设计、推进/动力系统、气动设计、结构设计、燃料系统、电气总体、飞控软件、装配制造等诸多方面。例如单独一个固体燃料火箭的固体装药问题,就需要多年的军工技术发展,甚至需要大国工匠的手工雕刻技术。对于航天产品,长长的供应链管理和严苛质量控制等管理技术,也需要长期积累。此外,还需要发射场系统、遥控测控系统、飞行控制系统等核心环节,这些环节靠民营公司几乎是无法独立完成的。 

    因而,对于我国而言,这枚火箭最大的意义并不在于技术上的成就,而在于它实现了一次从01的重大突破,可以说开启了中国民营航天乃至整个中国商业航天的新篇章 

    

  二、从美国商业航天谈起 

    

    谈起商业航天,肯定需要先从美国谈起。上世纪末,随着人类航天事业的发展、尤其是冷战之后,以美国为主的航天大国开始倾向于发展体制更灵活、资金效率更高、技术迭代更快的商业航天事业。1984年美国通过了对后来影响深远的《空间商业发射法案》,放开火箭发射业务给商业公司。后来经过了挑战者号航天飞机失败、七名宇航员牺牲的重大打击,以及一系列火箭发射失败,商业航天并没有像想象中那么成功。进入21世纪后,美国商业航天发展才在政府扶植下加速。2015年奥巴马政府通过了《关于促进私营航天竞争力、推进创业的法案》和《商业航天发射竞争法案》,为商业航天发展扫清障碍。而2017年特朗普政府则在历史上第三次建立了美国国家航天委员会,由副总统挂帅、直接向总统负责。国家航天委员会在美国航天历史上有着重要地位:第一次建立时主要为了建立NASA和相关科研机构院所,第二次建立主要为了轰轰烈烈的冷战高峰苏美“星球大战”。而这次建立的核心任务之一,就是在政治、经济、技术方面全面推进商业航天的发展。 


SpaceX的绝活火箭一级回收技术(图源:SpaceX 

    

    因而,这些年看到美国商业航天公司SpaceXBlue OriginOrbital ATKSNCOneWebBigelowPlanet Labs等的巨大成功,也就不足为奇。尤其是这些公司发展出的很多创新技术,例如火箭回收、整流罩回收、大推力液氧甲烷火箭发动机、可复用货运/载人飞船、充气式/柔性空间站舱段、小卫星星座等,已经不能用“对NASA航天技术的补充”来形容,而变成了不折不扣“青出于蓝而胜于蓝”,为美国航天发展做出了巨大贡献。而在经济效益上,这些公司已经开始大量拿到美国本土之外订单,例如SpaceX2014年后实现稳定频率发射后已经开始逐步盈利,这些盈利又进一步促进研发投入增加、开发更新技术,从而实现良好循环。 

    

  三、中国商业航天伊始 

    

    中国航天的科研和生产制造主力一直是巨型央企航天科技集团,拥有运载火箭研究院、空间技术研究院、上海航天技术研究院等核心院所,可以说撑起了我国过去几十年航天发展,例如载人航天(神舟、天宫、天舟等)、北斗卫星导航系统、嫦娥探月、高分系列等重大关乎国计民生的航天工程。此外,航天科工集团、中科院、各大高校院所等也共同参与。但毫无疑问,这一切都带有鲜明的“国”字头意味。实际上,这些重大工程往往需要耗费大量资金、人力和资源,也只有可能国家来举国之力“埋单”,这对于阿波罗登月、航天飞机时代的美国是一样的。投入国家级能力实现各种技术从01的突破,也是我国基于国情的正确选择,实际的中国航天飞跃式发展也印证了这一点,集中力量办大事! 

