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基于產(chǎn)業(yè)思維的航天發(fā)射服務(wù)研究

2018-04-17 09:36:16盛英華吳佳林毛承元梁建國
宇航總體技術(shù) 2018年2期
關(guān)鍵詞:火箭航天太空

盛英華,吳佳林,毛承元,梁建國

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201108)

1 抓住太空2.0時(shí)代發(fā)展機(jī)遇

2010年以來,全球航天產(chǎn)業(yè)正處于能力與市場快速發(fā)展的新時(shí)期,航天已經(jīng)從傳統(tǒng)服務(wù)于國防、民用和探索,進(jìn)階為與互聯(lián)網(wǎng)融合,服務(wù)于民生,創(chuàng)造新市場,推動世界經(jīng)濟(jì)增長的新引擎。

以美國為代表的航天強(qiáng)國在20世紀(jì)90年代推進(jìn)軍民融合轉(zhuǎn)型,布局商業(yè)航天,以政府采購等政策激勵催生了多家私營航天企業(yè),涵蓋了運(yùn)載火箭發(fā)射服務(wù)、衛(wèi)星通信、遙感圖像、導(dǎo)航定位、空間居住、數(shù)據(jù)服務(wù)等航天產(chǎn)業(yè)的眾多環(huán)節(jié)。

在新技術(shù)持續(xù)突破、“航天+互聯(lián)網(wǎng)”跨界融合、國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵、風(fēng)險(xiǎn)投資涌入等多重因素聚集下,全球航天產(chǎn)業(yè)即將進(jìn)入太空2.0時(shí)代[1]。

太空1.0時(shí)代主要由“冷戰(zhàn)驅(qū)動、政府主導(dǎo)”,如圖1所示。從零到一逐步構(gòu)建了運(yùn)載火箭發(fā)射、衛(wèi)星應(yīng)用、空間站、發(fā)射場和地面測控網(wǎng)等龐大的航天基礎(chǔ)設(shè)施。

太空2.0時(shí)代是大眾利用太空的時(shí)代,主要由“萬物互聯(lián)、天地一體”驅(qū)動。起于20世紀(jì)90年代衛(wèi)星星座計(jì)劃,以“服務(wù)大眾、商業(yè)盈利”為目標(biāo)的商業(yè)航天重新整合太空1.0時(shí)代的航天產(chǎn)業(yè)資源,以“三創(chuàng)新”(商業(yè)模式、產(chǎn)品和技術(shù))實(shí)現(xiàn)航天的內(nèi)生性自我推動和發(fā)展,推動航天與大眾生活深度融合。

為抓住太空2.0時(shí)代航天產(chǎn)業(yè)興起的戰(zhàn)略機(jī)遇,本文從第一推動上將航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展劃分為3個(gè)階段,從價(jià)值鏈上梳理了航天產(chǎn)業(yè)業(yè)務(wù)分布及產(chǎn)業(yè)整合策略,分析新興航天發(fā)射公司模式、產(chǎn)品和技術(shù),為航天傳統(tǒng)發(fā)射服務(wù)在太空2.0時(shí)代的新發(fā)展提供參考。

2 航天產(chǎn)業(yè)進(jìn)階三要素齊聚

一個(gè)新興行業(yè)從出現(xiàn)到大眾普及需要突破技術(shù)、產(chǎn)品和市場三個(gè)階段。

從1957年第一顆衛(wèi)星上天至今,航天運(yùn)輸發(fā)展了60余年,突破了一次性技術(shù),解決了進(jìn)入空間工具的有無問題。20世紀(jì)90年代低軌衛(wèi)星通信星座興起,美國政府逐步制定有關(guān)鼓勵航天軍民融合、商業(yè)航天的政策和法律,航天產(chǎn)業(yè)化所需的系統(tǒng)環(huán)境逐漸出現(xiàn)。

預(yù)計(jì)1991—2030年前后,航天商業(yè)化和商業(yè)航天將興起,與政府共同主導(dǎo)航天發(fā)射服務(wù)產(chǎn)業(yè)。在“萬物互聯(lián)、天地一體”推動下,物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和航天產(chǎn)業(yè)跨界融合,引領(lǐng)未來新的經(jīng)濟(jì)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(fā)射服務(wù)產(chǎn)業(yè)格局。一是大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座應(yīng)用,二是近地軌道商業(yè)載人航天[2]。

