国内商业火箭发展的思考

2019-05-13 13:30:08 浏览：13004 来源：

近年来，国内商业火箭创业公司相继出现，带来设计思想、研制流程、制造工艺以及配套设施上的变化，也持续推动了商业火箭发展需求的明朗以及发展生态的建立。本文将结合国外商业火箭发展经验，从资本支持、颠覆性创新、工程管理、供应链完善、发射场资源和商业模式等方面分析国内商业火箭发展诉求。

一、商业火箭发展需要庞大的资金支持

充裕资本是商业火箭发展的根本保障。作为最成功的商业航天创业公司，美国太空探索技术公司（以下简称“太空探索”）仍然重视外部资本的获取。截止到4月，太空探索本年度已完成两轮融资，累计获得27.5亿美元的股权融资。此外，该公司还以借贷和出售股权等多种途径筹措资金，用以支撑技术研发的持续开展。在研发投入上，根据太空探索提供的公开数据，猎鹰-9的初始研发投入为3亿美元，龙-1的初始研发投入为5.45亿美元，重型猎鹰的初始研发投入为5亿美元，除此之外，技术迭代仍需要持续大量的经费支持。贝索斯建立蓝色起源公司（以下简称“蓝源”）时投入5亿美元，且每年抛售10亿美元的亚马逊股票以追加对蓝源的投资。据统计，新格伦火箭耗资约25亿美元。

由此可见，商业火箭发展对于资本是极度依赖的。相较于国外，除科工火箭外，国内各商业火箭初创公司融资均未达到10亿元，融资规模、融资速度和融资渠道多样性需全面提升。

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政府采购与技术转化是商业火箭发展的重要支撑。NASA和美国国防部向太空探索、蓝源、内华达山脉公司、犰狳航天发展公司等商业火箭创业公司提供了数十亿美元合同，用以分担研发投入压力，支持商业航天技术创新。据统计数据（截止到2019年4月中旬），NASA授予太空探索的合同金额超过35.71亿美元，美国国防部合同也超过9亿美元。与此同时，NASA将技术明码标价转移到商业火箭公司，并于2018年与太空探索和蓝源分别签订了为期5年（2018年7月-2023年7月）的协议，为两家的商业运输系统研发提供免费的技术支持服务。

目前，国内政府部门对商业火箭研发和服务采购的途径及力度尚不明确，火箭相关技术的商业化转移仍有待探索。

政府扶持性风险基金对商业火箭发展具有重要意义。欧空局、英国、卢森堡、日本等国家和政府组织设立多种基金，扶持商业航天创新发展。2018年，日本政府宣布未来5年将向初创公司提供9.2亿美元，优秀企业可获得9.2万美元的开发基金，成功后可以获全部资金支持。在英国，由ESA、英国商业银行和卫星应用助推机构共同发起的“宇宙资本（Cosmicapital）”风险基金于2019年启动，面向航天及应用领域，支持初创公司发展。

为充分发挥航天对科技、经济和文化的辐射带动作用，各地方政府对商业航天的发展给予了多方面的支持，其中湖北、重庆、西安、宁波等省市地方政府向商业火箭创业公司提供扶持性风险基金，以助力商业火箭发展。

二、商业火箭发展需要航天工程管理模式创新

国外企业积极降低产品复杂度并兼顾可靠性与低成本。与传统航天制造企业以技术研发来提高宇航产品可靠性不同，商业火箭公司通过降低设计方案复杂程度以实现可靠性最大化。猎鹰-9采用简单的两级构型方案，尽可能减少单独事项的数量。同样出于这一考虑，猎鹰-9一级发动机采用9台相同的梅林发动机。与此同时，通过火箭部组件的标准化和通用化提升可靠性与成本效益已经得到验证，猎鹰-9和猎鹰重型火箭都使用同型号梅林发动机，火箭二级发动机也是一级发动机的真空改进版本，这使得猎鹰-9火箭可以在最多两台梅林发动机关机的情况下完成预定发射任务。蓝源的亚轨道飞行器“新谢泼德”飞行器和新格伦火箭上面级也均采用BE-3发动机，BE-4发动机则是在BE-3基础上改进形成的。

目前，国内商业火箭创业公司在火箭设计中也积极运用标准化和通用化的思想，降低设计复杂性以实现可靠性与成本效益的提升，进展如何仍需实际产品和时间来验证。

通过设计、生产与管理一体化确保快速决策和迭代。不管是美国的太空探索、蓝源，还是国内的商业航天创业公司，火箭的设计与研制团队行动统一，促进了公司资源的有效协调，这种看似有悖于现代专业化分工的生产模式却是其降低成本的关键。通过这种涵盖主要分系统的一体化生产模式，可以更好地优化统筹火箭的生产流程，建立设计和生产团队之间更加紧密和快捷的信息反馈机制，研发人员在设计之初，就会考虑到材料和工艺的可实现性，随时到车间与生产人员直接沟通，及时了解相关技术状态。设计与生产之间的密切联系，大大提高了工作效率，降低了后续流程发生错误的可能性。

全流程采用数字化技术提高效率并降低返工成本。数字化设计、制造、仿真等技术已经在航空航天领域得到广泛应用，并取得巨大效益，无论是传统航天企业还是新兴商业航天公司，都面临将数字化技术融入火箭研发、制造与发射过程中。NASA、ESA、波音、洛马、太空探索等机构与公司分别建立了各自的数字化协同设计平台。通过数字化的协同设计、仿真分析、虚拟装配与制造等技术手段，极大地提高了设计与制造效率，减少了设计更改和工程返工，大幅度缩短了研制周期，显著降低了研制成本，大幅减少实物试验数量、缩短大型地面试验周期。

