SpaceX是如何超越NASA的?

NEONNY

商业航天研究报告2024
文：任泽平团队

来源：泽平宏观

导读
人类走向群星的时代加速来临。2023-2024年全球航天发射活动的空前繁荣，无论是发射次数还是总质量，均创下了自1957年人类首次航天发射以来的最高纪录。2024年全球对太空探索和利用能力发生重大改变；10月，SpaceX实现超重级火箭助推器回收，标志着人类航天史上里程碑式技术突破。其估值在逼近3500亿美元的同时，也超越了NASA成为航天事业的领军者。一家创立仅22年私营企业是如何超越老牌“国家队”的？商业化航天需求爆发点和下游应用场景有哪些？为什么说中国和美国是未来人类航天事业的希望？2015年我国商业化航天起步，2024年写入《政府工作报告》，中国的航天事业在全球仅次于美国，竞争力强，快速赶超。当下，我国航天商业化正迈向新阶段，2025年预计更多政策出台，推动民营航天领域进步。航天事业的发展，是构建未来在太空经济领域竞争的先发优势，是对十万亿级市场的提前布局。同时，探索宇宙是人类科研的共同命题，更是推动人类命运一体化，求同存异，回归全球化合作的支点。商业航天，未来是星辰大海。

目录
1    为什么发展商业航天与太空经济如此重要？2    SpaceX是如何超越NASA的？3    从航天局支持、私营独立发展、迈向商业化引领新阶段3.1   欧美商业航天发展历程3.2   中国商业航天发展历程4    全球航天创新高，中国商业化快速赶超
正文
1 为什么发展商业航天与太空经济如此重要？商业航天是“国家队”航天能力的延伸，是以市场化机制、商业化盈利为目标发展的重要引擎。区别于国家航天偏向于国防、科研、探测领域，商业航天在卫星通讯、星链发射、太空补给领域已成为有力补充。21世纪下半叶的太空观光、深空探测、外星移民、星际旅行等太空经济项目或迎需求爆发，参与全球商业航天竞争是航天大国的必由之路。以SpaceX为代表的商业航天企业推动航天技术进步更快。美国NASA是全球航天事业进步的重要发起和推动者，但因其政府机构属性，NASA扩张带来的官僚化也使得其科技创新减少、研发效率降低。SpaceX在早期承接NASA技术和订单的基础上，以民营企业理念、工程师文化治理的方式，在20多年里实现了史无前例的高效研发、低成本发射、以及回收技术进步，完成了人类航天发展里程碑式突破。商业航天有利于布局轨道资源，是未来建设太空经济，走向星空的前哨站。轨道资源在国际上遵循“先到先得”原则，属于稀缺资源。21世纪初PC互联网时代开启，卫星被广泛用于通信、遥感和导航等领域，各国国家队发射能力和密度都难以再满足市场需求，民用火箭发射需求激增，商业航天成为占领轨道资源的最佳选择。比如SpaceX的“星链”，占全球在轨卫星超过60%。截至2023年底，全球在轨工作航天器达到9850个。其中通信卫星占71%，对地观测卫星占14%。其中，美国6736个，欧洲1275个，中国892个。


航天事业从太空竞赛走向太空合作，推动人类命运一体化。航天的关键是火箭，火箭技术成型可追溯至二战末的德国V2火箭，其研究成果在战后被美苏应用，形成了冷战早期的“太空竞赛”。随着局势变暖，中美建交，全球化共识形成，合作发射卫星、联合太空研究、国际空间站项目等成为潮流。“太空竞赛”也逐步转变为了“太空竞争合作”，在未来或成为完全的“太空合作”。航天事业代表了人类的探索精神，商业航天承载着凝聚全球，形成人类命运共同体的使命。
2 SpaceX是如何超越NASA的？SpaceX已经成为全球航天任务的中流砥柱。2023年SpaceX进行了98次火箭发射任务，占全球发射总数的44%。这些发射任务总计达到1082吨，共部署了1984颗星链卫星，并将1600吨有效载荷送入预定轨道，占全球的80%。


