SpaceX公司發(fā)展情況分析

楊偉杰 程磊 龐英娜 楊榕 （中國空間技術研究院）

美國太空探索技術公司（SpaceX）是由伊隆·馬斯克（Elon Musk）于2002年創(chuàng)立的私營航天企業(yè)，發(fā)展了“獵鷹”（Falcon）系列運載火箭、“龍”(Dragon)飛船、“載人龍”(Crew Dragon)飛船、“星鏈”(Starlink)星座等航天系統(tǒng)，業(yè)務覆蓋發(fā)射服務、貨物與乘員運輸、低軌寬帶通信服務等領域，取得了多項突破，已經成為美國商業(yè)航天企業(yè)的先鋒力量，為世界航天發(fā)展注入了新的活力。

1 SpaceX公司基本情況

進入21世紀以來，以美國為首的世界航天強國逐步調整自身的航天政策，強調擴大國際合作、增強空間安全及發(fā)展商業(yè)航天。在這一政策的指引下，美國政府越來越重視商業(yè)航天發(fā)展對于整個航天領域的促進作用。在美國《國家航天政策》中特別提到“美國政府將致力于鼓勵并推動美國商業(yè)航天的發(fā)展，滿足美國自身的需要、形成全球競爭力，加強美國在新興市場和創(chuàng)新驅動型企業(yè)中的領導地位”。

在此背景下，SpaceX公司于2002年創(chuàng)立，目前擁有員工約6000人；最初主要提供商業(yè)航天發(fā)射服務，隨后逐步將業(yè)務擴展至載人航天貨物運輸和乘員運輸、低軌寬帶通信服務等領域，開創(chuàng)了首枚商業(yè)火箭發(fā)射載荷、首次運載火箭回收與復用、首艘商業(yè)貨運飛船與“國際空間站”（ISS）對接、首艘商業(yè)載人飛船運送航天員等，成為世界航天的重要力量。

SpaceX公司的主要里程碑事件如下：

2002年6月，公司注冊成立；

2006年3月，開展首次發(fā)射活動，獵鷹－1 火箭首飛任務失敗；

2006年8月，獲得美國國家航空航天局（NASA）“商業(yè)軌道運輸服務”（COTS）合同；

2008年9月，首次成功發(fā)射獵鷹－1火箭，將載荷送入軌道；

2008年12月，獲得NASA“商業(yè)補給服務”（CRS）合同；

2010年6月，獵鷹－9首次發(fā)射，取得成功；

2010年12月，“龍”飛船首飛成功并安全返回；

2012年5月，“龍”飛船成為首個與“國際空間站”對接的商用航天器；

2014年9月，獲得NASA“商業(yè)乘員運輸服務”(CCtCap)合同；

2015年12月，獵鷹－9火箭一級首次陸地回收成功；

2016年4月，獵鷹－9火箭一級首次海上回收成功；

2017年3月，首枚重復使用的獵鷹－9火箭一級成功發(fā)射；

2017年6月，首艘重復使用的“龍”飛船成功發(fā)射；

2018年2月，“獵 鷹 重 型”（Falcon Heavy）運載火箭首飛成功，成為現(xiàn)役運載能力最大火箭；

2018年2月，“星鏈”計劃首批2顆試驗星成功發(fā)射；

2019年3月，“載人龍”飛船首飛成功并安全回收；

2019年5月，“星鏈”計劃首批60顆工作星成功發(fā)射；

2020年5月，“載人龍”飛船首次載人飛行，美國恢復載人航天運輸能力。

2 SpaceX公司主要業(yè)務與產品

運載火箭

SpaceX公司在美國政府支持下相繼發(fā)展了獵鷹－1、獵鷹－9、“獵鷹重型”等多型火箭，并正在研制“超重-星艦”（SuperHeavy-Starship）運輸系統(tǒng)。SpaceX公司從2013年9月開始提供商業(yè)發(fā)射服務，已發(fā)展成為商業(yè)發(fā)射市場的重要參與者，2018－2020年，SpaceX公司發(fā)射次數(shù)占全美發(fā)射次數(shù)的55%。

