美國新興私企參與航天產業發展的啟示

◎張京男 范桃英 祝彬

縱觀美國多家新興私營航天企業發展史，可以看出其主營業務和發展路徑都遵循著同一個規律，即直面美國或全球一個或多個明確的航天產業發展需求，而這個需求恰是當時僅靠傳統力量不易破局的產業發展的痛點。本文通過分析美國航天運載器（火箭）和衛星等航天領域新需求的牽引和突破，探索其發展路徑與規律，為我國私企實現“民參軍”提供啟示與借鑒。

私營企業助推航天產業發展

1.解決大中型運載火箭高成本難題

在獵鷹火箭出現以前，美國大中型運載火箭產業長期被老牌航天企業高度壟斷，雖然這些企業都是在紐交所上市的商業公司，且原則上遵循市場競爭機制，但其長期以來對美國火箭發射領域的獨占地位導致了美國軍方和聯邦政府對火箭研制及發射成本和價格的敏感度不強。

此外，由于大中型運載火箭的可靠性和綜合性能比較先進，能夠滿足美國甚至國際市場的需求，使得美國軍方、聯邦政府及航天企業幾乎沒有了尋求改進火箭技術和降低發射成本的動力。而SpaceX（美國太空探索技術公司）的創始人埃隆·馬斯克（Elon Musk）卻卻直接指出了美國火箭的高成本問題，他認為火箭研制和發射并不需要如此大的消耗（單枚制造及發射的總價格在2億-4億美元），并提出如果以私營公司模式制造同類型的火箭，成本至少可以降至原來的1/10。作為全球首家成功發射火箭的私人航天技術公司，SpaceX（美國太空探索技術公司）制造的火箭從獵鷹1到獵鷹9，以及未來的獵鷹重型，都是要把美國大中型火箭研制發射成本中的水分充分擠出來。對此，美國國家航空航天局（NASA）大力支持，后續美國空軍則把軍星發射合同授予了SpaceX公司。

從另一個角度來說，美國的市場機制更趨向于去壟斷、促競爭，政府和軍方希望新加入的企業能帶來更高的性價比，這也是SpaceX公司取得成功的重要原因。目前，美國私營企業藍源公司正在研制的新格倫火箭也具有同樣的運載能力，預計很快將迎來首飛。

2.建立空間站往返載人載貨運輸能力

美國“阿特蘭蒂斯”號航天飛機在2011年完成最后一飛，結束了航天飛機長達30多年的歷史使命。之后，美國就沒有了獨立從事空間站載人和載貨的運輸工具，只能依靠俄羅斯的聯盟號火箭和飛船。因此，美國航天界對獨立的空間站與地面間運輸能力產生了強烈需求，這也是美國從政府到工業界亟待解決的問題。隨后，SpaceX公司的龍飛船和內華達山脈公司的追夢者一號應運而生，且均將實現國際空間站載人和載貨的往返運輸作為使用目標。2016年，兩家公司都拿到了數額可觀的委托合同。另外，傳統大型宇航公司波音公司也持有NASA的載人空間站運輸任務合同，但NASA在今年4月要求波音公司加快進度研制進程，直接把首次載人飛行變為正式任務，也就是說要省去載人試飛的環節，這對波音公司壓力極大，因為其必須調整飛船設計中的載人數量和在軌工作時間，載人試驗和載人任務的設計要求是完全不同的，可見NASA對載人進入空間站的需求已經迫不及待。

3.迎合衛星技術和入軌方式轉變的發展需求

以往國際領先的通信星座和遙感星座同時在軌的衛星數量較少，并且由于其集成了比較先進的通信和觀測載荷，使得衛星載荷重量和尺寸都比較大，相應的衛星平臺也必然較大。傳統上，衛星的載荷重量和尺寸越大往往越體現其技術的先進性和應用的高價值。

