基于产业思维的航天发射服务研究 产业观察
本文首先从核心驱动出发提出航天发展三阶段第一推动力，从产业要素出发分析航天产业进阶的市场、技术和产业政策三要素。而后从价值链出发研究航天产业产值分布和产业整合策略。最后分析了新兴航天发射服务公司的模式、产品和技术，为我国航天发射服务提供参考。
2010年以来，全球航天产业正处于能力与市场快速发展的新时期，航天已经从传统服务于国防、民用和探索，进阶为与互联网融合，服务于民生，创造新市场，推动世界经济增长的新引擎。
以美国为代表的航天强国在 20世纪 90年代推进军民融合转型，布局商业航天，以采购等政策激励催生了多家私营航天企业，涵盖了运载火箭发射服务、卫星通信、遥感图像、定位、空间居住、数据服务等航天产业的众多环节。
在新技术持续突破、 “航天 +互联网”跨界融合、国家产业政策鼓励、风险投资涌入等多重因素聚集下，全球航天产业即将进入太空 2.0时代 。
太空 1.0时代主要由 “冷战驱动、主导”，如图 1所示。从零到一逐步构建了运载火箭发射、卫星应用、空间站、发射场和地面测控网等庞大的航天基础设施。
太空 2.0时代是大众利用太空的时代，主要由“互联、天地一体”驱动。起于 20世纪 90年代卫星星座计划，以 “服务大众、商业盈利”为目标的商业航天重新整合太空 1.0时代的航天产业资源，以 “三创新”(商业模式、产品和技术)实现航天的内生性推动航天与大活深度融合。
为抓住太空 2.0时代航天产业兴起的战略机遇，本文从第一推动上将航天产业发展划分为 3个阶段，从价值链上梳理了航天产业业务分布及产业整合策略，分析新兴航天发射公司模式、产品和技术，为航天传统发射服务在太空 2.0时代的新发展提供参考。
从 1957年第一颗卫星至今，航天运输发展了 60余年，突破了一次性技术，解决了进入空间工具的有无问题。 20世纪 90年代低轨卫星通信星座兴起，美国逐步制定有关鼓励航天军民融合、商业航天的政策和法律，航天产业化所需的系统逐渐出现。
预计 1991 - 2030年前后，航天商业化和商业航天将兴起，与共同主天发射服务产业。在 “互联、天地一体”推动下，物联网、大数据、人工智能和航天产业跨界融合，引领未来新的经济增长。
两大潜在市场的兴起将改变航天发射服务产业格局。一是大规模低轨卫星星座应用，二是近地轨道商业载人航天。
如表 1所示，从 20世纪 90年代提出低轨通信卫星星座，历经近 30年三代发展，大规模商业化的低轨卫星星座即将进入部署应用阶段。空间探索、波音、一网 ( OneWeb )、开普勒通信、另外的三十亿 ( O3b )等众多商业公司提出了大型低轨星座，频段以 Ka 、 Ku 、 V为主，服务于全球宽带及窄带通信、综合地球观测、地球成像等 。
商业载人航天是未来最大的潜在新兴市场。自 2006年美国实施商业轨道运输 ( COTS计划)，追求近地轨道载人航天能力的私营机构发展初见成效。空间探索公司猎鹰 9火箭、蓝色起源公司的新格林火箭等具备了近地轨道商业载人发射能力;空间探索公司 (龙飞船)、波音公司 (星际客车)、内华达山脉公司 (追梦者)将在 2020年前后实现空间站载人商业运输;与 NASA合作，毕格罗公司充分验证了充气式试验舱技术，计划建立运行的商业太空旅馆 (BA330舱段对接); XCOR宇航公司、维珍银河、蓝色起源等多家公司即将提供太空旅游产品和服务 。
正如移动互联网的带宽决定生意大小，卫星高通量数字通信技术决定卫星未来增强移动带宽(可互联网、增强现实、虚拟现实等)、关键业务服务 (自动驾驶汽车、工业自动化、智能电网)和海量物联网业务的大小。目前点波速覆盖的 HTS卫星技术已经在高轨通信卫星实现，通信带宽为 10Tbit / s 。
普通用户接入近地轨道卫星网络提供的网络服务，需要低成本、小型化、易携带的超小型相控阵天线，解决个人手持终端功率不足问题。 OneWeb公司的策略是引入电信公司、可口可乐 (无人售货机)等战略合作联盟。
