趙凱 /中國運載火箭技術研究院

王文正 /首都航天機械有限公司

尚輝、白志富、孟翔 /中國運載火箭技術研究院

2021 年1 月16 日，《求是》雜志刊登習近平主席重要文章《不斷做強做優(yōu)做大我國數(shù)字經(jīng)濟》，明確要求加快新型基礎設施建設，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設是下一代通信基礎設施建設的必經(jīng)之路。2022 年1 月12 日，國務院印發(fā)《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》，明確提出積極穩(wěn)妥推進空間信息基礎設施演進升級，加快布局衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，推動衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設。2022 年被認為是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)元年，各國紛紛出臺了多個衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是下一代通信技術發(fā)展的重要方向，是6G 的重要組成部分，其中最引人矚目的是美國太空探索公司（SpaceX）的“星鏈”計劃。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設需要執(zhí)行大批次的發(fā)射任務，低成本發(fā)射是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必由之路。承擔“星鏈”計劃一期發(fā)射任務的火箭為“獵鷹”9 號，報價為6200 萬美元，隨著可重復使用技術的發(fā)展，“獵鷹”9 號的發(fā)射成本將大大降低。據(jù)稱SpaceX 擬使用正在研制的下一代重型運載火箭“星艦”作為主力火箭，執(zhí)行“星鏈”計劃二期發(fā)射任務，“星艦”具備全箭可完全重復使用能力，可以預見未來“星鏈”計劃的發(fā)射成本將進一步降低。

一、“星鏈”計劃概況

1.“星鏈”計劃

“星鏈”計劃是SpaceX 于2015 年提出的一個可以覆蓋全球的寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，項目包括約4.2 萬顆衛(wèi)星，分布在550～1325km 之間的多條近地軌道?！靶擎湣庇媱澐譃? 期：一期包括3 個階段，第1 階段發(fā)射約1600 顆衛(wèi)星，為美國北部和加拿大客戶提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務；第2 階段發(fā)射2825 顆衛(wèi)星，目標是完成全球組網(wǎng)，第3 階段發(fā)射7518 顆衛(wèi)星組成的星座，為全球提供互聯(lián)網(wǎng)服務。二期擬發(fā)射3 萬顆“星鏈”衛(wèi)星，部署在328～580km 的近地軌道。自2019 年5 月起已經(jīng)執(zhí)行65 批次的“星鏈”計劃發(fā)射任務，截至2022年11 月完成超過3558 顆衛(wèi)星的發(fā)射，衛(wèi)星網(wǎng)絡覆蓋25 個國家和地區(qū)。自2020 年11 月“星鏈”開始服務以來，全球活躍用戶超過25 萬，預期收益達到300 億美元。

2.“星鏈”計劃發(fā)射情況

SpaceX 承擔“星鏈”計劃一期發(fā)射任務主力火箭“獵鷹”9 號的設計和制造，是世界上第一款軌道級可重復使用火箭，芯一級和整流罩可重復使用，近地軌道運載能力為22.8t，可以一次將60顆“星鏈”衛(wèi)星發(fā)射入軌。截止2022 年11 月，“獵鷹”9 號已經(jīng)完成了186 次發(fā)射任務，其中184次成功，芯一級已經(jīng)有最多14 次復用記錄，整流罩最多6 次復用記錄。未來，SpaceX 計劃將研制中的“星艦”作為“星鏈”計劃二期的主力火箭，具備全箭完全重復使用能力，其近地軌道運載能力可以達到100t，可以一次將400 顆“星鏈”衛(wèi)星發(fā)射入軌。

二、低成本“獵鷹”系列火箭

“獵鷹”系列火箭在短時間內取得了巨大的技術、成本優(yōu)勢，與SpaceX 的商業(yè)思維密不可分，SpaceX 選擇發(fā)展低成本可重復使用火箭，制定了“打造一款比目前成本至少低10 倍的火箭”目標。

