王小軍

中國商業(yè)航天的發(fā)展與未來

王小軍

（中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

通過研究航天技術發(fā)展趨勢和國際商業(yè)航天發(fā)展形勢，分析了商業(yè)航天對市場發(fā)展、產業(yè)轉型、技術創(chuàng)新的重要意義，結合商業(yè)航天發(fā)展歷史和特點，總結了商業(yè)航天發(fā)展中的商業(yè)化發(fā)射、產業(yè)化發(fā)展、大眾化服務3個重要階段及標志特征，提出了中國運載火箭技術研究院商業(yè)運載火箭發(fā)展型譜，并根據商業(yè)航天當前發(fā)展階段特點和未來任務需求，給出了可靠性、經濟性、響應性、創(chuàng)新性等未來發(fā)展建議。

商業(yè)航天；運載火箭；型譜

0 引 言

近幾年來，隨著航天技術的不斷發(fā)展和航天產業(yè)規(guī)模的日益擴大，商業(yè)航天快速發(fā)展，以商業(yè)運載火箭、低軌互聯網星座、亞軌道旅游、商業(yè)遙感等為代表的商業(yè)航天各領域得到迅速推進，航天產業(yè)呈現新的發(fā)展態(tài)勢。在技術進步和市場需求的驅動下，航天規(guī)模化生產和大眾消費成為可能，發(fā)展商業(yè)航天產業(yè)、提升航天技術水平，對支撐航天強國建設具有重要意義[1,2]。

分析商業(yè)航天特點，其發(fā)展脈絡大致可分為3個階段：第1階段是以運載火箭商業(yè)市場發(fā)射為主的商業(yè)化發(fā)射階段，第2階段是商業(yè)航天產業(yè)化發(fā)展階段，第3階段是商業(yè)航天提供大眾化服務階段。

本文在研究商業(yè)航天發(fā)展形勢的基礎上，著眼于商業(yè)航天發(fā)展趨勢，結合中國運載火箭技術研究院商業(yè)航天發(fā)展現狀與未來布局，提出了中國運載火箭技術研究院商業(yè)運載火箭型譜發(fā)展構想，并給出了中商業(yè)航天未來發(fā)展建議。

1 商業(yè)航天發(fā)展形勢分析

商業(yè)航天是在國家相關法律法規(guī)指導下，利用社會化資本、遵循市場機制而開展的航天活動，是對由國家投資主導的政府航天的重要補充，可以有力提升資源配置效率效益，支撐航天技術長遠發(fā)展[3]。

隨著冷戰(zhàn)政治意識對抗的淡化和結束，航天活動的商業(yè)屬性日益展現，規(guī)?；纳虡I(yè)航天于20世紀80年代開始起步。1984年，美國頒布了《商業(yè)航天發(fā)射法案》。1987年，美國Orbital Sciences公司開始研制世界上第1種由私營公司投資的商用運載火箭——飛馬座，此后還先后研制了金牛座、安塔瑞斯運載火箭。2002年，美國SpaceX公司開始研制法爾肯系列運載火箭，近年來通過法爾肯9火箭快速搶占國際商業(yè)發(fā)射市場。與此同時，Blue Origin、Rocket Lab等新興航天企業(yè)陸續(xù)涌現，新謝潑德垂直起降飛行器、電子號火箭先后飛行成功。

中國商業(yè)航天發(fā)源于對外商業(yè)發(fā)射服務，與國外基本同時起步。從20世紀80年代后期開始，中國長征系列運載火箭先后完成了亞星、澳星、銥星等商業(yè)發(fā)射任務，形成了長征火箭的國際市場重要影響力[4,5]。進入21世紀，尤其是2010年之后，在新技術和新需求的推動下，中國商業(yè)運載火箭、商業(yè)衛(wèi)星及商業(yè)應用服務蓬勃發(fā)展。

