航天發射領域突破性發展趨勢分析

常建龍 段心磊 邵旭東 趙永娟 張鵬飛 韓冰

摘要：隨著通信及互聯網技術的發展，以小衛星組網為基礎的天基互聯網應用模式成為世界航天大國爭相發展下一個熱點，本文以克里斯坦森的突破性發展趨勢分析方法為基礎，在當前航天發射市場需求變革的背景下，對比固體運載火箭與傳統液體火箭的優勢與劣勢，認為固體運載火箭將以其快速性、易用性帶來航天發射市場的突破性發展。

Abstract： With the development of communications and Internet technology， the space-based Internet application model based on small satellite networking has become the next hot spot for the development of the world's space powers. This article is based on Christensen's breakthrough development trend analysis method. In the context of the current demand changes in the space launch market， comparing the advantages and disadvantages of solid launch vehicles with traditional liquid rockets， it is believed that solid launch vehicles will bring about a breakthrough in the space launch market with its rapidity and ease of use.

關鍵詞：突破性發展趨勢;航天發射;固體火箭

Key words： breakthrough development trend;space launch;solid rocket

中圖分類號：V4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）20-0212-02

0? 引言

基于衛星組網形成的天基衛星網，可以實現信息流互聯，將海陸空三方信息融合[1]，使得衛星網絡系統可以在戰場上更加快速地搜集戰略情報，更加準確地感知戰場態勢。

火箭發動機的種類有液體火箭發動機和固體火箭發動機等。固體火箭發動機與液體相比其體積較小，但更容易提供穩定的大推力，發射操作也更加簡單。基于近年來航天科技的發展形勢，作為將中小型衛星快速送入預定軌道的運載工具，固體小型運載火箭依靠其簡單結構、成本較低、可靠性高以及極強的機動性等優勢廣泛應用于衛星發射任務。

現如今，太空探索已經是眾多企業的一項業務，固體運載火箭和小衛星組網的結合已經踏入商用領域[2]。固體燃料在同等造價下，能夠提供比液體燃料更大的推力，使用固體發動機也有助于減輕火箭總體質量[3]。因此固體小型運載火箭是目前空間運輸火箭發展的一個重要方向，具有廣闊的發展前景和用途。

同時，由于固體火箭發射成本的降低，會推動小衛星的規模化發展，能夠滿足未來高效、倉儲化、廉價、規模化、小型化的小衛星戰術應用需求，具有良好的市場前景[4]。

歷經40多年的建設和發展，我國的固體火箭發動機技術達到了較高的水平。未來，小型固體運載火箭和小衛星的結合或許將成為開發宇宙空間的重要戰略平臺[5]。

1? 突破性發展趨勢分析方法

1.1 突破性發展趨勢分析方法的背景

20世紀末，大量在傳統領域領先的企業在面對技術變革與市場變化時被迅速淘汰或淪為二流企業。有部分優秀企業，其本身管理并未出現問題，僅僅因忽略或錯誤評估行業的發展趨勢便在短短時間內破產重組，這種現象令管理業內人士困惑不解。管理學業內人士提出了多種解釋試圖分析此類企業衰落的共性。其中哈佛商學院克里斯坦森將行業技術發展分為“延續性技術”與“突破性技術”，并認為一些優秀企業之所以快速被行業所拋棄，正是沒有正確應對行業中突破性技術的發展，突破性技術帶來了行業發展趨勢的突破性，造成了行業企業的洗牌。

本文基于克里斯坦森針對商業市場突破性發展趨勢的分析方法，針對商業航天發射領域中的突破性技術開展分析，預測運載火箭發展中的突破性趨勢。

1.2 突破性發展趨勢分析方法

要針對商業市場的突破性發展趨勢開展分析，首先必須明晰其突破性發展產生的機理：①突破性發展趨勢往往是由市場中突破性產品的暢銷而導致的。②突破性產品均采用了在主流市場不被廣泛認可的突破性技術。③突破性產品由于采用突破性創新技術，在初期往往會造成性能降低，但由于其擁有非主流客戶所重視的價值，在新生市場或邊緣市場上得以生存。④突破性產品最終的暢銷是隨著技術的發展其性能逐步提升，具備了滿足主流市場用戶需求的能力，同時依靠其不同于傳統產品的特點在主流市場上具備了強大的競爭力。