1.研制低成本、可重復使用、高性能發(fā)動機作為突破口

受到資金的限制，SpaceX 在設計研制階段以低成本、可重復使用、高性能發(fā)動機作為突破口。通過與美國國家航空航天局的合作,將低成本發(fā)動機變廢為寶，經(jīng)過9 次迭代升級，最終形成了世界領先的液氧煤油發(fā)動機——梅林1D，而后又研發(fā)出最先進高效的全流量分級燃燒液氧甲烷發(fā)動機——猛禽。

2.發(fā)展高可靠、低成本的可重復使用航天器是著力點

發(fā)展可重復使用技術的關鍵是高可靠、低成本。SpaceX 的“獵鷹”系列火箭從誕生之初就面向高可靠和低成本的可重復使用需求，通過快速技術迭代，已經(jīng)發(fā)展出“獵鷹”1 號、“獵鷹”9 號、“重型獵鷹”。在目前世界主流火箭中，“獵鷹”系列火箭無論是成本、運載能力還是可靠性在同類型火箭中都位于領先地位，SpaceX 正在研制的下一代重型運載火箭“星艦”具備完全可回收復用能力，如果研制成功，發(fā)射成本將進一步降低。國際主要衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃運載火箭對比情況見表1。

表1 國際主要衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃運載火箭對比

3.結構化、模塊化、產(chǎn)業(yè)化的思維是加速器

高密度的發(fā)射任務，需要保持高產(chǎn)能。在結構化、模塊化思維下，SpaceX 減少執(zhí)行發(fā)射任務的火箭型號，多種任務對接一型火箭，一型火箭可以執(zhí)行多種任務，通過火箭的結構化設計，統(tǒng)一火箭構型，減少專用設計，優(yōu)化資源配置，有助于產(chǎn)品通用性及互換性，促成模塊化，提高了生產(chǎn)效率和可靠性，大幅降低了成本，并提升了規(guī)?；a(chǎn)水平，從而促進產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。比如“獵鷹”9 號和“重型獵鷹”共用梅林發(fā)動機，可以共線生產(chǎn)，SpaceX 具備年產(chǎn)400 臺梅林發(fā)動機能力，可實現(xiàn)年產(chǎn)40 發(fā)“獵鷹”9 號或14 發(fā)“重型獵鷹”，通過模塊化組合生產(chǎn)可以滿足多項任務的發(fā)射要求。

4.整合資源、內循環(huán)是保持領先優(yōu)勢的秘籍

通過整合資源，SpaceX 做到了商業(yè)環(huán)節(jié)的最優(yōu)化，低成本火箭的研發(fā)成功促成“星鏈”計劃的大規(guī)模建設；“星鏈”計劃的收入重新投入到可重復使用等技術的研制中，通過技術迭代，研制成功更低成本的火箭，技術、資本和資源形成了內循環(huán)，消除了科技創(chuàng)新中的“孤島現(xiàn)象”，促成了產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈雙向融合，最終形成了顯著的技術優(yōu)勢、資本優(yōu)勢和管理優(yōu)勢，如圖1 所示。

圖1 SpaceX公司產(chǎn)業(yè)循環(huán)示意圖

三、“獵鷹”系列火箭成本分析

1.一手“獵鷹”9 號成本估算

一手“獵鷹”9 號的成本構成主要為芯一級、芯二級、整流罩和推進劑及其它成本。其中，芯一級成本為3000 萬美元、芯二級成本為1000 萬美元、整流罩成本為550 萬美元、推進劑及其它成本為500 萬美元，總計大約5050 萬美元。

2.重復使用過程解析

經(jīng)過綜合研判，SpaceX 在技術路線上選擇回收復用火箭芯一級和整流罩?；厥諒陀眯疽患壌砥湫钄y帶多余重量，包括回收所需燃料、著陸結構等，為了保證運載能力、顯著壓減火箭的制造周期、大幅降低火箭成本經(jīng)過技術及經(jīng)濟性分析，芯二級不做回收復用設計，全力發(fā)揮其運載能力，每個芯一級計劃平均重復使用大約10 次。盡管每個芯一級可以使用更多次重復發(fā)射，但為了保證選擇一手火箭的用戶需求，SpaceX 每年還會保持生產(chǎn)合適數(shù)量的一手芯一級，經(jīng)濟性高的重復使用方案保障了“獵鷹”系列火箭的低成本。