商業(yè)航天以大膽創(chuàng)新、快速迭代的技術和管理優(yōu)勢帶來了市場空前繁榮，尤其基于航天技術和社會化資本深度融合的“航天+”模式帶來全新的業(yè)務形態(tài)，推動了產業(yè)資源與市場需求的加速融合，激發(fā)更多的應用場景，催生出新的經濟增長點，其主要表現在如下3個方面。

a）商業(yè)航天是市場發(fā)展的新引擎。

隨著航天技術的發(fā)展和航天應用的普及，航天產業(yè)蓬勃發(fā)展，經濟規(guī)模持續(xù)攀升。根據美國航天基金會發(fā)布的2019年第2季度《航天報告》顯示，2018年全球航天經濟增長8.1%，遠高于世界經濟整體增長水平。2018年市場規(guī)模達到4147.5億美元，其中商業(yè)航天占到市場份額的80%。商業(yè)航天已經成為市場的主力軍，更是未來的發(fā)力點和新引擎。

b）商業(yè)航天是產業(yè)轉型的加速器。

政府航天部門建立了一套完善的技術和管理體系，確保穩(wěn)步推進重大工程實施、前沿技術研究和空間科學探索等，但由于任務影響大、可靠性要求極高等因素影響導致任務成本居高不下。隨著航天產業(yè)持續(xù)壯大，面對小批量向規(guī)?；霓D型機遇和挑戰(zhàn)，利用社會資源進行市場化配置是提高效益的重要手段[6]。當前商業(yè)火箭、商業(yè)衛(wèi)星不斷呈現新的發(fā)展形勢，必然帶動衛(wèi)星應用等大量上下游和周邊企業(yè)的進步，推動航天向產業(yè)化方向發(fā)展。

c）商業(yè)航天是技術創(chuàng)新的助推劑。

商業(yè)航天具有靈活的運營協(xié)作機制和快速市場響應能力，能夠將各個領域的先進技術成果與航天應用場景結合，圍繞市場需求進行革命性創(chuàng)新。例如SpaceX公司大膽開展垂直起降飛行試驗最終實現工程應用，創(chuàng)新性地構建了運載火箭重復使用的技術發(fā)展路線[7]。

2 中國運載火箭商業(yè)化發(fā)射回顧

商業(yè)化發(fā)射作為商業(yè)航天發(fā)展的重要起步階段，主要是通過市場競標和簽訂合同，利用傳統(tǒng)火箭完成市場發(fā)射任務。該階段的特點是商業(yè)運營獨立于技術研發(fā)，沒有改變運載火箭的研制模式，也沒有專門的商業(yè)運載火箭，長征系列運載火箭率先躋身國際商業(yè)航天發(fā)射市場，是中國商業(yè)航天發(fā)展的第1個重要階段。

20世紀80年代后期國際商業(yè)載荷迎來了第1次發(fā)展浪潮，同期航天飛機和阿里安系列火箭連續(xù)出現飛行失利，長征系列運載火箭以性能可靠、價格經濟的顯著優(yōu)勢迅速躋身國際商業(yè)航天發(fā)射市場。

1988年11月1日，中國長城工業(yè)總公司（現為中國長城工業(yè)集團有限公司）和美國休斯公司正式簽署了衛(wèi)星發(fā)射服務合同，決定研制大推力運載火箭——長征二號捆（見圖1），用于發(fā)射澳賽特通信衛(wèi)星。 1990年7月16日，長征二號捆火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心將澳星模擬星順利送入太空，創(chuàng)造了18個月完成火箭研制的奇跡，并且突破了火箭捆綁關鍵技術難題。截至1994年8月28日，一共完成了3顆澳星發(fā)射任務，此后還成功完成了亞洲二號、艾科斯達一號等商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射任務。

圖1 長征二號捆火箭發(fā)射

1989年1月23日，中國長城工業(yè)總公司與亞洲衛(wèi)星有限公司簽訂發(fā)射合同，確定使用長征三號火箭（見圖2）發(fā)射亞洲一號衛(wèi)星。1990年4月7日，長征三號運載火箭圓滿完成發(fā)射任務，掀開了中國商業(yè)發(fā)射的大幕。

