一文看懂SpaceX和我國商業航天新局_風聞

頭圖由豆包生成，提示詞：穿上宇航服的馬斯克

近期，在一次直播活動中，我提到了我的家鄉中國山東海陽市的東方航天港建設。但因為時間關係，沒有詳細展開講當前商業航天的發展情況，後來有觀眾對這個話題感興趣。再加上最近SpaceX第六次試飛星艦，國內的衞星發射頻率也在明顯加快。所以我寫一篇文章，給感興趣的讀者朋友們介紹一下我所瞭解的商業航天。

商業航天

商業航天肇始於2004年，布什總統暫停美國航天飛機計劃，美國宇航局（NASA）通過資助商業公司的形式繼續進行太空活動。

在美國這樣一個市場發展程度較高的國家，航空航天任務早期也是由NASA和軍方這樣的國家隊主導。但在發展過程中發現，國家隊主導的航空航天模式，研發投入和發射成本越來越高，逐漸超出NASA的預算限制，違背了航空航天發展的初衷。

因此，NASA開始嘗試採用市場化招投標的形式，將部分任務（主要是近地軌道業務）承包給私營企業。受益於承接官方的商業化任務以及官方提供的部分技術支持，SpaceX、藍色起源等公司逐漸發展起來。

現階段，美國在近地軌道的任務，比如衞星發射、空間站航天員運送和貨運任務已經基本完全由商業公司實施，政府主要承擔探月、探火等較遠的太空探索任務，甚至有的商業公司也開始介入火星探測，比如SpaceX的目標是火星移民，還有的商業公司另闢蹊徑，開始探索太空旅遊業務，比如藍色起源。

中國比美國稍晚，在2015年放開民營資本進入商業航天領域，目前也誕生了一批民營火箭和衞星公司。

總結來説，商業航天和國家隊主導的航天做的事情大致相同，比如火箭研製和發射、衞星製造和運營、載人航天、太空探索，以及圍繞上述活動開展的相關技術服務和應用等等。

商業航天與國家隊航天最大的區別在於理念和模式不同，商業航天以市場為主導，要具備商業盈利模式。商業航天的優勢，就是在於能夠通過充分的競爭，帶動行業整體技術水平的提高和成本的降低。