獵鷹－1火箭

1）獵鷹－1火箭。獵鷹－1火箭是SpaceX公司借助美國國防部高級研究計劃局(DARPA)資助，耗資900萬美元研制的小型低成本兩級運載火箭，也是該公司研制的第一型運載火箭。箭體全長21.3m，直徑1.7m，火箭一、二級均使用液氧/煤油作為推進劑，近地軌道（LEO）運載能力670kg，可執(zhí)行多星、多軌道發(fā)射任務。獵鷹－1火箭前3次發(fā)射失利，第4次發(fā)射才取得圓滿成功，在2009年7月14日完成第5次發(fā)射后，未再承擔任何發(fā)射任務，目前已經退役。但SpaceX公司在獵鷹－1火箭研制過程中積累的技術、經驗都為后續(xù)產品的開發(fā)提供了重要基礎。

2）獵鷹－9系列火箭。獵鷹－9火箭是一款中型、低成本、兩級構型的運載火箭，以液氧/煤油作為推進劑，主要執(zhí)行近地軌道空間站貨物/乘員運輸、高軌通信衛(wèi)星發(fā)射、太陽同步軌道（SSO）遙感衛(wèi)星發(fā)射等多種任務。獵鷹－9研制時間為4年半，研制費用約3億美元，發(fā)射費用約6200萬美元。目前，獵鷹－9系列火箭共進行了3次較大改進，先后形成4種型號，最新的獵鷹－9 Block5構型可實現(xiàn)LEO軌道22.8t、地球同步轉移軌道（GTO）8.3t的運載能力。獵鷹－9系列火箭自2010年首飛至2020年底已完成102次發(fā)射，其中完全成功100次，部分成功1次，失敗1次，發(fā)射成功率為98%。

3）“獵鷹重型”火箭。“獵鷹重型”由三枚一級助推器捆綁火箭二級構成，其研制費用約為5億美元，發(fā)射費用為9000萬美元。“獵鷹重型”火箭可實現(xiàn)近地軌道63.8t，地球同步轉移軌道軌道26.7t的運載能力。截至2020年底，獵鷹重型火箭共執(zhí)行3次發(fā)射任務且全部取得成功：2018年2月完成首飛，將一輛特斯拉跑車送入環(huán)日軌道；2019年4月成功將商業(yè)衛(wèi)星送入GTO軌道；2019年6月成功將23顆衛(wèi)星送入SSO軌道。

獵鷹－9火箭

“獵鷹重型”火箭

4）“超重-星艦”運輸系統(tǒng)。SpaceX公司在2016年9月正式對外公布了“星際運輸系統(tǒng)”（ITS），瞄準人類殖民火星以及星際探索，后逐漸演化成“超重-星艦”運輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)為重型運輸系統(tǒng)，采用兩級構型，由一級“超重”和二級“星艦”組成，使用液氧/ 甲烷推進劑。火箭全長約120m，箭體直徑9m，起飛質量5000t，完全重復使用情況下LEO軌道運載能力超過100t。SpaceX公司從2018年開始先后研制3個系列的試驗樣機并持續(xù)開展試飛工作，包括試飛樣機“跳蟲”（Hopper）、全尺寸原型樣機Mk系列和SN系列。目前已實現(xiàn)12.5km高度試飛，還需要對熱防護、高精度制導等技術進行攻關。

載人及貨運航天器

1）“龍”飛船。NASA為滿足定期向“國際空間站”運送貨物的需求，提出了“商業(yè)軌道運輸服務”計劃，發(fā)展商業(yè)運輸服務和相關市場。在NASA支持下，SpaceX公司研發(fā)了“龍”飛船，飛船可重復使用，最大可上行載荷6t，下行載荷3t。NASA向SpaceX公司授出“商業(yè)補給服務”合同，第一階段合同包括20次補給任務，2020年3月SpaceX公司已全部完成，2020年12月已啟動第二階段“商業(yè)補給服務”。截至2020年底，SpaceX公司利用“龍”飛船執(zhí)行22次“國際空間站”運輸任務，其中21次取得成功，為“國際空間站”運送超過40t貨物。

“超重-星艦”運輸系統(tǒng)