圖2 長征三號火箭發(fā)射

1993年4月28日，中國長城工業(yè)總公司和美國摩托羅拉公司簽訂了衛(wèi)星發(fā)射服務合同，決定利用長征二號丙火箭以一箭雙星的方式發(fā)射銥星。1997年9月1日，長征二號丙運載火箭成功發(fā)射2顆銥星模擬星。截至1999年6月11日，長征二號丙火箭一共進行7次發(fā)射，將2顆模擬星和12顆正式星準確送入預定軌道，全部取得了圓滿成功。

1997年8月20日，中國當時推力最大的運載火箭——長征三號乙火箭成功地將菲律賓的馬步海衛(wèi)星送入地球同步軌道，標志著中我國衛(wèi)星發(fā)射能力達到世界先進水平，長征三號乙火箭也成為中國承擔國際商業(yè)發(fā)射任務的主力火箭。

近年來隨著美國ITAR擴大化，中國國際商業(yè)發(fā)射市場份額大幅降低。但隨著國內外商業(yè)載荷的蓬勃發(fā)展，長征二號丙、長征十一號等火箭已經執(zhí)行了多次微小衛(wèi)星商業(yè)發(fā)射任務，尤其隨著長征三號乙火箭發(fā)射大型通信衛(wèi)星的整星出口業(yè)務發(fā)展，長征系列運載火箭在國際商業(yè)發(fā)射市場的地位日趨重要。

除了整星發(fā)射任務外，早在1987年8月5日，長征二號丙火箭發(fā)射任務中就搭載了兩臺由法國馬特拉宇航公司研制的微重力實驗裝置。1990年7月16日，長征二號捆火箭首飛任務中也搭載了巴基斯坦科學試驗衛(wèi)星。

中國運載火箭技術研究院近期還專門發(fā)布了2020~2021年長征系列火箭十余次搭載發(fā)射計劃，為用戶提供了多樣化的商業(yè)發(fā)射服務選擇，見表1。

表1 長征系列火箭搭載發(fā)射計劃

Tab.1 The piggyback launch plan of LM series launch vehicles

序號發(fā)射窗口軌道/軌道類型可搭載余量/kg整流罩直徑/m發(fā)射類型 12020年GTO10004.2搭載 22020年728km/SSO103.35搭載 32020年1000km/SSO待定4.2 42021年500km/SSO3003.35 52021年500km/SSO5004.2 62021年500km/SSO5004.2 72021年600km(35°)/LEO1003.35 82020~2021年多次發(fā)射機會500~700km/LEO SSO430~500（SSO）1.6/2.0整箭或搭載發(fā)射 92020~2021年多次發(fā)射機會500~700km/LEO SSO155~200（SSO）1.2/1.4

3 中國運載火箭產業(yè)化發(fā)展構想

近年來，隨著新技術發(fā)展，各類商業(yè)星座發(fā)射計劃層出不窮，發(fā)射市場需求日趨旺盛。例如，一網公司提出的“OneWeb Constellation”計劃發(fā)射超過 650顆衛(wèi)星；SpaceX公司的“Starlink”計劃更是提出發(fā)射42 000顆衛(wèi)星；亞馬遜公司提出的“Kuiper”星座也多達三千顆衛(wèi)星；中國也有多家公司提出了類似的商業(yè)計劃[8]。

以星座組網為代表的衛(wèi)星數量超過以往人類發(fā)射的所有航天器，發(fā)射數量多、經濟性要求高，即使采用多星發(fā)射任務，年度發(fā)射量也將達到數百次，對傳統(tǒng)火箭研制發(fā)射模式提出了空前的挑戰(zhàn)。通過供給側結構性改革，構建市場化的發(fā)射服務體系，成為一種可行的解決方案，商業(yè)航天進入產業(yè)化發(fā)展階段，這也是中國商業(yè)航天發(fā)展的第2個階段。該階段的特點是推動航天研制模式由追求科研成果轉向滿足市場需求轉變，彌補現有運載火箭在發(fā)射次數上的能力不足，并支撐未來低軌星座組網等工程順利實施。商業(yè)航天產業(yè)化發(fā)展一方面可以做大做好商業(yè)發(fā)射服務市場，形成對傳統(tǒng)航天的有益和重要補充；另一方面可以推動科研院所做好成果轉化與轉型發(fā)展，提高技術轉化效益和資源配置效率。