如表1所示,從20世紀(jì)90年代提出低軌通信衛(wèi)星星座,歷經(jīng)近30年三代發(fā)展,大規(guī)模商業(yè)化的低軌衛(wèi)星星座即將進(jìn)入部署應(yīng)用階段??臻g探索、波音、一網(wǎng)(OneWeb)、加拿大開普勒通信、另外的三十億(O3b)等眾多商業(yè)公司提出了大型低軌星座,頻段以Ka、Ku、V為主,服務(wù)于全球?qū)拵Ъ罢瓗ㄐ?、綜合地球觀測、地球成像等[3]。

表1 衛(wèi)星移動通信發(fā)展總結(jié)

商業(yè)載人航天是未來最大的潛在新興市場。自2006年美國實(shí)施商業(yè)軌道運(yùn)輸(COTS計(jì)劃),追求近地軌道載人航天能力的私營機(jī)構(gòu)發(fā)展初見成效??臻g探索公司獵鷹9火箭、藍(lán)色起源公司的新格林火箭等具備了近地軌道商業(yè)載人發(fā)射能力;空間探索公司(龍飛船)、波音公司(星際客車)、內(nèi)華達(dá)山脈公司(追夢者)將在2020年前后實(shí)現(xiàn)空間站載人商業(yè)運(yùn)輸;與NASA合作,畢格羅公司充分驗(yàn)證了充氣式試驗(yàn)艙技術(shù),計(jì)劃建立獨(dú)立運(yùn)行的商業(yè)太空旅館(BA330艙段對接);XCOR宇航公司、維珍銀河、藍(lán)色起源等多家公司即將提供太空旅游產(chǎn)品和服務(wù)[4]。

2.2 新技術(shù)持續(xù)突破

低軌即時(shí)移動通信業(yè)務(wù)、商業(yè)載人航天業(yè)務(wù)興起需要突破以下技術(shù):

(1)高通量數(shù)字通信技術(shù)[5]

正如移動互聯(lián)網(wǎng)的帶寬決定生意大小,衛(wèi)星高通量數(shù)字通信技術(shù)決定衛(wèi)星未來增強(qiáng)移動帶寬(可感知互聯(lián)網(wǎng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)等)、關(guān)鍵業(yè)務(wù)服務(wù)(自動駕駛汽車、工業(yè)自動化、智能電網(wǎng))和海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的大小。

目前點(diǎn)波速覆蓋的HTS衛(wèi)星技術(shù)已經(jīng)在高軌通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn),通信帶寬為10Tbit/s。

(2)衛(wèi)星應(yīng)用終端的通用化技術(shù)

以智能手機(jī)為代表的小型、低成本移動終端產(chǎn)品。

(3)超小型相陣控天線技術(shù)

普通用戶接入近地軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),需要低成本、小型化、易攜帶的超小型相控陣天線,解決個(gè)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(jī))等戰(zhàn)略合作聯(lián)盟。

近地軌道商業(yè)載人業(yè)務(wù)興起需要大幅降低發(fā)射服務(wù)費(fèi)用,提高載人安全可靠性量級(如飛機(jī)一樣)[6],目前正在驗(yàn)證的新技術(shù)有:垂直起降重復(fù)使用技術(shù)、充氣式空間站技術(shù)、重復(fù)使用飛船技術(shù)等。

2.3 法律與政策不斷完善

1998年美國通過《商業(yè)航天法案》,以法律形式再次強(qiáng)調(diào)了對商業(yè)航天領(lǐng)域發(fā)展的重視;2010年公布《美國國家航天政策》,大力支持商業(yè)航天部門發(fā)展;2015年美國通過《商業(yè)航天發(fā)射競爭力法案》;2016年美國通過《太空復(fù)興法案》,增加美國聯(lián)邦航空局(FAA)授權(quán)基金,增加商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)采購。

美國商業(yè)航天法案政策主要聚焦:1)市場準(zhǔn)入(規(guī)范);2)技術(shù)擴(kuò)散;3)投資鼓勵(政府背書);4)市場容量有限下的政府采購。

如圖2所示,美國航空航天局從2005年啟動商業(yè)乘員與運(yùn)輸G3P計(jì)劃,至今經(jīng)過三個(gè)階段,已成功由商業(yè)貨物運(yùn)輸進(jìn)入商業(yè)載人運(yùn)輸。

3 整合航天產(chǎn)業(yè)形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)