然而，隨著多年的應用發展，美國的商業界、政府和軍方發現單顆較大的衛星一旦出現單點故障就會影響整個衛星的應用。而且，由于科技的發展和更新換代十分迅速，當一個高精尖的衛星設計研制出來并成功入軌時，更優的替代技術和方案或許已經出現。另外，對于軍方而言，大型的軍用衛星屬于高價值集中的載體，敵對國家可能會通過多種方式對其形成威脅甚至將其毀傷。

相較于大衛星，小而輕的小衛星具有先進、快速、低廉以及可靠的優勢。一顆小衛星的故障與發射失利不會對整個星座產生重大影響，而且衛星補網或者升級換代都能夠實現“短、平、快”。這一特性在美國商業界首先被付諸實施。

（1）小衛星星座部署節奏加快。一是通信小衛星星座方面。SpaceX公司自主研制的“星鏈星座”計劃已經發射驗證星，OneWeb公司研制的OneWeb“星座互聯網計劃”已經在美國和歐洲布設工廠并開始研制。二是遙感觀測小衛星星座方面。美國行星實驗室公司自主研制的“鴿子星座”、頂尖全球公司自主研制的“狐猴星座”（Lemur）、太空飛行工業公司自主研制的“黑色天空”星座以及蜂群技術公司自主研制的“太空蜜蜂”（Spacebee）星座都有大量衛星入軌。值得一提的是，今年4月19日，美國國防高級研究計劃局（DARPA）向工業界發布了廣泛機構公告（BAA），公開招標低軌小衛星星座建設方案，該項目被命名為“黑杰克”，將同時具備軍用低軌通信網絡和軍用頭頂持續紅外導彈監視能力，可見軍方對小衛星星座的需求也在提升。全球類似的通信或遙感觀測星座計劃還有很多。預計未來仍將有大量由商業界參與的通信和遙感的星座陸續批量研制并通過各種方式發射入軌，部署的節奏也會進一步加快。

（2）小衛星獨立入軌需求迫切。隨著小衛星星座需求的不斷涌現，大量小衛星短期內迫切需要入軌的問題亟待解決。據目前不完全統計，國內外未來需要入軌的小衛星至少在10000顆以上，并因此帶動了小型運載火箭的研制需求。

美國很多企業和機構看到了這一發展趨勢后，開始布局小型運載火箭市場。如維珍銀河公司的發射者一號空射火箭、火箭實驗室公司的電子號火箭及螢火蟲空間系統公司的阿爾法火箭，目前都已完成多次地面試驗和空中試射。這些小型運載火箭運載能力從幾十公斤到幾百公斤不等，能夠運送衛星進入的軌道都是幾百公里高度的近地軌道，這也基本是當前小衛星、納衛星最理想的工作軌道。因為小衛星功率和載荷功能有限，并不適合于幾萬公里高度的高軌道。預計未來各國日益迫切的小衛星發射需求會進一步促進小型運載火箭的研制及發射合同的簽訂速度。

4.航天系統核心技術與制造變革將顛覆行業發展

火箭和衛星經過了幾十年的發展，其基本的動力模式和制造能力依然未發生實質性變化，雖然核動力等航天器概念被提出，但由于影響因素較多，尚未得到普遍應用。近年來，衛星動力推進技術的開發和應用突飛猛進，并在若干顆大衛星上實現工程應用，但由于平臺技術門檻高，未能向整個衛星制造產業開放。

在這種背景下，美國“第四相”公司作為一家初創型私營企業自主研發出了可供小衛星使用的電推進器，有望成為行業標準并在小衛星上得到大規模使用。此項突破力求在小衛星動力方面實現根本性變革，以電推力替代化學燃料使得衛星結構徹底優化，從而實現以單點技術解決整個行業的瓶頸。同樣，美國“相對論”公司也是一家初創私企，目前已制造出大型3D打印設備，并完全采用自動化和3D打印的生產流程制造整枚火箭，徹底替代傳統上復雜而笨重的主要靠人工的生產流程，有望將成本和生產周期降低1-2個數量級。