近地轨道商业载人业务兴起需要大幅降低发射服务费用，提高载人安全可靠性量级 (如飞机一样) ，目前正在验证的新技术有:垂直起降重复使用技术、充气式空间站技术、重复使用飞船技术等。
1998年美国通过 《商业航天法案》，以法律形式再次强调了对商业航天领域发展的重视; 2010年公布 《美国国家航天政策》，大力支持商业航天部门发展; 2015年美国通过 《商业航天发射竞争力法案》; 2016年美国通过 《太空复兴法案》，增加美国联邦航空局 ( FAA )授权基金，增加商业卫星数据采购。
美国商业航天法案政策主要聚焦: 1 )市场准入 (规范); 2 )技术扩散; 3 )投资鼓励 (背书); 4 )市场容量有限下的采购。如图 2所示，美国航空航天局从2005年启动商业乘员与运输 G3P计划，至今经过三个阶段，已成功由商业货物运输进入商业载人运输。
从发射运输服务到卫星应用，再到卫星通信、能源、物联网、人工智能和大数据等跨界融合，其中发射服务是小众市场，掌握航天产业的入口;卫星作为航天产业的空间物质基础，其流量带宽成为通信、人工智能、大数据等产业兴起的核心枢纽之一。
市场容量决定产业大小，市场特点引领业务定位及服务模式;性价比、便捷性、可靠性等成为发射服务市场的核心竞争力。航天发射服务与汽车 (百万辆)、飞机 (千架)等不同，全世界每年百次左右发射，实现商业持续盈利需要寻找新的业务增长点或者新的业务模式。
卫星产业主要包含卫星服务业、卫星制造业、发射服务业和地面设备制造业。如图 3所示 ，基于 2012年- 2016年卫星产业状况分析，火箭发射服务业规模在 50亿 ~70亿美元/年，息税前利润率 ( EBITAD )低于 10% ，卫星服务业价值最高，年均规模在 2000亿美元左右， EBITAD约 5%~30% ，成为各方角力的 “主战场”。
航天产业存量业务 (航天器制造与发射、卫星通信//遥感、太空探索等)有限，尤其是发射服务业目前年均仅有 70~90发，美苏冷战时期最高 120发左右。
对于单一型号主力火箭， 2014年联盟火箭在 3个发射场发射 22发;猎鹰 9火箭 2017年执行 18发任务;对于小火箭，有可能几年执行一次发射任务 (如飞马座火箭、米诺陶火箭等) 。
根据阿里安火箭公司预计，年均发射量 5枚以上可以达到收支平衡。商业发射目前约占发射任务的 1 / 3 ，假定年均 90次发射，约合 30次商业发射任务，预计现有纯商业发射仅仅能支持两三家发射服务商。
发射服务客户主体是，发射服务必须符合国家利益和出口管制。根据美国国际武器贸易条例 (ITAR)，卫星上使用美国元器件的不能用中国的火箭发射。
航天产业中通信卫星应用实现了商业化运营，而发射服务为任务导向型，发射费用高，需求少，依托市场形成自生循环的规模经济相对较困难，主要通过内部垂直整合和外部横向整合提升产业规模和效益。
新兴太空发射服务公司以抓入口模式整合发射服务产业链，如火箭试验室公司 (RocketLab)、空间探索公司等。
国内航天科工火箭公司选取空间探索公司发展策略，抓火箭入口整合发射产业链，而后以虹云工程为核心整合卫星产业链，引领太空 2.0时代的新产业发展。
新兴的卫星服务公司 (如 OneWeb)通过利益共享模式整合整个卫星产业链。如图 4 、图 5所示， OneWeb公司卫星制造选择空中客车集团，发射选择维珍集团 (后又增加蓝色起源公司、阿里安宇航等)，通信及地面终端选择休斯公司，星座市场开发选择国际卫星组织、休斯公司等、区域市场开发选择区域电信巨头 (印度、巴西等电信巨头)和可口可乐公司等。通过整合产业链，形成协同集群规模优势。
企业是发射服务业的主体，其创新性决定新兴航天企业的竞争力。新兴航天发射服务企业瞄准利润最大市场 (高轨发射服务和空间补给等)或者市场痛点 (微纳卫星发射)，以生态创新型策略系统提升市场竞争力。
新兴航天企业孕育期在 7年以上，如空间探索公司从 2002年成立到 2010年猎鹰 9成功首飞 ;蓝色起源公司从 2000年成立，预计到 2020年新格林火箭首飞;另外三十亿 ( O3b )公司 2007年成立， 2014年提供卫星通信等服务，一旦顺利度过孕育期，则呈现指数型增长，快速具备市场竞争优势。