開展突破性趨勢分析的前提是必須明確何為突破性創新技術。一般而言，技術對何種性能進行改善，是區分“延續性創新技術”與“突破性創新技術”的唯一標準。若技術著眼于改善主流客戶所重視的產品指標，則此種技術被稱為“延續性創新技術”;若技術改善的性能指標不被主流市場認可，反而在邊緣市場受到歡迎，則可被稱為“突破性創新技術”。

突破性產品由于采用突破性創新技術可能會造成性能降低，其誕生初期最大的問題是如何尋找到認可其價值的市場;突破性產品的進一步發展需要行業技術的進步，并且進步的速度需快于市場需求的提升。突破性產品性能滿足主流市場需要時，其即具備了從邊緣市場進入主流市場的能力。

突破性產品在新生市場或邊緣市場的主導地位并不能影響主流市場的發展趨勢，所以，開展行業突破性發展趨勢分析主要有以下步驟：①尋找行業內突破性技術及產品，分析其優勢及劣勢;②尋找并重視突破性產品優點，使其在市場中得以生存;③評估突破性產品性能發展趨勢及主流市場用戶需求發展趨勢，判斷突破性產品性能是否能夠滿足主流用戶市場需求;④對比分析主流產品與突破性產品，判斷其是否可帶來行業的突破性發展趨勢。

2? 固體運載火箭的突破性

目前世界商業航天發射市場中主流產品均為一次性的化學能運載火箭，在我國，航天發射基本均選用長征二號丙、丁等系列液體運載火箭，固體運載火箭仍處于邊緣行列。

2010年開始，我國陸續啟動多型固體運載火箭的研制工作。由于采用固體發動機，火箭結構簡單、可長期貯存、售價低，且因不需要射前加注燃料，原則上不受發射工位約束，可支持超高密度的快速發射，是一種典型的突破性產品。

但由于受到我國固體動力技術發展的制約，目前我國市面上主流固體運載火箭的運載能力均遠遠小于傳統的液體火箭，如長征十一號運載火箭的運載能力為500kg/500km，無法滿足主流發射市場的需求;且每公斤載荷的成本是液體火箭的一倍左右，在主流市場上尚不具備競爭能力。

近年來，衛星制造的成本隨著技術發展而逐漸降低，釋放了科研機構、中小型企業對衛星的需求。但其中重量低于500kg的小衛星占據所有衛星數量的60%以上，且微納衛星居多。此類衛星的研制機構往往無力承擔動輒幾個億的中、大型火箭，同時由于科研周期或融資周期等因素，對發射服務的時效性要求較高。而執行國家任務的火箭周期一般以年計算，雙方需求無法契合。此時，可快速履約、高密度發射的固體運載火箭受到小衛星發射市場的青睞。

3? 航天發射市場需求趨勢分析

目前世界各國航天發射市場仍是以國家任務為主，而商業任務體量較小，處于萌芽階段。以我國為例，衛星發射市場的主流載荷仍是以“北斗”導航系統為代表，任務需求與固體運載火箭能力相去較遠，因此通常采用大型長征系列火箭執行發射任務。

但是隨著衛星的載荷微型化發展趨勢，目前世界各國衛星發射呈現出“小衛星、大組網”的“互聯網+”新型運營模式，對火箭的需求遵循著“功能選擇-性能選擇-可靠性選擇-價格選擇-便易性選擇”的規律，從性能逐漸向著火箭可靠性、快速性等方面轉變。