2015年以來，中國成立了以科工火箭、藍箭航天、星際榮耀、零壹空間為代表的一系列商業(yè)火箭公司，涵蓋發(fā)動機、箭體結構、火箭總體等整個產業(yè)鏈。2018~2019年，藍箭航天、零壹空間、星際榮耀等陸續(xù)完成了亞軌道和入軌發(fā)射，民營航天企業(yè)逐步嶄露頭角[9]。

2016年，中國運載火箭技術研究院成立了中國長征火箭有限公司，創(chuàng)新管理模式和研制模式，充分發(fā)揮在運載火箭研制、生產、發(fā)射領域的技術優(yōu)勢，通過社會資本加速技術創(chuàng)新，利用商業(yè)化模式推動成果轉化。2019年8月17日，中國運載火箭技術研究院捷龍一號商業(yè)運載火箭將3顆商業(yè)衛(wèi)星送入預定軌道，再次創(chuàng)造了18個月完成一型全新運載火箭研制和首飛的奇跡，探索了“國家隊”商業(yè)化研發(fā)模式。

與傳統(tǒng)運載火箭研發(fā)模式相比，捷龍一號運載火箭研制過程中完成了由注重技術成功向注重技術、市場、效益并重成功的轉變，實現了三者有機對接，具有“高性價比、高可靠、快履約、快發(fā)射”的顯著特點。捷龍一號運載火箭研制中通過營造容錯試錯的創(chuàng)新環(huán)境，大膽應用新方法、新產品、新工具，首次驗證了衛(wèi)星艙倒置、全箭簡控等為代表的15項新技術，促進了運載火箭設計、仿真技術創(chuàng)新；通過采用更加市場化的競爭性采購機制和資源配置方式，面向社會資源擴大配套來源，降低采購成本，打造了商業(yè)化產業(yè)鏈條；通過大規(guī)模組批生產，縮短發(fā)射服務履約周期，與用戶簽訂合同后6個月即可出廠；通過優(yōu)化發(fā)射準備流程，縮短發(fā)射準備時間，采用一車一箭方式，成熟期運抵發(fā)射場后可實現24小時快速發(fā)射。

圍繞商業(yè)航天市場需求，在長征系列運載火箭基礎上，中國長征火箭有限公司將構建龍系列商業(yè)運載火箭產品，包括捷龍固體運載火箭系列和騰龍液體運載火箭系列。

捷龍系列（見圖3）包括捷龍一號、捷龍二號、捷龍三號三型固體運載火箭，以及捷龍-S亞軌道固體運載器，覆蓋500 km太陽同步軌道200~1500 kg的運載能力，將著力滿足微小衛(wèi)星、立方星發(fā)射以及星座補網、快速組網等入軌需求。

圖3 捷龍系列運載火箭

捷龍一號火箭箭體最大直徑1.2 m，總長19.5 m，總重23 t。700 km高度太陽同步軌道運載能力不低于150 kg，未來將具備年均8~10發(fā)的發(fā)射能力。

捷龍二號火箭箭體最大直徑2 m，總長21 m，總重60 t。500 km太陽同步軌道運載能力不低于500 kg；整流罩可用外徑1.6 m和2 m兩種構型。捷龍二號擬于2020年完成首次飛行試驗，未來將具備年均8~10發(fā)的發(fā)射能力。

捷龍三號火箭箭體最大直徑2.6 m，總長31 m，總重140t。500 km太陽同步軌道運載能力不低于 1500 kg；整流罩可用外徑2 m和3 m兩種構型。捷龍三號擬于2021年完成首次飛行試驗，未來將具備年均5~8發(fā)的發(fā)射能力。

