文明其精神 | SpaceX 星舰第六次试飞成功,国内商业航天前景如何?

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作者 中国社会科学院工业经济研究所未来产业研究组SpaceX星舰第六次试飞成功
国内商业航天前景如何？

近日，埃隆·马斯克的美国太空探索技术公司（以下简称“SpaceX”）星舰飞船在美国得克萨斯州进行第六次试飞成功。美国当选总统特朗普亲临现场，见证了这一航天史上的重要时刻。这次试飞成功不仅展示了SpaceX持续不断的技术创新能力，还让我们看到了商业行业领域的无限可能和巨大潜力。那么，何为商业航天？与传统航天有何区别？又有哪些“商机”？这些问题在中信出版社新书《科技创新的力量：颠覆性技术如何引领现代化产业体系建设》中得到了深入探讨，书中详细解析了商业航天的现状与未来。商业航天vs.“国有航天”商业航天指以商业原则、商业逻辑、商业手段发展航天产业，即以获取商业利润为目标，利用市场化运作机制参与航天事业。商业航天的重点在于调配、组织资源进行航天活动的方式，而不要求企业的性质。商业航天活动的承担者既可以是私人企业，也可以是政府航天机构或国有企业。商业航天需要满足至少一个特征：·航天项目发起方或组织方参与市场化竞争；·航天项目资金来自市场化运作所得，而非政府专款；·进行航天活动所需设备和工具来自市场化交易；·航天项目的收益按照市场化规则进行分配；·航天发射载荷依据市场化原则开放竞争。商业航天活动明确指以营利为目的，从太空提供商业服务，或直接从事火箭、卫星、航天器的研发、设计、制造活动，或经营航天发射业务。根据离地距离，商业航天可分为近地空间商业航天、太空商业航天及深空商业航天。在商业航天出现后，由政府机构和以国防为目的组织的航天活动相对地被称为“国有航天”。“国有航天”尚无严格定义，可以泛指在国家层面以计划手段组织的，或借助国家体制调配资源进行的航天活动。“国有航天”一般具有以下特征：·通过国家力量和计划手段调配研发、生产资源，组织物流和信息的协调，以保证航天项目的实施；·航天项目首先追求实现特定的目标，不直接追求商业利润；·航天项目载荷的确定原则是非市场化的。商业航天的“商机”“国有航天”对人类航天事业的贡献无疑是重要的，甚至在民营公司介入该领域之前，航天被视为不适宜市场化、“天然”应由国有资本或机构主导的部门。然而，“国有航天”有其自身的局限性，一是无法避免国有体制的固有弊端，二是对资源的调度、利用水平受到国有体制的限制，难以最大化利用一切有利的条件发展航天事业，因而产生了对航天产业进行分工的需求，由国有航天机构主攻基础研究和核心技术研发，从事重大科学研究、技术试验等活动，由商业航天企业探索旁支技术路线和前沿应用场景，探索如何使航天活动规模化、产业化、大众化。商业航天采取市场化的运作方式，将商业逻辑纳入航天产业发展过程，成本与收益成为商业航天业务的首要考量因素。商业航天企业必须在保证产品性能和可靠性的同时，降低航天活动的成本，探索更多应用场景，从而吸引“顾客”，创造规模效应。商业航天不受国家体制限制，在企业发展战略、技术路线、航天产品与服务开发等多方面具有决策上的灵活性和敏捷性。在商业逻辑的推动下，商业航天企业又不得不保持对前沿技术和应用的敏感性，并尝试调动一切市场上可以调动的资源以取得竞争优势，进而激发商业航天企业的主动性、积极性和创造力。通过市场化机制，商业航天企业得以最大化配置和利用资源，不仅弥补了“国有航天”的固有弊端，为航天事业发展创造了新的机遇，还能带动一批相关产业发展，创造经济新增长点。当前，商业公司参与航天事业的模式主要有三种。第一种模式即“商业化参与航天”，私人企业在国家航天机构的航天项目中承包航天系统产品，但不管理航天发射项目，也不直接从事航天发射活动和太空服务业务。这种模式在美国最为典型，形成了“以NASA为代表的政府机构负责制定标准，企业在划定的框架内发挥有限的自主性”的商业公司参与模式，航空航天公司和防务企业面向政府和军方提供产品和服务，签订商业合同，承担指定的航天器分系统的研发和制造等工作。波音、雷神、洛克希德·马丁、格鲁曼、通用动力等企业均是NASA的长期合作伙伴。