基於產業思維的航天發射服務研究
支持保護知識產權，轉載請註明出處及作者。
本文首先從核心驅動出發提出航天發展三階段第一推動力，從產業要素出發分析航天產業進階的市場、技術和產業政策三要素。而後從價值鏈出發研究航天產業產值分布和產業整合策略。最後分析了新興航天發射服務公司的模式、產品和技術，為我國航天發射服務提供參考。
1 抓住太空 2.0 時代發展機遇
2010 年以來,全球航天產業正處於能力與市場快速發展的新時期,航天已經從傳統服務於國防、民用和探索,進階為與互聯網融合,服務於民生,創造新市場,推動世界經濟增長的新引擎。
以美國為代表的航天強國在 20 世紀 90 年代推進軍民融合轉型,布局商業航天,以政府採購等政策激勵催生了多家私營航天企業,涵蓋了運載火箭發射服務、衛星通信、遙感圖像、導航定位、空間居住、數據服務等航天產業的眾多環節。
在新技術持續突破、 「航天 + 互聯網」跨界融合、國家產業政策鼓勵、風險投資湧入等多重因素聚 集 下, 全 球 航 天 產 業 即 將 進 入 太 空 2.0時代 。
太空 1.0 時代主要由 「冷戰驅動、政府主導」,如圖 1 所示。從零到一逐步構建了運載火箭發射、衛星應用、空間站、發射場和地面測控網等龐大的航天基礎設施。
太空 2.0 時代是大眾利用太空的時代,主要由「萬物互聯、天地一體」驅動。起於 20 世紀 90 年代衛星星座計劃,以 「服務大眾、商業盈利」為目標的商業航天重新整合太空 1.0 時代的航天產業資源,以 「三創新」(商業模式、產品和技術)實現航天的內生性自我推動航天與大眾生活深度融合。
為抓住太空 2.0 時代航天產業興起的戰略機遇,本文從第一推動上將航天產業發展劃分為 3 個階段,從價值鏈上梳理了航天產業業務分布及產業整合策略,分析新興航天發射公司模式、產品和技術,為航天傳統發射服務在太空 2.0 時代的新發展提供參考。
2 航天產業進階三要素齊聚
一個新興行業從出現到大眾普及需要突破技術、產品和市場三個階段。
從 1957 年第一顆衛星上天至今,航天運輸發展了 60 余年,突破了一次性技術,解決了進入空間工具的有無問題。 20 世紀 90 年代低軌衛星通信星座興起,美國政府逐步制定有關鼓勵航天軍民融合、商業航天的政策和法律,航天產業化所需的系統環境逐漸出現。
預計 1991 — 2030 年前後,航天商業化和商業航天將興起,與政府共同主導航天發射服務產業。在 「萬物互聯、天地一體」推動下,物聯網、大數據、人工智慧和航天產業跨界融合,引領未來新的經濟增長。
2.1 新市場即將興起
兩大潛在市場的興起將改變航天發射服務產業格局。一是大規模低軌衛星星座應用,二是近地軌道商業載人航天 。
如表 1 所示,從 20 世紀 90 年代提出低軌通信衛星星座,歷經近 30 年三代發展,大規模商業化的低軌衛星星座即將進入部署應用階段。空間探索、波音、一網 ( OneWeb )、加拿大開普勒通信、另外的三十億 ( O3b )等眾多商業公司提出了大型低軌星座,頻段以 Ka 、 Ku 、 V 為主,服務於全球寬頻及窄帶通信、綜合地球觀測、地球成像等 。
商業載人航天是未來最大的潛在新興市場。自 2006 年美國實施商業軌道運輸 ( COTS 計劃),追求近地軌道載人航天能力的私營機構發展初見成效。空間探索公司獵鷹 9 火箭、藍色起源公司的新格林火箭等具備了近地軌道商業載人發射能力;空間探索公司 (龍飛船)、波音公司 (星際客車)、內華達山脈公司 (追夢者)將在 2020 年前後實現空間站載人商業運輸;與 NASA 合作,畢格羅公司充分驗證了充氣式試驗艙技術,計劃建立獨立運行的商業太空旅館 (BA330 艙段對接); XCOR宇航公司、維珍銀河、藍色起源等多家公司即將提供太空旅遊產品和服務 。