“第四相”和“相對論”兩家公司發展的路徑都是對半個世紀中未能實現有效變革的領域進行突破，也可以說是將系統里客觀存在的成本和性能中最大的“堵點”進行了疏通。目前，政府、商業公司與高校都在尋求與這兩家公司形成長期合作的機會，同時資本界也看好這兩家公司的發展路徑，預計未來會對其進行更多的投資。

5.太空科技多領域反哺社會經濟

隨著太空技術長達半個世紀的積累，太空科技對人類社會經濟的反哺已經非常成熟，太空元素越來越多地滲透至人們的生活，如太空科幻電影、衛星寬帶通信與衛星手機通信以及太空育種與科學研究等。同時，在軌飛行太空體驗、太空城、太空采礦與殖民地外行星等項目也紛紛涌現。其中，短時間的太空體驗相對而言是最容易實現的，沒有技術瓶頸，對傳統航天技術加以改進即可實現。

為滿足人們內心的憧憬和向往，SpaceX、維珍銀河、藍源和行星資源等公司均開設了新的太空旅游和礦產開發等業務板塊。其中，SpaceX公司的龍飛船主要基于空間站貨運飛船研制而成，其內部設計更多的體現了人機交互和體驗感觀。維珍銀河公司的太空船二號火箭飛機可載6名乘客進行約5分鐘的失重飛行體驗以及觀光太空和地球全貌。目前，預定未來太空體驗的人次非常多，外星礦產開發方案也正在積極制定中，有望形成新的旅游和礦產開發產業。

分析與啟示

1.探索破解產業鏈中的痛點

近年來，美國新興的私營航天企業發展異常迅速，新概念、新格局正在快速形成，究其原因正是世界航天產業經過長期的沉淀，加上新興科技的不斷出現，使得企業擁有了強大的驅動力，能夠利用新科技破解產業鏈中的痛點。這些新興企業也只有通過這種路徑才能成功，否則與老牌航天企業開展同質同類競爭，可能很快就會敗下陣來，占不到理想的市場份額。在美國政策、科技與資本相對開放的環境中，每個新興企業都會尋找1-3個痛點，作為自己的突破和立足之本，最為突出且最有成效的就是SpaceX的運載火箭。

此外，產業鏈痛點恰恰也是老牌航天企業無暇顧及的領域，對于它們而言，投入人、財、物突破這些約束，遠遠不如繼續發揮優勢競爭美國政府和軍方大型系統或裝備項目更加經濟實惠。

2.在巨大風險中開辟產業新航道

雖然上述美國新興私營航天企業都取得了有效的突破，新概念和新技術有著美好的前景，但其發展過程中往往經歷著無數次的生死存亡。到目前為止，相對而言最成功的SpaceX公司，也曾一度瀕臨破產。直到他們拿到了NASA授予的15億美元合同方才轉危為安。同樣面臨過絕境的螢火蟲宇航公司，曾在2016年遭遇歐洲投資方突然撤資，公司資金鏈斷裂后被迫裁員清算，項目停滯，后幸好有美國投資機構Noosphere Ventures公司將其資產與技術全部買下重新組建并繼續開發項目。此類情況幾乎在每家新興私營航天企業都存在。

即使目前這些新興企業能夠正常運轉，但未來仍然存在很多變數，并不一定都能取得項目成功，如低軌衛星寬帶網絡還存在著對地通信模式上的不確定性，大量衛星入軌還存在如何發射以及經濟性的問題，3D打印還存在部件之間材料成分差異的問題。但不論未來發展如何，美國的新興企業已經開辟了航天產業的新航道，它們在不斷嘗試徹底突破瓶頸和約束，必將在未來某些領域帶來顛覆性影響，為人類航天的發展找到新的突破口。