衞星互聯網

目前商業航天與普通人的生活最為密切相關的業務是衞星互聯網。

我們現在的通信網絡主要依靠地面基站，但地面基站有三個重要限制：

**第一，信號傳輸效率受各種條件影響。**比如，如果想要保障山區的通信，只能跋山涉水到偏遠山區修建基站。在城市，建築物的阻擋也會削弱信號傳輸效率。

**第二，工作頻段越高，傳播距離相對越短，這就需要增大基站發射功率和分佈密度。**比如，要保障相同的信號強度和覆蓋面積，5G基站的數量就要比4G基站多。

**第三，需要鋪設大量的線纜，有時候甚至要穿山過海，耗費很大。**這也是為什麼很多地方沒有網絡覆蓋的重要原因。

上述三方面顯著影響了通信網絡的建設成本和服務範圍。而衞星通信為解決上述問題提供了潛在方案：

首先，衞星在天上，沒有固體遮擋物，信號傳輸效率的損失較小。

其次，衞星軌道距離地面越遠，信號覆蓋的範圍越廣，需要的衞星數量就越少，相對成本就越低。

最後，主要靠空地信號傳輸，不需要鋪設大量線纜。

但衞星通信方案的問題在於：

**第一，**高軌衞星覆蓋面大，3顆高軌衞星就可以覆蓋全球，但高軌衞星距地面遠，信號傳輸距離長，面臨較長的通信延遲；

**第二，**高軌衞星要長距離通信，只能選擇較低的工作頻段，而且要維持較高的發射功率，因此衞星的體積和質量就比較大，發射成本會提升；

**第三，**降低軌道高度可以降低延遲，但低軌衞星的覆蓋面積相對較小，這就需要更多的衞星組網才能覆蓋相同的面積。因此，製造成本、發射成本依然會上升。

**第四，**星間通信技術沒有攻克的時候，衞星還是需要依賴地面基站來接收信號，為了保持通信的連續性，一條通信鏈路需要在多顆衞星之間切換，而低軌衞星相對地面某一點不是固定的，因此地面站必須有複雜的跟蹤系統，這也增加了成本。

**第五，**衞星的製造成本比較高。國產衞星的單顆造價之前在3000萬元左右，目前已經有大幅度下降，在可預期的未來應該可以降到1000萬以下。

**第六，**在沒有攻克火箭的可回收技術之前，衞星的發射成本比較高，每公斤成本約6～15萬。

如果可以攻克上述問題，那衞星通信方案就具備全面替代地面通信系統的潛力，商業價值不可估量。所以作為一種潛在的技術方案，有諸多企業進行了嘗試。

比如，1990年摩托羅拉提出的“銥星計劃”、1991年勞拉公司和高通公司提出的“全球星”系統、1995年軌道通信公司發起的“軌道通信計劃”等等。

但無一例外，由於技術限制、成本控制和市場定位等問題，上述計劃先後宣佈破產或者重組，只有少部分業務由於軍方的需求而得以保留。

破局

諸多企業進行了嘗試，但都沒有取得突破性進展，直到SpaceX破局。

SpaceX對商業航天的重要意義在於：

**首先，創新材料大幅降低了火箭製造成本。**SpaceX火箭箭體的主要材料是不鏽鋼，據馬斯克説，每公斤的成本只需要3美元。傳統箭體的碳纖維材料每公斤的成本高達135美元，而且碳纖維切割過程中還面臨大約35%的耗損，所以實際成本接近200美元/公斤。

**其次，可回收技術大幅降低了發射成本。**一枚全新獵鷹9號火箭的成本大約為5000萬美元，複用次數越多，成本越低。根據每次發射的有效載荷不同，新火箭發射一次的毛利潤在1200萬美元左右，而複用發射的毛利潤超過3000萬美元。目前可知，SpaceX火箭的最大複用次數超過了18次（2024年3月31日發射的獵鷹9號）。

依靠上述兩種技術和大推力發動機，SpaceX將每公斤的發射成本從6～15萬元人民幣降低至2萬元，未來的目標是把成本進一步降低到每公斤千元左右。

**最後，也最關鍵的是，**SpaceX顛覆了衞星的製造方式和發展理念，對技術創新的追求也令人耳目一新。

**第一，**我們過去發射衞星的數量和頻次有限，幾乎每顆衞星的設計功能都不一樣，所以傳統的衞星製造方式採取“固定站位式”生產，幾位工程師共同完成一顆衞星的製造全流程，從設計、組裝、測試到發射的耗時要超過8個月。

但星鏈規劃了4.2萬顆相對標準化的衞星，所以可以、也確實需要批量化生產，由此可以引入流水線、模塊化和3D打印，大幅提高了效率，降低了成本。SpaceX於2023年3月公佈的一則報告稱他們每天能製造6顆星鏈V2.0 Mini衞星。

**第二，**過去由於製造和發射成本高，因此我們的衞星發射理念追求的是高成功率和高可靠性，衞星的設計壽命比較長。這就導致我們會優先選用高端耐用元器件，比如相控陣芯片一般會選用抗輻照專用芯片，這就顯著抬高了衞星製造成本。

但SpaceX把衞星看做“消費品”，星鏈衞星的設計壽命只有5年，5年後就會脱離軌道，進入大氣層燒燬。這一方面使得SpaceX必須不斷製造和發射衞星，另一方面其實也為星鏈技術不斷更新換代提供了條件。星鏈的初代星還比較傳統，此後發射的衞星逐漸新增了星間通信、空間變軌、手機直連等功能。

**第三，**SpaceX對技術創新的追求使人大開眼界。

**其一，創新衞星外觀。**我們印象中的衞星的主流形狀是“一個球形體+兩個翅膀”的樣子，翅膀是太陽能電池板，球體集成各種功能載荷。但SpaceX為了提高單箭的發射能力，做了“立方體”摺疊衞星，早期版本的長寬約4米*1.7米，後期版本的長寬約4.1米*2.7米，厚度都在1米以內。

在技術更先進的情況下，衞星做得更大更重，顯然搭載了更多功能。SpaceX的單箭最大發射記錄是一箭143星，但根據火箭運力和衞星型號不同，單箭發射的衞星數量也是不確定的。目前的主流火箭還是獵鷹9號（最大運載能力22.8噸）和獵鷹重型火箭（最大運載能力64噸），預期“星艦”很快將投入使用，設計的最大運載能力是150噸。