这一模式延续至今，2022年2月，NASA宣布将与洛克希德·马丁公司签署合同，由后者负责研发、制造“火星上升飞行器”，用于从火星发射岩石、沉积物和大气样本返回地球。第二种模式是使用航天和卫星技术向用户提供商业服务，主要涉及卫星服务业和地面设备制造业。卫星服务业的成熟业务主要包括卫星通信、移动定位和科学观测等，企业使用基于通信技术、遥感技术等专业技术，以自身的商业运营能力作为辅助，利用外层空间为客户提供服务。这种模式对航天技术要求较低，从事卫星服务业的企业可以将卫星制造外包，甚至直接借用已建成的卫星网络，而不需要发射自己的卫星。从事地面设备制造业的企业主要负责地面监控系统及相关设备和地面应用系统及相关设备，前者主要包括地面遥测系统、跟踪测量系统、遥控系统、通信系统等分系统及设备，后者主要包括卫星导航设备、卫星网络设备和大众消费设备三大领域。第三种模式是从事火箭、卫星、飞船的研发、制造、发射等活动，主要盈利模式是从事商业发射和太空运输业务。这是商业航天的“硬核”模式。企业可以只从事产业链上的单一或数个环节的业务，也可以布局从制造到发射的全产业链条。该模式属于国有航天机构的传统优势领域，但近年来，从事商业发射相关业务的私人企业数量快速增长，新型火箭研发和试射不断取得突破。从主要业务和细分领域来看，商业航天主要包括卫星定位与商业卫星导航、商业卫星遥感与测控、地面设备制造、卫星制造、火箭制造与发射等。大国布局与SpaceX的崛起由于航天产业技术难度高、需求投资大、收回周期长的特点，国家支持对商业航天初期发展至关重要。太空竞赛时期，美国最早进行了商业航天的尝试，但受制于《美国国家航空暨太空法案》，所有私人企业的发明与航空航天相关权利均收归政府所有，私人企业只负责承包航天子系统或产品的制造环节。转机出现在1984年，美国政府颁布《商业太空发射法案》，允许并鼓励私人企业从事空间发射活动，并相应规定了政府支持的方式。美国的商业航天政策大致经历了“管制—放开—支持—合作”四个阶段，特点是延续并强化了太空竞赛时期NASA与私人企业的合作模式，具有鲜明的“美国特色”。与美国以政策体系支持商业航天发展不同，欧洲国家、俄罗斯的商业航天事业主要由国家支持的航天机构亲自下场。欧洲是最早开展商业发射活动的地区，1980年，欧洲航天局与众多商业公司联合成立阿丽亚娜航天公司经营商业发射业务，主要经营太空载荷发射任务和向国际空间站运输补给的任务，一度占领世界商业航天发射市场50%的份额，并于2021年12月发射了詹姆斯·韦伯太空望远镜。2015年后，随着国际航天形势发生变化，欧洲各国开始重视私人商业航天企业的发展，欧盟委员会出台“商业航天发展网络”一揽子计划，英国、法国、卢森堡等国家和政治实体先后颁布政策。我国在1990年进行了第一次国际商业发射，商业发射是较长时期内我国经营的主要商业航天业务，社会资本参与航天事业则要等到2005年《国务院关于鼓励支持和引导个体私营等非公有制经济发展的若干意见》公布。2014年10月，国务院印发《关于创新重点领域投融资机制鼓励社会投资的指导意见》，首次提出“鼓励民间资本参与国家民用空间基础设施建设”，并“鼓励民间资本研制、发射和运营商业遥感卫星”。2015年10月发布的《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025年）》中明确提出，“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，积极开展区域、产业化、国际化及科技发展等多层面的遥感、通信、导航综合应用示范”。同年10月，第一届中国（国际）商业航天高峰论坛在武汉召开。2015年被称为中国商业航天的“破冰元年”。我国航天政策体系的发展趋势是从模糊到精准，覆盖面从以空间基础设施建设为主到商业航天产业链多环节。除上述国家和地区外，日本、印度等国也相继宣布开展商业航天事业。日本自2018年起出台了一系列支持商业航天初创企业的政策；印度于2020年宣布政府将支持私营企业参与太空活动并向其开放印度空间研究组织（ISRO）的技术和数据，于2023年发布《印度太空政策2023》，允许私人企业全面参与太空活动。而目前，备受全球瞩目的商业航天明星企业当属埃隆·马斯克的创办的SpaceX。