從發(fā)射運(yùn)輸服務(wù)到衛(wèi)星應(yīng)用,再到衛(wèi)星通信、能源、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等跨界融合,其中發(fā)射服務(wù)是小眾市場,掌握航天產(chǎn)業(yè)的入口;衛(wèi)星作為航天產(chǎn)業(yè)的空間物質(zhì)基礎(chǔ),其流量帶寬成為通信、人工智能、大數(shù)據(jù)等產(chǎn)業(yè)興起的核心樞紐之一。

市場容量決定產(chǎn)業(yè)大小,市場特點(diǎn)引領(lǐng)業(yè)務(wù)定位及服務(wù)模式;性價(jià)比、便捷性、可靠性等成為發(fā)射服務(wù)市場的核心競爭力。航天發(fā)射服務(wù)與汽車(百萬輛)、飛機(jī)(千架)等不同,全世界每年百次左右發(fā)射,實(shí)現(xiàn)商業(yè)持續(xù)盈利需要尋找新的業(yè)務(wù)增長點(diǎn)或者新的業(yè)務(wù)模式。

3.1 航天產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈分布

衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)主要包含衛(wèi)星服務(wù)業(yè)、衛(wèi)星制造業(yè)、發(fā)射服務(wù)業(yè)和地面設(shè)備制造業(yè)。如圖3所示[7],基于2012年—2016年衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)狀況分析,火箭發(fā)射服務(wù)業(yè)規(guī)模在50億~70億美元/年,息稅前利潤率(EBITAD)低于10%,衛(wèi)星服務(wù)業(yè)價(jià)值最高,年均規(guī)模在2000億美元左右,EBITAD約5%~30%,成為各方角力的“主戰(zhàn)場”。

航天產(chǎn)業(yè)存量業(yè)務(wù)(航天器制造與發(fā)射、衛(wèi)星通信/導(dǎo)航/遙感、太空探索等)有限,尤其是發(fā)射服務(wù)業(yè)目前年均僅有70~90發(fā),美蘇冷戰(zhàn)時(shí)期最高120發(fā)左右。

3.2 航天發(fā)射服務(wù)特點(diǎn)

當(dāng)前國際航天發(fā)射服務(wù)是市場經(jīng)濟(jì)、法制經(jīng)濟(jì),尚未達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì),非完全自由經(jīng)濟(jì)。

(1)小規(guī)模經(jīng)濟(jì)

對于單一型號主力火箭,2014年聯(lián)盟火箭在3個(gè)發(fā)射場發(fā)射22發(fā);獵鷹9火箭2017年執(zhí)行18發(fā)任務(wù);對于小火箭,有可能幾年執(zhí)行一次發(fā)射任務(wù)(如飛馬座火箭、米諾陶火箭等)[8]。

根據(jù)阿里安火箭公司預(yù)計(jì),年均發(fā)射量5枚以上可以達(dá)到收支平衡。商業(yè)發(fā)射目前約占發(fā)射任務(wù)的1/3,假定年均90次發(fā)射,約合30次商業(yè)發(fā)射任務(wù),預(yù)計(jì)現(xiàn)有純商業(yè)發(fā)射僅僅能支持兩三家發(fā)射服務(wù)商生存。

(2)非完全自由經(jīng)濟(jì)

發(fā)射服務(wù)客戶主體是政府,發(fā)射服務(wù)必須符合國家利益和出口管制。根據(jù)美國國際武器貿(mào)易條例(ITAR),衛(wèi)星上使用美國元器件的不能用中國的火箭發(fā)射。

3.3 航天產(chǎn)業(yè)整合模式

航天產(chǎn)業(yè)中通信衛(wèi)星應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)營,而發(fā)射服務(wù)為任務(wù)導(dǎo)向型,發(fā)射費(fèi)用高,需求少,依托市場形成自生循環(huán)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)相對較困難,主要通過內(nèi)部垂直整合和外部橫向整合提升產(chǎn)業(yè)規(guī)模和效益。

(1)發(fā)射服務(wù)垂直整合

新興太空發(fā)射服務(wù)公司以抓入口模式整合發(fā)射服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈,如火箭試驗(yàn)室公司(Rocket Lab)、空間探索公司等。

國內(nèi)航天科工火箭公司選取空間探索公司發(fā)展策略,抓火箭入口整合發(fā)射產(chǎn)業(yè)鏈,而后以虹云工程為核心整合衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈,引領(lǐng)太空2.0時(shí)代的新產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