    

中国北斗系统2018年实现了“11018星”的奇迹,是中国航天飞跃式发展的最好例证(图源:北斗办) 

    

    但随着世界范围内的商业航天发展,尤其是各种民营航天企业产业化应用带来的丰厚回报,让很多航天机构都大吃一惊。我国也需要开始大力发展商业航天,利用社会资本的力量促进航天发展,无疑是这个行业实现跨越式发展的“一大步”。 

    在这种情况下,中国商业航天真正意义上起步于2015年,是年1029日国务院公布了《关于印发国家民用空间基础设施中长期发展规划(20152025年)的通知》。2016年,国务院新闻办公室发布的《2016中国的航天》白皮书则突出强调“鼓励引导民间资本和社会力量有序参与航天科研生产、空间基础设施建设、空间信息产品服务、卫星运营等航天活动,大力发展商业航天[2]。从另一方面,党的十八大以来,军民融合全面上升为国家战略,这一重大战略布局也给商业航天发展提供了政策法规和指导方针。 

    因而,近几年各种民营商业航天公司如雨后春笋般建立并崛起,它们迅速吸纳了大量社会投资进入这个“新秀行业”。单在2018年,就实现了36笔、笔均达到1亿元人民币的融资[3]。航天科技集团和航天科工集团也开始踏足这片红海,先后投入并成立了低轨卫星通信应用、商业运载火箭等商业航天公司。目前,全国拥有至少100多家商业/民营航天企业,他们覆盖了航天器制造、发射、运营、测控、服务等各个方面,且这个数据还在不断攀升。在所有的公司之中,像星际荣耀这类民营火箭公司无疑是最大的亮点。 

     

  四、到底怎么商业? 

    

    商业航天其实就是一个目的:赚钱! 

    但关键在于如何赚到钱,对于航天这个资金技术密集型的高风险、超长回报周期行业而言更是如此。早在起步阶段,商业航天企业就需要巨大的资金和高技术的人力投入,且要面临着巨大的风险,甚至连中美俄欧这些“国家队”的火箭研制过程都无法避免。而即便成功之后,以火箭发射为例,目前来看,它的总市场空间恐怕没想象中大。 

    星际荣耀双曲线一号火箭成熟后的报价大约是“500公里地球同步轨道、260千克运力,整枚火箭3500万人民币”[4],这个价格低于美国同类小型运载火箭Electron的报价(150-225千克,600万美元),甚至与SpaceX火箭发射的常规单价报价接近。但是,中国每年的火箭发射次数约在30次级别,几乎都由长征火箭家族完成,且从任务性质和任务难度上讲,这是个小型民营火箭不可能参与竞争的“存量市场”。而按照星际荣耀的说法,明年实现5次发射、未来争取做到每年20次的“巨大成功”。这也仅是个数亿的营业额而已,甚至比不过一个城市中大型商场的营业额,利润可想而知。而火箭公司面对的技术风险和激烈竞争,则是非常夸张的。中国目前有10余家火箭公司,但未来的火箭发射市场恐怕只能容得下1-2家,且一旦发生一次火箭发射失败对公司都会影响巨大。更何况,如何在不可能动摇的“存量市场”之外开拓出足够大的“增量市场”,是各个公司业务部门需要面临的重大挑战。 

“双曲线一号”火箭上密密麻麻的广告(摄影:胡军) 

    

    在具体实践中,中国民营火箭的市场部门也另辟蹊径,几家已经试射过火箭的公司都尝试了“打广告”的业务。本次“双曲线一号”发射也成了某车、某酒和某网站等的“超级广告牌”。可这最多是亮点,而不能算发展根基。 

    总体而言,民营火箭公司既面临着大大的机遇,也面临着更大的挑战。怎么找到足够大的商业化市场,依然是个需要解决的问题。 

    

  五、中国的SpaceX,怎么培育? 