2023年，SpaceX总共完成98次火箭发射，占全球发射总次数约44%，其中包含了63次星链发射；将12名宇航员和约1600吨有效载荷送入太空，据估算占当年全球全部有效载荷的70%以上。也是在2023年，SpaceX宣布开始盈利，这标志着SpaceX不仅在航天产品上，而且在商业模式上也取得了成功。SpaceX的航天业务已经涵盖商业发射、太空运输、卫星服务、地面设备制造等商业航天主要领域，在近地轨道上已有近6000颗卫星，超过太空已有卫星总数的一半，并计划到2024年底前总共部署12000颗卫星。SpaceX还间接带动了数百家中小企业的发展和美国商业航天市场的繁荣。SpaceX的成功可谓“天时”“地利”“人为”缺一不可，其中“地利”“人为”更加重要。所谓“天时”，是SpaceX进军商业航天产业时，此地尚处于一片“蓝海”。2006年，猎鹰1号进行了首次发射试验，当年全球发射次数为66次，其中商业发射次数21次，主要由俄罗斯和欧洲国家完成，美国国内商业发射市场几乎空白，仅一家联合发射联盟公司承接政府和军方订单。缺少国内竞争对手使航天资源向SpaceX集中。所谓“地利”，是SpaceX作为一家美国企业，得到了NASA和美国军方的大力支持。在SpaceX创立的同一时期，NASA开始计划培养数家美国商业航天公司，与俄欧争夺商业航天发射市场。NASA最终押宝SpaceX。2006年，SpaceX获得了NASA商业轨道运输服务计划接近4亿美元的资金。2008年，猎鹰1号火箭发射成功，SpaceX在当年年底获得NASA16亿美元的商业货运订单，于破产前被挽救回来。2014年9月，NASA又宣布由SpaceX和波音公司提供国际空间站乘务人员的运输服务SpaceX获得了26亿美元的订单。2006—2018年，SpaceX从NASA和美国军方得到的各类项目订单合计超过80亿美元，在2018—2021年又获得了超过70亿美元的订单。在长期合作中，除提供订单外，NASA还向SpaceX开放了“阿波罗”登月和航天飞机研发的大量技术报告，派驻技术骨干，出租火箭测试场地和航天发射工位，提供发射支持服务，使SpaceX可以专注于火箭研发、制造和发射业务，极大地加快了SpaceX的研发进程。所谓“人为”，是SpaceX选择了符合商业逻辑的技术路线，即可回收火箭。当需要考虑成本与收益时，商业航天活动所需直面的第一个问题就是发射活动的高成本。高成本对商业航天公司可运作的资金规模提出了要求，而如果把高成本向商业发射服务购买者转嫁，则会降低客户的积极性。SpaceX从创立之初就将制造可回收重复使用的火箭和降低制造过程中的成本作为研发目标。一方面，猎鹰9号火箭在设计之初就提出以“平衡成本及运载能力”为导向，2024年4月，一台猎鹰9号火箭创造了复用20次的世界纪录。另一方面，在研发和制造过程中，SpaceX大量使用通用元器件替代航天级专用元器件。例如，SpaceX在制造货运“龙”飞船时，使用由特殊算法控制的英特尔通用处理器，而非航天级处理器，将硬件成本降低到了原成本约1/5000。在猎鹰9号技术成熟后，SpaceX依靠价格优势，迅速占领了世界上大部分商业航天发射市场。在总载荷不落下风的同时，可回收型猎鹰9号的每千克载荷报价约为3000美元，远低于阿丽亚娜5火箭的每千克载荷约10000美元、日本H-IIB运载火箭的每千克载荷约7100美元和我国长征三号乙的每千克载荷约5800美元，而未来星舰的每千克载荷报价可能低至数百美元。SpaceX在拿到第一笔订单后仅一年多，就占据了新签订商业卫星发射订单的“半壁江山”，并保持了迅猛的发射势头。依靠火箭发射成本的优势，SpaceX进一步布局“星链”等卫星应用场景，逐渐覆盖商业航天产业链主要环节。在商业发射领域，SpaceX的对手主要有美国联合发射联盟公司、火箭实验室、蓝色起源、欧洲阿丽亚娜航天公司、俄罗斯“能源”火箭航天公司等；在低轨卫星通信网络领域，主要竞争者是EutelsatOneWeb和亚马逊。美国联合发射联盟公司由波音公司和洛克希德·马丁公司联合组建，代表美国传统商业航天势力，但由于其发射成本居高不下，新型火箭又迟迟未能投入使用，在商业发射市场节节败退。中国商业航天的未来之路我国国内商业航天发展较晚，但追赶速度较快，目前整体水平相当于发达国家第二梯队，在遥感、导航等应用领域接近国际一流水平。