(2)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)橫向整合

新興的衛(wèi)星服務(wù)公司(如OneWeb)通過利益共享模式整合整個(gè)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈。如圖4、圖5 所示,OneWeb公司衛(wèi)星制造選擇空中客車集團(tuán),發(fā)射選擇維珍集團(tuán)(后又增加藍(lán)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(fā)選擇國際衛(wèi)星組織、休斯公司等、區(qū)域市場開發(fā)選擇區(qū)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(chǎn)業(yè)鏈,形成協(xié)同集群規(guī)模優(yōu)勢。

4 創(chuàng)新生態(tài)助推航天發(fā)射服務(wù)

企業(yè)是發(fā)射服務(wù)業(yè)的主體,其創(chuàng)新性決定新興航天企業(yè)的競爭力。新興航天發(fā)射服務(wù)企業(yè)瞄準(zhǔn)利潤最大市場(高軌發(fā)射服務(wù)和空間補(bǔ)給等)或者市場痛點(diǎn)(微納衛(wèi)星發(fā)射),以生態(tài)創(chuàng)新型策略系統(tǒng)提升市場競爭力。

4.1 模式創(chuàng)新

新興航天企業(yè)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[9];藍(lán)色起源公司從2000年成立,預(yù)計(jì)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(wèi)星通信等服務(wù),一旦順利度過孕育期,則呈現(xiàn)指數(shù)型增長,快速具備市場競爭優(yōu)勢。

(1) 理念

以互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念快速升級航天產(chǎn)品,而不是飛行驗(yàn)證后定型。從2010年獵鷹9 V1.0版火箭成功首飛,到獵鷹9V1.1版火箭驗(yàn)證一子級回收,再到獵鷹9V1.2 版火箭GTO能力達(dá)到8.3t,LEO能力達(dá)到22.8t,深刻詮釋“產(chǎn)品在迭代中升級”。

(2) 商業(yè)模式

新興商業(yè)公司從運(yùn)載火箭產(chǎn)品提供商轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)射服務(wù)提供商,即直接向用戶提供發(fā)射服務(wù);從傳統(tǒng)火箭研制的協(xié)同分工生產(chǎn)轉(zhuǎn)向基于信息化/智能化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合,實(shí)現(xiàn)從單機(jī)、系統(tǒng)、全箭、發(fā)射場全面整合,只采購?fù)ㄓ卯a(chǎn)品。

(3) 管理

在項(xiàng)目開發(fā)過程中并行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)人員與制造、工藝、試驗(yàn)人員高度融合(項(xiàng)目制,設(shè)計(jì)辦公室與生產(chǎn)一體化)。產(chǎn)品不再追求一次實(shí)現(xiàn)完美,發(fā)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(chǎn)品性能、可靠性和可用性。

核心人員從獎金激勵轉(zhuǎn)向自我實(shí)現(xiàn)和股票期權(quán)的雙重激勵。

4.2 方案創(chuàng)新

新興商業(yè)公司的運(yùn)載火箭首先考慮任務(wù)適應(yīng)性、市場覆蓋率和競爭力,側(cè)重商業(yè)回報(bào)?;鸺桨甘走x兩級(最簡構(gòu)型),動力系統(tǒng)配置選擇一、二級發(fā)動機(jī)同源,發(fā)射支持遠(yuǎn)程無人值守化等。

(1) 獵鷹9V1.2火箭

任務(wù)定位:高可靠低成本商業(yè)發(fā)射。地球同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO)運(yùn)載能力:8.3t(一次性)。構(gòu)型特點(diǎn):單芯級,兩級,全軌道覆蓋,如圖6所示。

方案評估: 95%以上任務(wù)覆蓋,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)綜合最優(yōu)、結(jié)構(gòu)最簡、動力冗余、智能控制和先進(jìn)測發(fā),發(fā)射服務(wù)具備商業(yè)競爭力,子級垂直回收為重復(fù)使用提供新的選擇。

(2) 電子號火箭

任務(wù)定位:為微小衛(wèi)星運(yùn)營商提供發(fā)射服務(wù)。500km太陽同步軌道(SSO)運(yùn)載能力:150kg。構(gòu)型特點(diǎn):兩級構(gòu)型,一型電動泵驅(qū)動發(fā)動機(jī)(Rutherford),如圖7所示。