經(jīng)過充分的設計及反復驗證，“獵鷹”系列火箭的重復使用維護過程簡單，只需更換部分配件和對部分發(fā)動機進行除油處理。重復使用的芯一級也根據(jù)檢查情況部分取消了發(fā)射前靜態(tài)點火試驗。

四、“星鏈”發(fā)射成本分析

1.重復使用成本分析

一手“獵鷹”9 號火箭報價為6200 萬美元，二手“獵鷹”9 號火箭國際市場報價為5000 萬美元。重復使用“獵鷹”9 號的邊際成本是1500 萬美元，其中1000 萬美元是制造一個全新芯二級的制造成本，500 萬美元包括推進劑和其它成本（整流罩的回收成本、芯一級的回收成本和備品備件更換成本等），芯一級的維護成本僅25 萬美元。拼單發(fā)射將會進一步提高發(fā)射收入，減少實際發(fā)射成本。

“獵鷹”9 號火箭第一階段復用次數(shù)目標為5 次；第二階段復用次數(shù)目標為10 次；第三階段復用次數(shù)目標為100 次。下面按照芯一級重復使用10 次、整流罩重復使用2 次和芯一級重復使用100 次、整流罩重復使用10 次2 種情況分析成本。

一是芯一級復用10 次、整流罩復用2 次。假設一個芯一級重復使用10 次，整流罩可以重復使用2 次。如果1500 萬美元的重復試驗成本正確，那么每次商業(yè)發(fā)射都會產(chǎn)生可觀利潤。第一次發(fā)射利潤為1150 萬美元；第二次同樣的芯一級重復使用發(fā)射利潤為3475 萬美元，同樣的芯一級前2 次發(fā)射利潤為4625 萬美元，同樣的芯一級商業(yè)發(fā)射重復使用2 次后，可以實現(xiàn)3 次零成本發(fā)射。

10 次發(fā)射后，總成本將是2.1 億美元。SpaceX可以使用每個芯一級進行4 次商業(yè)發(fā)射，剩余6次發(fā)射可以折算為零成本，如圖2 所示，分析見表2。

表2 10次重復使用發(fā)射成本價格分析表（單位：萬美元）

二是芯一級復用100 次，整流罩復用10 次。假設一個芯一級重復使用100 次，整流罩可以重復使用10 次。100 次發(fā)射后總成本將是16.1 億美元。SpaceX 可以使用每個芯一級進行32 次商業(yè)發(fā)射，然后剩余68 次發(fā)射可以折算為零成本，發(fā)射利潤可以達到225 萬美元，見表3。

表3 100次重復使用發(fā)射成本價格分析表（單位：萬美元）

2.“星鏈”計劃發(fā)射成本測算

“星鏈”計劃組網(wǎng)包括42000 顆衛(wèi)星，一期12000 顆，二期30000 顆。假設“獵鷹”9 號每次發(fā)射60 顆“星鏈”衛(wèi)星，星艦每次發(fā)射400 顆“星鏈”衛(wèi)星，所有衛(wèi)星均工作正常，按照情況1“獵鷹”9號執(zhí)行所有發(fā)射任務、情況2“獵鷹”9 號執(zhí)行計劃一期及星艦執(zhí)行二期，2 種情況展開發(fā)射成本測算，見表4。

（1）獵鷹9 號執(zhí)行所有發(fā)射任務

按照3 種方案進行測算：一是完全采用一手“獵鷹”9 號執(zhí)行“星鏈”計劃發(fā)射任務；二是采用芯一級復用10 次和整流罩復用2 次；三是采用芯一級復用100 次和整流罩復用10 次。

完全采用一手“獵鷹”9 號。一手“獵鷹”9號的成本為5050 萬美元，假設“星鏈”計劃所有的發(fā)射任務完全采用一手“獵鷹”9 號，共需700 次發(fā)射，完成“星鏈”計劃部署所需發(fā)射成本為353.5 億美元，折算成單星發(fā)射成本僅約84萬美元。