2.2 新技術持續突破
低軌即時移動通信業務、商業載人航天業務興起需要突破以下技術:
(1 )高通量數字通信技術
正如移動互聯網的帶寬決定生意大小,衛星高通量數字通信技術決定衛星未來增強移動帶寬(可感知互聯網、增強現實、虛擬現實等)、關鍵業務服務 (自動駕駛汽車、工業自動化、智能電網)和海量物聯網業務的大小。目前點波速覆蓋的 HTS 衛星技術已經在高軌通信衛星實現,通信帶寬為 10Tbit / s 。
(2 )衛星應用終端的通用化技術
以智能手機為代表的小型、低成本移動終端產品。
(3 )超小型相陣控天線技術
普通用戶接入近地軌道衛星網路提供的網路服務,需要低成本、小型化、易攜帶的超小型相控陣天線,解決個人手持終端功率不足問題。 OneWeb 公司的策略是引入電信公司、可口可樂 (無人售貨機)等戰略合作聯盟。
近地軌道商業載人業務興起需要大幅降低發射服務費用,提高載人安全可靠性量級 (如飛機一樣) ,目前正在驗證的新技術有:垂直起降重複使用技術、充氣式空間站技術、重複使用飛船技術等。
2.3 法律與政策不斷完善
1998 年美國通過 《商業航天法案》,以法律形式再次強調了對商業航天領域發展的重視; 2010年公布 《美國國家航天政策》,大力支持商業航天部門發展; 2015 年美國通過 《商業航天發射競爭力法案》; 2016 年美國通過 《太空復興法案》,增加美國聯邦航空局 ( FAA )授權基金,增加商業衛星數據採購。
美國商業航天法案政策主要聚焦: 1 )市場准入 (規範); 2 )技術擴散; 3 )投資鼓勵 (政府背書); 4 )市場容量有限下的政府採購。如圖 2 所示,美國航空航天局從2005 年啟動商業乘員與運輸 G3P 計劃,至今經過三個階段,已成功由商業貨物運輸進入商業載人運輸。
3 整合航天產業形成規模經濟
從發射運輸服務到衛星應用,再到衛星通信、能源、物聯網、人工智慧和大數據等跨界融合,其中發射服務是小眾市場,掌握航天產業的入口;衛星作為航天產業的空間物質基礎,其流量帶寬成為通信、人工智慧、大數據等產業興起的核心樞紐之一。
市場容量決定產業大小,市場特點引領業務定位及服務模式;性價比、便捷性、可靠性等成為發射服務市場的核心競爭力。航天發射服務與汽車 (百萬輛)、飛機 (千架)等不同,全世界每年百次左右發射,實現商業持續盈利需要尋找新的業務增長點或者新的業務模式。
3.1 航天產業價值鏈分布
衛星產業主要包含衛星服務業、衛星製造業、發射服務業和地面設備製造業。如圖 3 所示 ,基於 2012 年— 2016 年衛星產業狀況分析,火箭發射服務業規模在 50 億 ~70 億美元/年,息稅前利潤率 ( EBITAD )低於 10% ,衛星服務業價值最高,
年均規模在 2000 億美元左右, EBITAD 約 5%~30% ,成為各方角力的 「主戰場」。
航天產業存量業務 (航天器製造與發射、衛星通信/導航/遙感、太空探索等)有限,尤其是發射服務業目前年均僅有 70~90 發,美蘇冷戰時期最高 120 發左右。
3.2 航天發射服務特點
當前國際航天發射服務是市場經濟、法制經濟,尚未達到規模經濟,非完全自由經濟。
(1 )小規模經濟
對於單一型號主力火箭, 2014 年聯盟火箭在 3個發射場發射 22 發;獵鷹 9 火箭 2017 年執行 18發任務;對於小火箭,有可能幾年執行一次發射任務 (如飛馬座火箭、米諾陶火箭等) 。