SpaceX的航天研发在质量、成本和效率上均大幅领先。牛津大学对比研究NASA和SpaceX在航天任务的成果显示，Space的火箭研发速度约为NASA的两倍，投入成本却只有NASA的十分之一。SpaceX 在其研发的项目中，超出预算的项目数量占比为50%，但平均超支幅度仅1.1%。相比之下，NASA有90%的研发项目超支，且平均预算超支幅度高达90%。因此，尽管NASA每年获得的拨款在175亿至270亿美元，而SpaceX成立22年来只融资约130亿美元就实现了盈利运营。虽然二者并非直接竞争关系，甚至是深度合作状态，但SpaceX的成功标志着航天项目发展市场化模式的胜出。


SpaceX模式带来的成功有迹可循，一是以盈利为目的的民营模式，二是追求极致的工程师理念，三是特殊风险投资的孵化成果。首先是SpaceX作为民营火箭企业，极致追求投入产出比追求。节省成本从创立第一天起就是SpaceX的生命线，因此寻求规模化生产和通用的设备替代是马斯克专注核心。SpaceX的产品采用了大量廉价的消费级产品来替代NASA的专业级部件。并且这些“降级”并不会减少火箭或飞船的可靠性、安全性，而是用更先进的工程化技术、更极致的材料验证实现了同等、甚至更好的效果。例如，改进个人电脑来替换价值百万的专业计算机，或者替换冗余设计，SpaceX龙飞船的通过组装浴室门把手替代了传统门闩，实现降本98%。SpaceX尽其所能地“钻物理定律的牛角尖”来“省钱”。结果来看，SpaceX的成本理念更优：NASA投入的航天飞机项目，向低地球轨道运输的成本高达27万美元/公斤；而SpaceX仅为1410美元/公斤。


二是SpaceX的工程师文化能够超标准完成任务，并快速试错，在此基础上飞速迭代。SpaceX对本公司的产品设计和设备采用的标准高于行业标准，其对物理学的正确性验证追求甚至超过了监管要求的程度。比如，按照美国联邦航空管理局(FAA)的规定，所有飞行器发射都必须遵守的高空风条件的准则。而2020年底，在SpaceX的超重型助推器的发射测试过程中，在以“发射不满足天气要求”被拒绝后，SpaceX提供了自己的一套天气模型，证明了发射条件足够安全，并无视FAA执行发射，结果证明SpaceX的模型是正确的，该测试也成就了后来的星舰。对比看，SpaceX比NASA研发更激进。NASA的研发更偏向传统实验室，追求稳健研发的理念，细致的工程化思路，确保万无一失的结果。与之相对的是，SpaceX的理念允许试错、不怕失败，只要符合物理学定律就可以实践，开头无需完美，只要在过程中可以改进就行。这种追求简洁、清晰、高效的理念让SpaceX可以像研发消费电子产品一样研发火箭。