芯一級復用10 次、整流罩復用2 次。根據(jù)SpaceX 實際發(fā)射數(shù)據(jù)統(tǒng)計，芯一級復用10 次、整流罩復用2 次，是最接近真實狀態(tài)的情況，這種情況10 次發(fā)射成本約為2.1 億美元，完成“星鏈”計劃部署所需發(fā)射成本約為147 億美元，折算成單星發(fā)射成本僅約35 萬美元。

表4“星鏈”計劃發(fā)射成本分析表

芯一級復用100 次，整流罩復用10 次。假設芯一級復用可以達到100 次、整流罩可復用10 次。100 次重復使用成本為16.1 億美元，完成“星鏈”計劃部署所需發(fā)射成本為32.2 億美元，折算成單星發(fā)射成本僅約27 萬美元。

（2）獵鷹9 號執(zhí)行計劃一期、星艦執(zhí)行二期

按照芯一級復用10 次、整流罩復用2 次，并且由“獵鷹”9 號承擔“星鏈”計劃一期發(fā)射任務計算，那么“星鏈”計劃一期約12000 顆衛(wèi)星的發(fā)射成本為42 億美元，折算成單星發(fā)射成本僅約35萬美元。

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，正在研制的星艦量產(chǎn)后的價格不會超過2 億美元，以復用50 次計算，平均每次發(fā)射不到400 萬美元，星艦一次可以發(fā)射400 顆衛(wèi)星進入近地軌道，按照星艦執(zhí)行“星鏈”計劃二期的規(guī)劃計算，發(fā)射成本大大降低為3 億美元，與“獵鷹”9 號發(fā)射的星鏈一期成本42 億美元相加，共計45 億美元，折算成單星發(fā)射成本僅約11 萬美元。

五、啟示及建議

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設是我國“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的重點工作，需從低成本發(fā)射構建衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)角度出發(fā)，統(tǒng)籌整合產(chǎn)業(yè)資源，形成適合我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設的最優(yōu)方案。

一是火箭總體設計核心理念是低成本。根據(jù)SpaceX“獵鷹”9 號的成功經(jīng)驗，在火箭設計之初，就需要將低成本理念作為核心貫穿到總體設計之中，統(tǒng)籌迭代，研發(fā)出滿足衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)低成本發(fā)射需要的產(chǎn)品。

二是新技術研發(fā)重點突出可重復使用。通過對SpaceX“星鏈”計劃衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)射成本的分析發(fā)現(xiàn)，可重復使用技術是決定成本的關鍵。國外執(zhí)行衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)射任務現(xiàn)役和在研火箭均具備可重復使用能力。我國低成本火箭新技術研發(fā)應著重突出可重復使用技術的研究，目前包括長征系列火箭在內的可重復使用技術尚在技術驗證階段，應加大研制力度，盡快形成應用能力。

三是優(yōu)化資源配置主要手段是結構化模塊化產(chǎn)業(yè)化。2021 年SpaceX“獵鷹”9 號單一型號火箭實現(xiàn)了31 次發(fā)射，長征系列11 型火箭完成了48次發(fā)射。我國長征系列火箭在型譜模塊化方面仍有差距，某種程度上制約著我國運載火箭的規(guī)?；a(chǎn)，從而減緩產(chǎn)業(yè)化步伐。建議我國長征系列運載火箭統(tǒng)籌考慮結構化設計，以模塊化為抓手，優(yōu)化資源配置，逐步形成產(chǎn)業(yè)化。

三是發(fā)揮系統(tǒng)工程理論作用，整合產(chǎn)業(yè)資源促成內循環(huán)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設具備資本密集型的典型特征，低成本星箭一體化設計、大型運載火箭組批發(fā)射，降低單星發(fā)射成本都需要在新時期新任務充分發(fā)揮系統(tǒng)工程理論，整合產(chǎn)業(yè)資源，形成技術、資本、資源內循環(huán)，迭代發(fā)展低成本可重復使用技術，在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設的國際競爭中形成后發(fā)優(yōu)勢，持續(xù)保持我國通信網(wǎng)絡建設的國際領先地位，不斷滿足人民生產(chǎn)生活需要。