“龍”飛船

2）“載人龍”飛船。航天飛機退役后，美國只能依靠俄羅斯“聯(lián)盟”（Soyuz）飛船執(zhí)行載人航天飛行任務，為擺脫對外依賴，NASA加快推動商業(yè)乘員運輸服務發(fā)展，支持SpaceX公司的“載人龍”飛船和波音公司（Boeing）的CST－100“星際客船”（Starliner）。“載人龍”飛船采用兩艙段設計方案，獨立飛行時可工作1周，對接狀態(tài)下可工作210天，設計最多可搭乘7名航天員，除滿足NASA航天員和貨物運輸需求外，剩余運力還可用于太空旅游等應用。該飛船于2019年3月成功完成無人飛行試驗；于2020年5月開啟載人飛行試驗，這也是航天飛機退役后時隔近9年，美國再次自主將本國航天員送入軌道；2020年11月，“載人龍”飛船完成全部認證工作，開啟首次正式商業(yè)乘員運輸服務。

低軌通信衛(wèi)星星座

SpaceX公司低軌互聯(lián)網星座項目最早于2015年提出，致力于利用大規(guī)模低軌衛(wèi)星提供全球高速寬帶接入服務。“星鏈”計劃分為三期建設，衛(wèi)星總量約12000顆。I 期和 II 期約 4400 顆衛(wèi)星的研制和發(fā)射是最優(yōu)先發(fā)展的工作，III 期 7518 顆衛(wèi)星的部署是未來規(guī)劃。2020年3月，SpaceX公司再次向美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）申請30000顆低軌衛(wèi)星。

2018年2月，SpaceX公司成功部署2顆試驗通信衛(wèi)星；2019年5月，獵鷹-9火箭成功發(fā)射60顆“星鏈”衛(wèi)星，開啟大規(guī)模部署；截至2020年底，SpaceX總共通過17次發(fā)射部署了955顆“星鏈”衛(wèi)星。

3 SpaceX公司發(fā)展分析

借助政府政策支持實現(xiàn)突破性進展

“載人龍”飛船

“星鏈”星座示意圖

政府支持對SpaceX公司發(fā)展起到了至關重要的推動作用。美國自20世紀80年代已開始引導NASA拓展商業(yè)航天市場，通過這一策略降低成本、加快技術創(chuàng)新、提高任務效率。美國現(xiàn)行的《國家航天政策》中確定了商業(yè)航天的發(fā)展方針，即通過采購政策、體制創(chuàng)新來推動商業(yè)航天的發(fā)展。根據(jù)上述政策，SpaceX公司利用獵鷹－9與“龍”飛船等系統(tǒng)為政府提供發(fā)射和運輸服務。

NASA向SpaceX公司提供了技術轉讓，包括開放技術資料、派駐技術人員、轉讓專利等。此外，NASA還提供了研發(fā)設備與試驗場地，允許SpaceX公司使用測試臺開展熱試車試驗；美國空軍和NASA均將發(fā)射工位租賃給SpaceX公司，為SpaceX公司降低航天活動成本提供了條件。

獲得政府和資本市場資金實現(xiàn)快速成長

航天是一項高難度、高投入的活動，發(fā)展過程中需要大量資金持續(xù)支持，SpaceX公司的發(fā)展得到了政府合同和資本市場的資金支持。

在政府合同方面，SpaceX公司通過商業(yè)貨物運輸研發(fā)和服務合同累計獲得約35.96億美元，通過商業(yè)乘員運輸研發(fā)、認證和服務合同，累計獲得約31.25億美元。在資本市場，2002年6月，馬斯克利用個人資產成立了SpaceX公司，隨后他多次追加投資，并在資本市場進行了多輪融資。截至2020年底，SpaceX公司通過39輪融資累計獲得54.5億美元，公司估值超過600億美元。在大量資金持續(xù)支持下，SpaceX公司業(yè)務快速發(fā)展，年收入約30億美元，人均產值達到50萬美元。

依托美國發(fā)達的工業(yè)體系實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展

SpaceX公司的發(fā)展離不開美國整個工業(yè)體系的支持。美國航天工業(yè)具有最高技術水平和最完善的產業(yè)鏈，還有眾多經驗豐富的工程人員。在美國強大的裝備制造業(yè)和航天工業(yè)的支持下，SpaceX公司的發(fā)展具備了良好的工業(yè)基礎。