三是特别风险投资的赋能。SpaceX的第一个客户和投资方是DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency），即国防高级研究计划局。后者相当于国防部的风险投资基金，负责对基础研究、应用研究、和先进技术开发，以技术产业化为主、基础科研为辅，虽然隶属于国防部，但拥有独立的预算与巨大自主权。如互联网的前身—ARPAnet计划，GPS技术、苹果Siri识别、波士顿机器狗都有DARPA主导孵化或参与风投的背景。DARPA每年将约40亿美元的预算分配给200多个研究项目，总经费占比不到美国国防部预算的4%，占美国GDP不到的0.146％，而从投资回报的综合价值来看，DARPA是业绩最强的风投机构。DARPA的投资特点在于聚焦“颠覆式创新”，逆市场而为。逆市场而为是因为许多前沿技术在诞生之初并不具备有效需求，比如互联网技术。或者会直接对行业龙头产生业务威胁，因此大企业不会投资，产业界也没有持续的研发热情。但DARPA这种“特殊风险投”没有业绩回报要求，也不存在来自投资人的压力，因此可以聚焦于长期颠覆性技术投资。一些短期内看似缺乏市场和商业逻辑的研究，却在长期具备颠覆性社会价值，DARPA投资的即是这写“异类”。SpaceX的2006年首次发射由DARPA资助，后者不仅为SpaceX带来了国防订单，也为其带来知名度，吸引了NASA的人才和发射需求。据不完全统计，NASA在过去20多年总计给SpaceX提供了135多亿美元订单，帮助SpaceX完成了早期过渡和经验积累，实现了逐渐向SpaceX“交棒”航天事业的发展重任。
3 从航天局支持、私营独立发展、迈向商业化引领新阶段3.1  欧美商业航天发展历程欧美的商业航天起步离不开本国航天局的支持。航天事业的商业化可追溯到20世纪60年代。1961年4月，国际通信卫星组织利用美国国防承包商洛克希德·马丁的运载火箭将首颗商业卫星送入太空。1980年3月，法国阿里安空间（Ariane）公司诞生，这是世界上第一家提供商业航天发射服务的公司，其背后是法国国家空间研究中心和欧洲航天局（ESA）。2000年“蓝色起源”Blue Origin成立，2002年SpaceX成立，两者的目标都是减少太空运输成本，且都与美国国家航天局（NASA）有合作关系。2008年，SpaceX成功发射猎鹰1号火箭，成为首个具备发射液体燃料火箭至地球轨道的私营企业，标志着私营独立发展的开始。2012年，SpaceX的龙飞船首次成功向国际空间站（ISS）运送补给，这是首次由私营企业运营的航天器执行此类任务。2015年，SpaceX实现了猎鹰9号火箭的首次海上回收，私营火箭企业开启了火箭发射的可重复使用时代。2016年2月，英国“维珍银河”公司正式发布未来用于太空旅行的新版太空船，太空旅行概念正式进入商业航天领域。2023年8月，“维珍银河”的VSS Unity太空飞机从美国新墨西哥州发射后抵达太空，商业航天公司首次将乘客送往太空。2024年10月，SpaceX实现星舰（Starship）的第一级“超级重型”助推器回收，该技术突破树立了开启低成本太空任务时代的里程碑式，标志着私营火箭的技术发展已经领先国家航天项目，商业航天开始主导太空项目研发方向。3.2  中国商业航天发展历程中国的航天发射活动主要由国家主导，通过国家航天局和中国航天科技集团等机构进行。主要发射任务包括:载人航天(神舟系列飞船)、科学探测（嫦娥探月工程）、北斗导航卫星系统、遥感和通信卫星（用于地球观测、资源勘探、气象预报以及通信）、技术试验卫星（新技术、新材料、新设备的在轨试验）、以及为国内外客户提供商业发射服务。2015年，在国家主导航天工业发展60多年后，中国首次向民营资本开放航天领域；“北京二号”成为首个经政府批准的民用商业卫星项目，中国商业航天正式起步。2018年5月，“重庆两江之星”成功发射，是中国首枚民营自研商用亚轨道火箭。同年，“双曲线一号”火箭首飞成功，证明了中国在商业火箭领域的自主研发能力。2023年中国共进行67次航天发射，位列世界第二，其中商业发射26次，成功率达96%。2025年将开启中国商业航天独立发展到引领行业的阶段，形成强势追赶。2024年，商业航天首次写入《政府工作报告》；9月11日，蓝箭航天研发的朱雀三号完成10公里级垂直起降返回飞行试验，我国商业航天在可重复使用运载火箭技术上迈出重要一步。


同年12月，中国首个商业航天发射场—海南商业航天发射场首发。海南发射场预计明年可实现“月月有发射”的高密度发射能力，其建成和首发填补了中国商业航天发射场的空白。实现“中国星链”制造、商业化测试发射，以及卫星数据应用服务的商业航天全产业链闭环成为可能。为大规模民用和商业化“太空新基建”提供了保障。
4 全球航天创新高，中国商业化快速赶超2023年全球航天发射活动的空前繁荣。关键指标如发射次数、总发射质量和航天器数量均达到了历史最高点，全球对太空探索和利用能力正迎来重大进步。截至2023年底，全球共完成6572次发射任务。继冷战期间的发射高峰之后，自2018年起，全球航天发射活动再次迎来高峰，年年刷新发射记录。2023年，全球运载火箭的发射次数首次突破200次，达到223次，同比增长19.9%；发射的总质量也达到了1490吨，超过了1985年的1439吨；无论是发射次数还是总质量，均创下了自1957年人类首次航天发射以来的最高纪录。商业微信发射需求增长，叠加发射成本下降的背景下，预计2025年全球发射次数或有望突破350次。