SpaceX公司于2017年提出星鏈計劃，將發射12000顆低軌衛星以向全球提供高速寬帶接入服務，同時借此推進美國空軍天基互聯網項目的實施;2019年5月，SpaceX使用獵鷹-9號運載火箭成功發射其星座的首批60顆衛星，單星重量227kg。此外，我國“鴻雁”等低軌寬帶互聯網通信星座項目計劃在未來部署200-600顆小型衛星，在天基互聯網領域占據一席之地。

西歐各國作為傳統航天強國，歷來重視小衛星的技術發展及應用。歐盟《歐洲空間技術發展優先級于路線圖（2018-2030）》對歐洲小衛星發展提出了明確規劃，2021年完成小衛星星座在氣候監視、能源安全和智能交通等方面應用的關鍵技術研究。在此趨勢下，固體運載火箭的能力將逐漸接近與主流用戶需求。

4? 固體運載火箭的發展趨勢

固體運載火箭牽引了固體動力技術的發展，正在研制中的快舟十一運載火箭運載能力預計為1噸左右，已站在了主流市場的門檻處，而航天科技集團200噸推力固體發動機的成功試車，推動著新研制的長征十一甲運載火箭的能力大幅提升，預計將達到長征十一運載火箭能力的三倍，其運載能力已于國際上主流固體運載火箭如金牛座持平，可滿足主流市場用戶的基本需求。

隨著2019年我國首次運載火箭海上發射飛行試驗的成功，又為固體火箭帶來了兩大優勢：

①我國長征系列固體運載火箭同時具備海、陸雙模式發射能力，進一步降低了對發射場的依賴，可通過改造現有大型船舶，在短時間內具備同時執行多次發射任務的能力。②海上發射固體運載火箭可通過船舶航行調整發射點，具備將低傾角、零傾角衛星送上太空的能力，這與天基互聯網星座需求不謀而合。

5? 中、大型運載火箭在小衛星發射市場的困境

長征二號、三號系列火箭目前主要執行國家任務，僅在運載能力有一定富裕時，會遴選部分符合需求的中小型衛星進行搭載發射;由于液體火箭必須在發射場的特定工位執行發射任務，且在發射后必須對發射臺架進行檢修，發射密度受到嚴重制約，全年發射次數有限，無力執行商業發射任務。

對于中大型運載火箭搭載發射，無論衛星大小，每顆衛星均需要開展星箭接口協調，重新調整衛星布局，明確星箭機械電氣接口和電磁兼容性等內容。協調量隨著衛星數量的增加而增加，會耗費較長的準備周期并造成資源的大量占用。但由于小衛星每次發射的數量多，以目前商業航天市場按載荷重量計算發射費用的方式，其對火箭產品的效益有限，有時竟難以彌補人員費用。因此，中大型運載火箭難以執行商業搭載發射任務。

6? 結束語

當前的航天應用市場呈現出“航天技術”與“互聯網技術”深度融合的趨勢，天基互聯網、物聯網等概念的提出與實施帶動著小衛星組網的迅速方向發展，對運載火箭的快速性、可靠性的重視程度逐年上升;市場需求的變化為固體運載火箭及航天發射市場的突破性發展奠定了基礎。同時，固體動力技術持續進步，固體運載火箭能力的提升進一步契合了主流用戶的需求。固體運載火箭將以其可靠、便捷的特點，必將推動航天發射領域的新發展。

參考文獻：

[1]劉哲聿.衛星組網結構設計與仿真[D].西安電子科技大學， 2011.

[2]唐亮，劉鴻鵬，何慧東.全球小衛星現狀及發展[J].國際太空，2019（06）：36-41.

[3]龍威，徐拓，劉曉，等.關于我國商業運載火箭發展的思考[J]. 軍民兩用技術與產品，2019（7）：40-43.

[4]任慶華，劉雙，張海龍，等.固體小運載火箭發動機的現狀及發展趨勢分析[J].現代防御技術，2016，44（05）：40-45.

[5]王晨.民營航天企業為啥青睞固體運載火箭[N].中國航天報，2019-08-10（003）.