例如，SpaceX公司使用的2195鋁鋰合金以及攪拌摩擦焊，不需要像其他國家航天企業(yè)那樣獨立研發(fā)工藝與設備。2195鋁鋰合金早已在美國航天飛機外掛燃料箱上使用，而攪拌摩擦焊可以直接購買成套設備，高度發(fā)達的工業(yè)配套很大程度上降低了火箭的開發(fā)費用。SpaceX公司的成功是美國航天工業(yè)市場造就的，完善的市場體系和良好的市場環(huán)境為SpaceX公司發(fā)展提供了重要的支撐，對不斷提高勞動生產率和技術水平，優(yōu)化資源配置發(fā)揮了重要的作用。

營造寬容的發(fā)展環(huán)境鼓勵持續(xù)創(chuàng)新

航天是一項高風險的活動，美國為航天企業(yè)發(fā)展營造了寬松的環(huán)境。SpaceX公司在研制獵鷹－1火箭過程中，前三次發(fā)射全部失敗，但馬斯克認為，“在我們這里，失敗也是一種選擇。如果沒有失敗，你就沒有足夠的創(chuàng)新。”2019年4月20日，SpaceX公司“載人龍”飛船“超級天龍”（SuperDraco）發(fā)動機在靜態(tài)點火試驗中發(fā)生爆炸，飛船損毀嚴重，此次事故大大推遲了“載人龍”飛船的任務進度。NASA局長在聲明中稱，“這正是我們需要測試的原因，我們要從中不斷學習，做出必要調整，安全地推進我們的商業(yè)乘員計劃。”容許試錯和失敗的文化對于鼓勵創(chuàng)新有積極意義。

構建扁平的內部管理體系實現(xiàn)高效率發(fā)展

SpaceX公司的快速發(fā)展與公司內部高效的組織管理體系密不可分。馬斯克根據(jù)在硅谷的創(chuàng)業(yè)經驗，認為小型精英化團隊的工作效率和準確度更高，一個技術過硬的小團隊總是會打敗技術中等的大組織。因此，SpaceX公司組建了一支擁有世界級頂尖技術水平的精英團隊。

SpaceX公司整體上采用的是扁平化管理結構，以提高公司運行的效率，通過縮短信息鏈條降低溝通成本，既能夠將創(chuàng)新的想法和概念及時傳達到領導決策層，也能夠使相關決策及早地傳達到基層并迅速實施，同時還使研發(fā)與生產的聯(lián)系更為緊密。研發(fā)人員在設計之初，就會考慮材料和工藝的可實現(xiàn)性，隨時到車間與生產人員直接溝通，及時了解相關技術是否具備投產條件。事實證明，管理的扁平化保證了整個研發(fā)工作團隊的效率，節(jié)約了管理成本。

采用“核心技術自主研發(fā)、通用技術大量采購”的理念

SpaceX公司對內改變傳統(tǒng)的管理體制、對外摒棄分包商，降低了成本并提高了工作效率。與多數(shù)宇航制造商不同，SpaceX公司采取自我設計、自我生產的方式，火箭、飛船、衛(wèi)星的全部制造和裝配過程都在一個廠房內完成，這種“垂直集成”方式使得設計者和制造技術人員能更加有效地協(xié)作，加快研制進度。同時，SpaceX公司堅持自主研發(fā)核心技術，自主設計、測試并制造了“灰背隼”（Merlin）系列、“猛禽”（Raptor）系列火箭發(fā)動機。

SpaceX公司在技術上并不追求最先進，而是創(chuàng)造性地大量采用低成本、高可靠的成熟技術，把目標定位在優(yōu)化產品可靠性和安全性的同時兼顧進度和成本。設計者不但要在選擇零件時合理避免昂貴的航天級產品，而且在運行過程中也盡量尋找低成本的商業(yè)替代品。

4 結語

SpaceX公司憑借低成本開發(fā)理念、持續(xù)技術創(chuàng)新，迅速在世界航天領域占有一席之地。美國政府的政策支持、完善的資本市場和工業(yè)體系為SpaceX公司快速發(fā)展提供了良好基礎，該公司容許失敗的創(chuàng)新文化氛圍、扁平高效的組織管理模式、自主研發(fā)和商業(yè)采購并重的發(fā)展理念也為其持續(xù)突破發(fā)揮了關鍵的作用，對我國航天能力發(fā)展具有重要啟示作用和借鑒意義。