截至2023年，中、美、俄三国的主力运载火箭的发射频率已经超过全球发射总量的70%。分别是，中国"长征"（CZ）、SpaceX的"猎鹰"（Falcon）和俄罗斯"联盟"（Soyuz）系列。中美两国是未来航天事业的主要推动者。"长征"系列火箭的发射频率高、增速快，连续三年维持在约50次，十年间增长约3.3倍。"猎鹰"系列火箭利用其可重复使用的技术，实现了低成本进入太空能力，发射频率大幅度提升，次数从2013年的3次增加到了2023年的96次，翻了31倍，并打破了单一型号火箭年度发射次数的记录。相比之下，俄罗斯后劲略有不足，其"联盟"系列火箭在过去十年的发射频率保持相对稳定，每年大约在15到20次之间。

中国长征12号潜力巨大，SpaceX在运载能力方面更具优势。长征十二号是中国低轨能力最强火箭，也是首型4米级的运载火箭，具有最大的单芯级运载能力，LEO（低地球轨道）运载能力不少于12吨，700公里SSO（太阳同步轨道）运载能力不少于6吨。对比来看，SpaceX的猎鹰9号（Falcon 9）运载火箭的有效载荷为22.8吨，并且已经累计完成了超过300次发射任务，占到SpaceX总发射任务的95%以上。而猎鹰重型（Falcon Heavy）运载火箭，作为超重型运载火箭，其近地轨道（LEO）的运载能力达到63.8吨。此外，SpaceX的星舰（Starship）系统，虽然目前处于测试阶段，其远期规划的运载能力为完全重复使用时，近地轨道运载能力大于150吨；一次性使用时，近地轨道运载能力大于250吨。企业角度看，全球有三家商业航天龙头。分别是，美国的SpaceX、“蓝色起源”（Blue Origin）和英国的“维珍银河”（Virgin Galactic）。SpaceX的主要成就在于研发了可重复使用的一级助推器，大幅降低了发射任务成本，并成功执行了多次国际空间站（ISS）的货物补给任务，通过其可回收技术重塑了全球火箭发射行业。“蓝色起源”的创始人是亚马逊的杰夫·贝索斯。其发展愿景是通过低成本的太空旅行、探索和科研实现商业化太空扩张。此外，蓝色起源与NASA建立了合作，已成功进行多次载人太空试飞任务。例如，其New Shepard亚轨道飞行器，可以将宇航员或乘客送到太空边界卡门线以上，体验失重状态并观看地球全景。“维珍银河”的目标是成为商业航空和太空旅游的先锋企业。其不仅研制了太空交通工具—VSS Unity，并已完成了多次太空测试飞行。维珍银河是最早启动太空旅游服务的公司，其“Galactic 07”在2024年6月完成了第二次任务，并已开启第四代飞船开发，计划在2026年量产。

中国商业航天领域的代表有蓝剑航天、中科宇航、天兵科技、银河航天四家。蓝箭航天主攻液氧甲烷火箭和发动机两大类，其朱雀二号遥二运载火箭是全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭。中科宇航是中国科学院力学研究所培育孵化的高新技术企业，也是首家混合所有制商业航天企业。2023年，中科宇航发射的力箭一号共搭载了26颗卫星，刷新了中国一箭多星任务纪录。天兵科技致力于液体火箭发动机和运载火箭的开发，其“TH-11”液体火箭发动机是国内私营航天领域中唯一采用闭式循环技术的发动机。截至2023年7月，天兵科技已经完成了共计30亿元的10轮融资。银河航天作为一家商业航天独角兽企业，聚焦经济实用与低成本批产，致力于打造“中国版星链”的卫星互联网计划。其在海南的新一代卫星智能工厂拥有年产百颗卫星的能力。商业航天作为新质生产力的代表，2024年写入《政府工作报告》，2025年起预计将推出更多政策支持全产业发展。未来十年，商业航天撑起的太空经济将成为全球合作的焦点，人类走向群星的时代加速来临。