捷龍-S亞軌道運載器采用兩級固體發(fā)動機串聯，可提供臨近空間氣動力熱研究、新材料研究、控制和測量技術等飛行驗證條件。直徑0.6 m，總長11.3 m，總重3.1 t?？纱钶d有效載荷約500 kg，高度60 km下最大飛行馬赫數可達6.5，可用科學研究試驗時間大于25 s。

騰龍系列火箭是采用液體推進劑的中型運載火箭，主要承擔中大型衛(wèi)星和較大規(guī)模星座組網的發(fā)射服務，單位載荷發(fā)射價格控制在5000美元，未來設計有可重復使用能力。

4 中國商業(yè)航天大眾化服務展望

航天技術的發(fā)展一直在推動和改變人類生產生活方式，有數據統(tǒng)計，航天技術每1美元的投入將換來7~12美元的回報，目前中國已有2000多項航天技術成果應用到國民經濟各個部門，投入產出比高達1∶10。例如核磁共振和CT、航天粉煤加壓氣化和氣化爐等發(fā)源于航天的技術已經在生活中得到廣泛應用，有力支撐了國民經濟建設發(fā)展。

隨著未來航天技術的進步和人類生活消費水平的提升，太空活動將日益旺盛。商業(yè)航天不僅提供發(fā)射服務，還將輻射國民經濟各個領域和全面服務大眾，并且?guī)砩钌a方式的變革，這將是商業(yè)航天發(fā)展的第3個階段，也就是商業(yè)航天提供大眾化服務階段。

利用航天技術可以到達大氣層邊緣或進入太空，為普通人提供置身微重力環(huán)境的太空體驗。俄羅斯聯盟號火箭已經開展了多年的空間站旅游服務，而維珍銀河、藍色起源等商業(yè)航天公司也在爭相進入亞軌道旅游領域，提供低至25萬美元的太空旅游體驗服務。中國在亞軌道領域深入研究多年，在此基礎上載人亞軌道運載器以及未來重復使用天地往返飛行器的綜合應用，將帶動加工制造、電子、通信、材料、環(huán)境控制與生命保障等一系列學科的技術發(fā)展，直接或間接地推動經濟增長。

隨著未來重復使用技術的成熟、振動噪聲環(huán)境控制技術的改進、相關航空航天法律法規(guī)的建立健全，常態(tài)航班化高超聲速飛行可以大幅縮短全球點到點運輸的時間，飛行可達性和乘坐舒適度將顯著改善，航天技術將對大眾出行方式帶來一次變革。

以航天資源為基礎，可以形成相關文化創(chuàng)意產業(yè)，不斷催生新的經濟增長點；在創(chuàng)造經濟價值的同時，普及航天文化、樹立航天品牌，更高效地融入大眾生活。

5 未來發(fā)展建議

在不斷發(fā)展的需求牽引下，隨著技術自主創(chuàng)新并不斷成熟，航天產業(yè)規(guī)模將持續(xù)壯大，商業(yè)航天將進一步走進大眾生活、提供多樣化服務，將進一步在進入空間、利用空間等航天任務中發(fā)揮重要作用。

a）高可靠是商業(yè)航天生存與發(fā)展的核心基礎。

航天產品只有具備很高的可靠性之后，才能進一步在提供大眾化服務中發(fā)揮重要作用，因此高可靠是決定商業(yè)航天立足和發(fā)展的核心基礎。對運載火箭而言，任何一次飛行失利都將帶來慘痛代價和教訓，美國Orbital Sciences公司的安塔瑞斯火箭爆炸后，股票跌幅達到12.74%，故障分析和技術改進導致直接停飛兩年。