以互联网产品设计快速升级航天产品，而不是飞行验证后定型。从 2010年猎鹰 9V1.0版火箭成功首飞，到猎鹰 9V1.1版火箭验证一子级回收，再到猎鹰 9V1.2版火箭 GTO能力达到8.3t ， LEO能力达到 22.8t ，深刻诠释 “产品在迭代中升级”。
新兴商业公司从运载火箭产品提供商转变为发射服务提供商，即直接向用户提供发射服务;从传统火箭研制的协同分工生产转向基于信息化/智能化技术的产业链垂直整合，实现从单机、系统、全箭、发射场全面整合，只采购通用产品。
在项目开发过程中并行设计，设计人员与制造、工艺、试验人员高度融合 (项目制，设计办公室与生产一体化)。产品不再追求一次实现完美，发射只考虑影响火箭飞行主要因素，缺陷，不断迭代(如猎鹰 9火箭一子级模块从 Block1升级至 Block5 )，提升产品性能、可靠性和可用性。
新兴商业公司的运载火箭首先考虑任务适应性、市场覆盖率和竞争力，侧重商业回报。火箭方案首选两级 (最简构型)，动力系统配置选择一、二级发动机同源，发射支持远程无人值守化等。
任务定位:高可靠低成本商业发射。地球同步转移轨道 ( GTO )运载能力: 8.3t (一次性)。构型特点:单芯级，两级，全轨道覆盖，如图 6所示。
方案评估: 95%以上任务覆盖，实现了系统综合最优、结构最简、动力冗余、智能控制和先进测发，发射服务具备商业竞争力，子级垂直回收为重复使用提供新的选择。
任务定位:为微小卫星运营商提供发射服务。500km太阳同步轨道 ( SSO )运载能力: 150kg 。构型特点:两级构型，一型电动泵驱动发动机( Rutherford )，如图 7所示。
方案评估:发射便捷，费用低--- 1U卫星发射服务费用为 5万美元;发动机结构简单，比冲高;箭体质量轻 (全碳纤维复合材料);火箭部组件可实现快速制造 (3D打印等)。
传统运载火箭设计源于导弹，选择 99%发射概率，箭体结构过度冗余。新兴商业公司选择 70%~80%发射概率，大幅降低飞行载荷，应用射前装定、主动减载等技术进一步降低飞行载荷。
一型性能先进、简单可靠的发动机是研制运载火箭核心支撑。 Merlin系列发动机推力从 35t提升到 86t ，质量从 630kg降到 470kg ，直径从 1.2m缩小到 1m ，比冲从 275s提高到 282s ，地面推质比达到 183 。
发动机不再强调大推力，而是考虑制造简单、性能可靠、推力可调节，以多机并联策略研制最简构型的运载工具，提升市场竞争力。
快速推动箭体结构设计、仿真、试验与制造一体化，实现结构与承载精确匹配。选择高强铝锂合金、复合材料等成熟材料降低箭体结构质量和制造成本。引入全搅拌摩擦焊、箱底旋压成型、3D打印等新型制造技术，确保设计到制造的一致性和快速性。
传统运载火箭为轨道预装定，动力故障状态下难以将载荷送入轨道。猎鹰 9火箭实现了射前装定、主动减载、一台发动机故障状态下动力冗余和在线实时规划新的飞行控制策略 。
在线自主规划的核心关键是动力冗余、姿控模型重构和按照新的轨道飞行，需要算法在毫秒量级以能量最省原则重构制导、姿控等策略。美国从火星任务开始研究凸优化算法， 2011年开始在蚱蜢样机、猎鹰 9火箭一子级上验证， 2015年一子级垂直返回工程实现。
进入太空 2.0时代，传统航天企业与新兴商业航天公司同台竞争是时代的必然。传统航天企业需要从技术、管理和政策 3个方向创新，提升航天发射服务竞争力。
选择合理市场切入点，追求基本型火箭方案的最简化，与级组合实现高任务覆盖，以动力、结构、电气、地面技术创新提升产品的竞争力。
瞄准产品通用化，实现从传统研制任务导向型向通用产品发射服务型组织转变;减少产品研发中间环节，从总体、分系统、单机向系统集成组织转变。
航天产业非市场化因素众多，需要国家制定相关的法律和政策，逐渐将非市场化要素 (发射场、测控网等)为市场要素，给予发射服务许可证，支持企业开展空间稀缺资源 (轨位和频位)的国际谈判等。