国内商业火箭创业公司在建立研发和制造能力的过程中也非常重视采用3D打印、数字仿真和数字控制等技术，已展现出降低研发和制造成本、提升研制进度的成效。

三、商业火箭发展需要不断完善供应链

优选商业货架产品替代价格高昂的宇航专用产品。航天配套产品市场流通性低，价格高昂，与其相对的商业货架产品则价格低廉且技术发展快。因此，商业火箭研制适当选用商用部组件有利于降低成本。国内外的商业火箭公司都有过这样的经历，选用现有产品与服务的造价高，公司出于成本的考虑进行创新，寻求低成本解决方案，研制成本更低的火箭零部件、测试设备及设施、发射配套设施等。太空探索自产的天基终端设备只有同类产品价格的1/10。

充分利用成熟设施资源获取低价且专业的服务。商业火箭创业公司办公地点、研发设施、发射设施、测控设施的选址体现了集约和高效的特点，以充分利用成熟航天设施条件以及优越的产学研环境。太空探索、蓝源已在范登堡空军基地、卡角空军基地、肯尼迪航天中心建立了以发射工位为核心的管理、研发、制造、发射、测控和运维设施。这样的安排不仅能够保障火箭高密度发射需求，解决了配套设施建设投入高、周期长的问题，也充分利用了便于与政府、军方用户及采购方沟通协作的近距离交通环境。

国内商业火箭公司普遍围绕体制内航天单位资源进行能力条件布局，运用北京、西安、上海、深圳等地航天产业资源优势，实现借力发展。未来商业火箭研制、测控、发射设施布局将更加集约。

四、商业火箭发展需要丰富商业发射场资源

充沛的发射场能力有效推动商业火箭发展。发射场需满足火箭与卫星进行总装、测试和集成，发射指控与测控，提供燃料制备和检测实施。全球具有发射能力的国家仅有7个，相较于美国，我国商业发射配套资源相对有限。发射场资源不能满足高频率商业发射需求，这一矛盾在商业火箭研发初期并不突出，但是随着商业火箭技术不断成熟，低成本快速进入空间的瓶颈就会从火箭能力转移到发射场容量。

国内的液体商业火箭多选择液氧煤油、液氧甲烷燃料，存储条件苛刻，安全监管要求复杂，固体火箭的存放和检测同样需要相应的设施给予保障。由此可见，我国发射场商业发射配套资源仍需进一步丰富。

积极开展商业发射工位运营模式创新。在保持现有发射场资源国有性质的前提下如何更好地服务商业航天发射是商业火箭发展必须解决的问题。美国率先实现了NASA和军方的发射服务设施对商业发射开放。太空探索和蓝源都选择租用现有发射工位并进行改造来进行商业发射。其中太空探索2014年与NASA签订了独家租用20年肯尼迪航天中心39A号工位的合同。NASA未透露出租发射工位的价格，但明确表示太空探索自行承担设施维护和运营费用。电子实验室火箭则投资2000万美元自建商业发射场。

我国商业火箭将陆续从研制阶段进入首飞阶段，后续将进入高频率发射阶段，商业发射工位运营模式亟待建立。

五、商业火箭发展需要通过市场进行商业模式验证

在大规模微纳卫星星座计划的推动下，低成本小运载发射已成为当今商业发射服务的重要方向之一。国内外低成本小火箭的发展也非常活跃，其中包括航天科技的长征十一号、捷龙，航天科工的快舟1A、蓝箭航天的Landspace火箭，零壹空间公司的OX-M火箭，星际荣耀的双曲线二号，翎客航天的复用型新干线一号火箭、美国矢量空间系统公司的矢量、萤火虫公司阿尔法，轨道ATK公司的飞马座XL，英国维珍银河公司的运载器一号，新西兰的火箭实验室的电子，西班牙PLD航天公司的阿里翁，日本宇宙航空研究开发机构的艾普西龙和SS-520-4等。但值得一提的是，现阶段尚未有成功案例表明小火箭的商业应用价值优于成熟大中型火箭。

六、商业火箭发展需要持续推进低成本

低成本、便捷、廉价的商业发射服务是突破商业航天发展瓶颈的重要一环。猎鹰火箭已经引发中国长征火箭、俄罗斯质子号火箭和联盟号火箭、欧洲阿里安火箭和维加火箭等国际主流运载火箭的多次降价。目前，猎鹰-9地球同步转移轨道最大运载能力为5.5吨，标价6200万美元，合1.127万美元/千克。重型猎鹰地球同步转移轨道最大运载能力为8吨，标价为9000万美元，合1.125万美元/千克，多发采购还有更大优惠。猎鹰火箭的低价是基于可重复使用技术，已经实现盈利，商业模式也得到了验证。

我国国内火箭公司也提出了把发射价格降至5000～6000美元/千克、中高轨道单位发射价格降至8000～1万美元/千克的目标。这种通过牺牲利润和寻求政府补贴应对价格战的做法，不利于火箭公司的可持续发展。在这样的环境下，新兴商业火箭会面临更加严峻的竞争形势，而降低成本将成为国内商业火箭发展的一贯主题。