商業(yè)運載火箭在突破傳統(tǒng)研制模式存在的元器件等級高、加工制造工藝難、過程管控成本高等問題的同時，須建立健全在商業(yè)新模式下的可靠性設計和質量管控體系，通過技術和管理創(chuàng)新實現成本和可靠性的充分平衡。例如，采用控制重構創(chuàng)新技術提升應對飛行故障的適應能力，通過發(fā)動機等關鍵產品通用化設計減少產品種類和薄弱環(huán)節(jié)，確保低成本工業(yè)級元器件的系統(tǒng)可靠性[10]。

b）低成本是商業(yè)航天滿足大眾需求的重要特征。

航天產業(yè)的發(fā)展應遵循高效益的發(fā)展模式，低成本的航天產品才能更好地滿足大眾需求、走進社會生活。對運載火箭而言，目前單位重量載荷進入空間成本依然較高，如何降低成本實現經濟高效地進出空間將決定其是否能夠更好地提供大眾化服務。

商業(yè)運載火箭既要利用社會資源，將基礎投入大、費效比不高的產品通過社會化生產和采購，最大程度地提高性價比；更重要的是必須進行技術創(chuàng)新，通過設計制造一體化提高產品生產效率和固有經濟性，通過發(fā)動機等關鍵產品復用從而降低單次使用成本[11]。

c）快響應是商業(yè)航天贏得市場競爭的內在要求。

商業(yè)市場瞬息萬變，時間成本是商業(yè)活動中的關鍵要素，有時候甚至是決定因素，往往“搶先一步、領先一路”。對商業(yè)運載火箭而言，其快響應涵蓋了總體設計、研制生產、測試發(fā)射、商業(yè)運營等多個方面。

針對多樣化的發(fā)射市場需求，可通過總體構型通用化設計，滿足多種軌道多種載荷發(fā)射需求，實現多任務適應性；通過采用先進的設計制造方法實現規(guī)模化生產制造，可提升研制效率確保投資回報效益，縮短商業(yè)任務周期，確?？焖俾募s；通過測試發(fā)射便捷化，提升測試發(fā)射自動化和地面設備集成化水平，可降低高密度發(fā)射對資源的消耗成本[12]。

d）創(chuàng)新是商業(yè)航天實現長遠發(fā)展的關鍵途徑。

商業(yè)航天絕不是現有產品的簡單重復和包裝，而是自主創(chuàng)新驅動下的技術跨越和產業(yè)升級，創(chuàng)新是商業(yè)航天實現長遠發(fā)展的關鍵途徑。對商業(yè)運載火箭而言，其創(chuàng)新不僅僅是技術創(chuàng)新，而是包括技術、產品、管理在內的多種手段綜合創(chuàng)新。

在技術上，商業(yè)運載火箭要面向大眾化服務不斷創(chuàng)造新的需求，發(fā)展新概念飛行器，應用新的設計理念，推動重復使用等技術發(fā)展，實現高可靠、低成本和快響應；在產品上，商業(yè)運載火箭要不斷推動新材料、新器件、新工藝的應用，提高產品性價比，實現全產業(yè)鏈發(fā)展；在管理上，商業(yè)運載火箭要不斷探索新的測試發(fā)射管理模式，實施新的商業(yè)運營模式，提高綜合競爭能力，滿足社會大眾化需求。

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The Development and Future of China’s Commercial Aerospace

Wang Xiao-jun

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

Based on the investigation of the development of aerospace technology and the trend of commercial aerospace in the world, this paper has studied the significance of commercial aerospace for market development, industrial transformation and technology innovation. Combined with the development history and characteristics of commercial launch vehicles in China, three important stages (commercial launch, industrial operation and popular service) and their typical features are investigated and summarized. In addition, it also provides the spectrum of commercial launch vehicles of CALT. According to the characteristics of the current development stage and the future mission requirements of commercial launch vehicle, the development suggestions are proposed in the aspect of reliability, economy and responsiveness.

commercial aerospace; launch vehicle; spectrum

V45

A

1004-7182(2020)01-0001-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20200101

2020-01-10；

2020-02-10

王小軍（1969-），男，研究員，主要研究方向為運載火箭總體設計。