根據阿里安火箭公司預計,年均發射量 5 枚以上可以達到收支平衡。商業發射目前約佔發射任務的 1 / 3 ,假定年均 90 次發射,約合 30 次商業發射任務,預計現有純商業發射僅僅能支持兩三家發射服務商生存。
(2 )非完全自由經濟
發射服務客戶主體是政府,發射服務必須符合國家利益和出口管制。根據美國國際武器貿易條例 (ITAR ),衛星上使用美國元器件的不能用中國的火箭發射。
3.3 航天產業整合模式
航天產業中通信衛星應用實現了商業化運營,而發射服務為任務導向型,發射費用高,需求少,依託市場形成自生循環的規模經濟相對較困難,主要通過內部垂直整合和外部橫向整合提升產業規模和效益。
(1 )發射服務垂直整合
新興太空發射服務公司以抓入口模式整合發射服務產業鏈,如火箭試驗室公司 ( RocketLab )、空間探索公司等。
國內航天科工火箭公司選取空間探索公司發展策略,抓火箭入口整合發射產業鏈,而後以虹雲工程為核心整合衛星產業鏈,引領太空 2.0 時代的新產業發展。
(2 )衛星產業橫向整合
新興的衛星服務公司 (如 OneWeb )通過利益共享模式整合整個衛星產業鏈。如圖 4 、圖 5 所示, OneWeb 公司衛星製造選擇空中客車集團,發射選擇維珍集團 (後又增加藍色起源公司、阿里安宇航等),通信及地面終端選擇休斯公司,星座市場開發選擇國際衛星組織、休斯公司等、區域市場開發選擇區域電信巨頭 (印度、巴西等電信巨頭)和可口可樂公司等。通過整合產業鏈,形成協同集群規模優勢。
4 創新生態助推航天發射服務
企業是發射服務業的主體,其創新性決定新興航天企業的競爭力。新興航天發射服務企業瞄準利潤最大市場 (高軌發射服務和空間補給等)或者市場痛點 (微納衛星發射),以生態創新型策略系統提升市場競爭力。
4.1 模式創新
新興航天企業孕育期在 7 年以上,如空間探索公司從 2002 年成立到 2010 年獵鷹 9 成功首飛 ;藍色起源公司從 2000 年成立,預計到 2020 年新格林火箭首飛;另外三十億 ( O3b )公司 2007 年成立, 2014 年提供衛星通信等服務,一旦順利度過孕育期,則呈現指數型增長,快速具備市場競爭優勢。
(1 )理念
以互聯網產品設計理念快速升級航天產品,而不是飛行驗證後定型。從 2010 年獵鷹 9V1.0 版火箭成功首飛,到獵鷹 9V1.1 版火箭驗證一子級回收,再 到 獵 鷹 9V1.2 版 火 箭 GTO 能 力 達 到8.3t , LEO 能力達到 22.8t ,深刻詮釋 「產品在迭
代中升級」。
(2 )商業模式
新興商業公司從運載火箭產品提供商轉變為發射服務提供商,即直接向用戶提供發射服務;從傳統火箭研製的協同分工生產轉向基於信息化/智能化技術的產業鏈垂直整合,實現從單機、系統、全箭、發射場全面整合,只採購通用產品。
(3 )管理
在項目開發過程中並行設計,設計人員與製造、工藝、試驗人員高度融合 (項目制,設計辦公室與生產一體化)。產品不再追求一次實現完美,發射只考慮影響火箭飛行主要因素,容忍缺陷,不斷迭代(如獵鷹 9 火箭一子級模塊從 Block1 升級至 Block5 ),提升產品性能、可靠性和可用性。
核心人員從獎金激勵轉向自我實現和股票期權的雙重激勵。
4.2 方案創新
新興商業公司的運載火箭首先考慮任務適應性、市場覆蓋率和競爭力,側重商業回報。火箭方案首選兩級 (最簡構型),動力系統配置選擇一、二級 發 動 機 同 源,發 射 支 持 遠 程 無 人 值 守化等。
(1 )獵鷹 9V1.2 火箭