方案評估: 發(fā)射便捷,費(fèi)用低——1U 衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)費(fèi)用為5萬美元;發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,比沖高;箭體質(zhì)量輕(全碳纖維復(fù)合材料);火箭部組件可實(shí)現(xiàn)快速制造(3D打印等)。

4.3 技術(shù)創(chuàng)新

新火箭任務(wù)適應(yīng)性、市場競爭力源于創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、應(yīng)用新技術(shù)和產(chǎn)品快速升級。

(1)按概率發(fā)射的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù)

傳統(tǒng)運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)理念源于導(dǎo)彈,選擇99%發(fā)射概率,箭體結(jié)構(gòu)過度冗余。

新興商業(yè)公司選擇70%~80%發(fā)射概率,大幅降低飛行載荷,應(yīng)用射前裝定、主動減載等技術(shù)進(jìn)一步降低飛行載荷。

(2)簡單可靠的高性能變推力發(fā)動機(jī)技術(shù)

一型性能先進(jìn)、簡單可靠的發(fā)動機(jī)是研制運(yùn)載火箭核心支撐。Merlin系列發(fā)動機(jī)推力從35t提升到86t,質(zhì)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(zhì)比達(dá)到183。

發(fā)動機(jī)不再強(qiáng)調(diào)大推力,而是考慮制造簡單、性能可靠、推力可調(diào)節(jié),以多機(jī)并聯(lián)策略研制最簡構(gòu)型的運(yùn)載工具,提升市場競爭力。

(3)新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)

快速推動箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)與制造一體化,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與承載精確匹配。選擇高強(qiáng)鋁鋰合金、復(fù)合材料等成熟材料降低箭體結(jié)構(gòu)質(zhì)量和制造成本。引入全攪拌摩擦焊、箱底旋壓成型、3D打印等新型制造技術(shù),確保設(shè)計(jì)到制造的一致性和快速性。

(4)新型控制技術(shù)

傳統(tǒng)運(yùn)載火箭為軌道預(yù)裝定,動力故障狀態(tài)下難以將載荷送入軌道。獵鷹9火箭實(shí)現(xiàn)了射前裝定、主動減載、一臺發(fā)動機(jī)故障狀態(tài)下動力冗余和在線實(shí)時(shí)規(guī)劃新的飛行控制策略[10]。

在線自主規(guī)劃的核心關(guān)鍵是動力冗余、姿控模型重構(gòu)和按照新的軌道飛行,需要算法在毫秒量級以能量最省原則重構(gòu)制導(dǎo)、姿控等策略。美國從火星任務(wù)開始研究凸優(yōu)化算法[11],2011年開始在蚱蜢樣機(jī)、獵鷹9火箭一子級上驗(yàn)證,2015年一子級垂直返回工程實(shí)現(xiàn)。

5 我國航天發(fā)射服務(wù)發(fā)展建議

進(jìn)入太空2.0時(shí)代,傳統(tǒng)航天企業(yè)與新興商業(yè)航天公司同臺競爭是時(shí)代的必然。傳統(tǒng)航天企業(yè)需要從技術(shù)、管理和政策3個(gè)方向創(chuàng)新,提升航天發(fā)射服務(wù)競爭力。

(1)引領(lǐng)技術(shù)創(chuàng)新

選擇合理市場切入點(diǎn),追求基本型火箭方案的最簡化,與上面級組合實(shí)現(xiàn)高任務(wù)覆蓋,以動力、結(jié)構(gòu)、電氣、地面技術(shù)創(chuàng)新提升產(chǎn)品的競爭力。

(2)優(yōu)化組織管理

瞄準(zhǔn)產(chǎn)品通用化,實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)研制任務(wù)導(dǎo)向型向通用產(chǎn)品發(fā)射服務(wù)型組織轉(zhuǎn)變;減少產(chǎn)品研發(fā)中間環(huán)節(jié),從總體、分系統(tǒng)、單機(jī)獨(dú)立向系統(tǒng)集成組織轉(zhuǎn)變。

(3)給予政策支持

航天產(chǎn)業(yè)非市場化因素眾多,需要國家制定相關(guān)的法律和政策,逐漸將非市場化要素(發(fā)射場、測控網(wǎng)等)轉(zhuǎn)化為市場要素,給予發(fā)射服務(wù)許可證,支持企業(yè)開展空間稀缺資源(軌位和頻位)的國際談判等。

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