2023年，我国共完成26次商业发射（其中失败1次），占全年发射次数约39%；发射120颗商业卫星，占全年研制发射卫星数量约54%。北京是目前国内商业航天企业最集中的地区，仅北京经济技术开发区就聚集了50余家航天企业，火箭研制、卫星制造、卫星应用、地面设备等产业均有涉及。“国家队”在我国商业航天中占有重要地位，主要包括中国航天科技集团有限公司、中国航天科工集团有限公司和中国科学院系企业，覆盖商业航天产业链主要环节。民营企业以初创企业和配套中小企业为主，在数量上占优。近年来，在较为热点的商业发射领域，星际荣耀、星河动力、蓝箭航天、天兵科技、中科宇航、东方空间等国内企业已实现火箭成功发射，载荷入轨。蓝箭航天研发的朱雀二号遥二火箭是全球首枚将载荷送入轨道的液氧甲烷火箭，也是国内首款由具有商业化运营能力的民营企业自研的液体火箭；星际荣耀研发的双曲线二号小型运载火箭搭载了液氧甲烷可重复使用火箭发动机，已于2023年11月试验成功，达到国际先进水平。不过，商业航天产业进一步发展的关键问题在于如何降低航天活动成本。一旦商业模式和关键技术取得突破，商业航天活动的成本将大大降低，大量“商业航天 +”产业将出现，利用太空升级地球产业将变得触手可及，其前景不可估量。1.空间基础设施升级与“航班化”商业发射目前，全球空间基础设施建设进入加速发展阶段；同时，经济社会快速发展对空间服务提出了更迫切的需要和更高的要求。未来一段时间，在遥感、通信广播、导航定位等商业航天成熟产业中进行升级换代，并相应升级地面设施，建设数据分析中心，进一步开发卫星服务应用场景和服务模式，是商业航天发展的稳定方向。2020 年 4 月， 卫星互联网建设被国家发展改革委划定为“新基建”信息基础设施之一，在未来一段时间将是商业航天的重要发展领域。随着卫星应用需求的增加，发射需求相应出现爆发式增长，定时、批量、短发射间隔的“航班化”商业发射将成为未来商业航天的热点领域。2.空间在轨服务空间在轨服务指在太空中对航天器进行维护和修理，延长航天器使用寿命，从而最大化航天器效能。1993 年，美国进行了哈勃太空望远镜的首次在轨服务，通过安装光学矫正装置成功解决了主镜缺陷问题。随着在轨航天器执行的任务愈加复杂，高轨道卫星出现集成化、大型化发展趋势，空间在轨服务产生了商业化前景。3.太空碎片清理随着太空中航天器数量的不断积累，加之发射卫星的频繁化、低轨卫星制造的小型化，太空垃圾泛滥成为愈加不可忽视的问题，清理太空垃圾将成为航天产业进一步发展的迫切需求。2020 年，欧洲空间局与瑞士初创公司 ClearSpace（“清洁太空”）签署了合同，计划于 2025 年发射首颗捕获和处理轨道太空垃圾的卫星。虽然相关技术逐渐成熟，但清理太空垃圾具有公共产品性质，主要客户锁定为航天管理机构，市场前景尚不明朗。4.在轨实验太空的微重力环境和宇宙辐射环境提供了不同于地球的实验条件，也提供了一片基础科学发展的未知领域。随着商业发射日益航班化和卫星日益小型化，进行太空实验的成本进一步降低，商业太空实验室将为生物制药、材料科学、营养学等产业提供一条颠覆性的新赛道。2021 年 12 月，火箭派公司研制的“火种一号”发射升空，这是国内首个由民营企业设计研制的空间微重力生物实验装置。5.太空体验商业太空旅游已成为现实，SpaceX已搭载游客到访国际空间站， 美国维珍银河、蓝色起源等私人公司已多次开展亚轨道太空旅行业务，多家商业航天公司提出建设太空旅馆，国内中科宇航公司也提出到 2030 年实现亚轨道太空旅行。虽然太空旅行听起来美好，但在短期内，太空体验的“船票”价格居高不下，所提供的产品与大众旅行消费需求差异较大，难以实现产业化。6.太空产业人类的航天活动将外层空间纳入“地球产业圈”，蕴含着无数产业升级与产业结合的可能性。2018 年，中国科学院提出“建成地月空间运输、探测和基础设施体系，全面形成地月空间经济区新业态”，该业态主要由航班化地月空间运输体系、空间资源探测与开发体系、空间基础设施体系三大体系组成，到 2046 年预估年产值达到 10 万亿美元规模。商业航天在宇宙空间资源开发、空间太阳能电站、在轨制造等领域大有可为。
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