任務定位:高可靠低成本商業發射。地球同步轉移軌道 ( GTO )運載能力: 8.3t (一次性)。構型特點:單芯級,兩級,全軌道覆蓋,如圖 6 所示。
方案評估: 95% 以上任務覆蓋,實現了系統綜合最優、結構最簡、動力冗餘、智能控制和先進測發,發射服務具備商業競爭力,子級垂直回收為重複使用提供新的選擇。
(2 )電子號火箭
任務定位:為微小衛星運營商提供發射服務。500km 太陽同步軌道 ( SSO )運載能力: 150kg 。構型特 點:兩 級 構 型,一 型 電 動 泵 驅 動 發 動 機( Rutherford ),如圖 7 所示。
方案評估:發射便捷,費用低——— 1U 衛星發射服務費用為 5 萬美元;發動機結構簡單,比沖高;箭體質量輕 (全碳纖維複合材料);火箭部組件可實現快速製造 (3D 列印等)。
4.3 技術創新
新火箭任務適應性、市場競爭力源於創新設計方法、應用新技術和產品快速升級。
(1 )按概率發射的系統總體設計技術
傳統運載火箭設計理念源於導彈,選擇 99%發射概率,箭體結構過度冗餘。新興商業公司選擇 70%~80% 發射概率,大幅降低飛行載荷,應用射前裝定、主動減載等技術進一步降低飛行載荷。
(2 )簡單可靠的高性能變推力發動機技術
一型性能先進、簡單可靠的發動機是研製運載火箭核心支撐。 Merlin 系列發動機推力從 35t 提升到 86t ,質量從 630kg 降到 470kg ,直徑從 1.2m縮小到 1m ,比沖從 275s 提高到 282s ,地面推質比達到 183 。
發動機不再強調大推力,而是考慮製造簡單、性能可靠、推力可調節,以多機並聯策略研製最簡構型的運載工具,提升市場競爭力。
(3 )新型輕質結構技術
快速推動箭體結構設計、模擬、試驗與製造一體化,實現結構與承載精確匹配。選擇高強鋁鋰合金、複合材料等成熟材料降低箭體結構質量和製造成本。引入全攪拌摩擦焊、箱底旋壓成型、3D 列印等新型製造技術,確保設計到製造的一致性和快速性。
(4 )新型控制技術
傳統運載火箭為軌道預裝定,動力故障狀態下難以將載荷送入軌道。獵鷹 9 火箭實現了射前裝定、主動減載、一台發動機故障狀態下動力冗餘和在線實時規劃新的飛行控制策略 。
在線自主規劃的核心關鍵是動力冗餘、姿控模型重構和按照新的軌道飛行,需要演算法在毫秒量級以能量最省原則重構制導、姿控等策略。美國從火星任務開始研究凸優化演算法 , 2011 年開始在蚱蜢樣機、獵鷹 9 火箭一子級上驗證, 2015
年一子級垂直返回工程實現。
5 我國航天發射服務發展建議
進入太空 2.0 時代,傳統航天企業與新興商業航天公司同台競爭是時代的必然。傳統航天企業需要從技術、管理和政策 3 個方向創新,提升航天發射服務競爭力。
(1 )引領技術創新
選擇合理市場切入點,追求基本型火箭方案的最簡化,與上面級組合實現高任務覆蓋,以動力、結構、電氣、地面技術創新提升產品的競爭力。
(2 )優化組織管理
瞄準產品通用化,實現從傳統研製任務導向型向通用產品發射服務型組織轉變;減少產品研發中間環節,從總體、分系統、單機獨立向系統集成組織轉變。
(3 )給予政策支持
航天產業非市場化因素眾多,需要國家制定相關的法律和政策,逐漸將非市場化要素 (發射場、測控網等)轉化為市場要素,給予發射服務許可證,支持企業開展空間稀缺資源 (軌位和頻位)的國際談判等。
參考文獻：略
本文摘自《宇航總體技術》2018年第2期。作者：盛英華,吳佳林,毛承元,梁建國(上海宇航系統工程研究所）。
支持保護知識產權，轉載請註明出處及作者。
長按識別碼關注我們
TAG:宇航總體技術 |