    

    SpaceX的成功,为全世界的民营火箭企业树立了一个标杆,但它的成功也意味着一系列从政府政策、技术储备、人才资源和商业运营等方方面面的成功。中国民营火箭企业,也许能走出不同的路线,但大概率依然要把这一过程完整走一遍。 

  a. 人才和技术储备。中国航天经过了几十年的发展,培养了大批航天人才和科研院所,无疑足够支撑起商业航天的发展。正如美国商业航天都背靠硅谷一样,中国商业航天则基本是“背靠北京”。2018年,中国商业航天36笔融资中29笔都在北京[3],这与北京航天科研院所集中、高水平理工科高校集中、政治政策中心的地位是正相关的。 

  b. 技术创新能力。SpaceX的成功一方面靠着回收技术等吸引眼球的“绝活”,但另一方面也是它的全面创新能力。例如,大规模使用商业电子器件、小发动机并联量产大幅降低成本、新型液氧甲烷燃料火箭发动机、大胆尝试3D金属材料打印等高新技术、高效率低成本的人力资源和供应链管理,都是SpaceX成功的关键所在。在这方面,我国商业火箭企业还有很长的路要走,这也合情合理,刚刚完成从01的突破,怎么可能迈向100 

  c. 国家政策法规支持。已在前文介绍,此处不再赘述。 

 


卡纳维拉尔角和肯尼迪中心,成为SpaceX成功的重要基地(图源:NASA 

    

  d. 实际技术服务支持。SpaceX的成功,离不了政府和军方的大力扶植,早期研发猎鹰一号火箭5次发射3次爆炸,这都发生在美军的马绍尔群岛/瓜加林环礁导弹试验场。现在,美军的卡尔维拉尔角和范德堡空军基地,都是猎鹰九号的重要发射基地,NASA的肯尼迪中心发射场曾经是阿波罗登月和航天飞机项目的发射基地,如今也属于SpaceX使用。此外,大量的航天测控、飞行控制也离不了美军和NASA的支持。在这方面,我国在国家战略支持下,对民营航天企业的支持也同样力度很大。例如酒泉是我国长征火箭家族的王牌火箭发射中心,也成为各民营火箭公司大展身手的竞赛场。 

  e. 项目支持。资金是火箭企业的一个重大需求,尤其是在失败时。猎鹰一号研发非常不顺利,SpaceX直接面临倒闭危机,但NASA及时出现前后提供了超过10亿美元资金帮助猎鹰九号和火箭发动机研发。后来又先后提供了约50亿美元空间站的货运和载人合同,直接帮助其进入盈利状态,甚至利用盈利研发了猎鹰重型火箭。而对下一步的火箭研发过程中,美国空军注入的大笔资金,也大大加速了新一代猛禽发动机技术的进步。这个发展方式和路径是值得我们借鉴的。 

     

    光线围绕地球一圈只需要0.13秒,但前往人类已知的宇宙角落却需要465亿年[5],毫无疑问人类正处在航天时代的大潮中。正如航空时代开启时,各个国家都小心翼翼于它的昂贵投资和应用,但作为最早吃螃蟹的人,民航时代的到来不仅促成了波音和空客的崛起,更代表了它们背后国家的巨大成功。 

    现在人类处在商业航天的节点上,更是如此。例如GPS卫星导航系统,原本是军用系统,但随后的大规模商业应用成就了一个万亿美元级别的导航应用市场,远远超出当初建设的投入。今天普通用户生活中息息相关的手机、导航仪和各种定位设备,无一不在为其中的GPS定位芯片交费用。 

    商业航天的巨大潜力,恐怕要远远超出我们的想象。目前,我们能做的,是继续加大政策法规和实际的项目资金投入,帮助一批小型民营航天企业成长。在充分的市场竞争中,它们的技术创新和项目管理能力将成为决定成败的法宝,最终这个市场将会只剩下1-2家头部企业。一方面成为“国家队”的有益补充,另一方面也极有可能为中国航天技术做出重大技术贡献。 

    我们静静期待它的到来。 

    

    

  主要参考: 

  1. 星际荣耀官网:http://www.i-space.com.cn 

  2. 国务院《2016的中国航天》白皮书(全文):http://www.scio.gov.cn/37236/38180/Document/1626692/1626692.htm 

  3. 未来宇航《2018中国商业航天产业投融资报告》。 

  4. 星际荣耀官方提供。 

  5. Alles, David L. "The evolution of the universe." (2010) 

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