**其二，貫徹成本優先。**我們傳統的衞星發射方式是“直髮入軌”，衞星自身只具備軌道維持，而不具備空間變軌能力。因為在過去使用燃料推進的技術水平下，比衝較低，如果想要使衞星獲得推力，則要攜帶更多的燃料，增加衞星的體積和重量，得不償失。

SpaceX採用的霍爾電推，其工作原理是通過電場和磁場的相互作用，將電離的氣體離子加速噴射出來，從而獲得推力。不同氣體的電離難度不同，SpaceX先後使用氙、氪、氬氣作為推進劑，推力更大、成本更低。比如，一公斤氬的成本是500～1500美元，氪的成本是3000～10000美元。所以SpaceX可以只將衞星送入440km的軌道，然後使用推進器緩慢推升到550km高的軌道，節省了火箭推進燃料。

空間競爭

星鏈規劃了2期星座。一期發射1.2萬顆衞星，二期計劃發射3萬顆，這些衞星在低軌道組網，可以為地面用户提供高帶寬和低延時的互聯網通信服務。

目前星鏈衞星主要有V0.9、V1.0、V1.5、V2.0 mini等型號，V2.0的幾種衍生版本也在不斷入軌，據説V3.0版本也已經啓動設計。正在工作的主要是1.0和1.5兩個版本。1.0不具備星間激光通信能力，還比較依賴地面測控網絡。從1.5版本開始，星鏈衞星即搭載了星間激光通信設備，具備星間通信能力，隨着新版本衞星數量的不斷增多、舊版本將被逐漸淘汰。

V2mini及之前的型號還需要地面終端，最新的V2.0 mini D2C版本已經支持手機直連。公開信息顯示，截至11月，星鏈共有6764顆衞星在軌，佔全球在軌活躍衞星數量超過60%。其中6290顆正在工作，336顆具備直連手機功能，成為全球在軌擁有手機衞星直連能力衞星最多的公司，並基本具備了對中低緯度區域的初期通信覆蓋能力。

近地衞星通信的成功帶來的直接問題是近地軌道空間和通信頻段資源的競爭。

**首先，軌道空間是有限的。**根據測算，300～2000km的低軌空間，能夠容納的衞星總量約5.8萬顆，2029年預計將部署約5.7萬顆，SpaceX一家就申請了4.2萬顆，佔比將超過72%，剩下的才歸其餘國家競爭。

**其次，頻段資源也是有限的。**當前的主流頻段包括L、S、C、Ku、Ka、Q、V、E等，L、S、C基本已經用完了，Ku和Ka也所剩不多，且星鏈佔用了大部分。新發衞星的頻段主要集中在Q、V、E頻段。

中國已經提出了三個“萬星星座”計劃，包括“GW星座”1.3萬顆、“千帆星座”1.5萬顆、“鴻鵠-3星座”1萬顆，目前還不知道這三個星座計劃具體的軌道面分佈和頻段情況，可能要面臨與SpaceX的直接競爭。

衞星的頻段資源主要由國際電信聯盟（ITU）來管理和分配，當前的原則是“先到先得”。但為了提高頻段資源分配的有效性，防止過度佔用，ITU還規定，在提交申請後的7年內必須發射第一顆衞星，並在投入使用的監管期結束後2年內發射10%的衞星，5年內發射50%，並在首發後的7年內全部部署完成，若未按時達到要求，則被視為放棄相應的資源所有權。也就是説，從首次申請開始，14年內必須全部發射完畢。這又反過來對衞星的製造和發射能力提出了要求。

而SpaceX在這兩方面都有優勢：

第一，SpaceX的衞星發射頻率越來越快，2022年平均每10.7天發射一批，2023年縮短至5.8天，2024年縮短至4.1天。

第二，SpaceX的衞星是標準化的，引入了3D打印、模塊化和流水線，SpaceX自己披露，他們每天能製造6顆V2.0 Mini衞星。

SpaceX之所以能如此高頻的發射衞星，除了自身的火箭和衞星產能之外，還得益於SpaceX擁有較為充足的發射場資源，而且發射架的維護時間比較短。

SpaceX有4座發射場，極端情況下每個月甚至可以發射10次以上，第5座發射場也正在建設中。

未來前景

**其一，**星鏈在俄烏戰場上展現了巨大的戰略價值，超出了服務普通用户的設計初衷，展現出多元化應用潛質。比如，目前星鏈由通信衞星組成，可以為“星艦”試飛和商業太空行走任務提供通信支持。如果有必要，未來可以導航、遙感或搭載其它載荷，增加光電偵察監視能力、電子干擾能力甚至導彈攔截能力。

**其二，**星鏈已經實現了現金流平衡，且用户數量不斷提升，服務成本在不斷下降，衞星互聯網的商業模式已經得到了驗證。2023年11月，馬斯克稱星鏈業務已經實現了現金流平衡。

2024年以來，“星鏈”系統憑藉多域覆蓋、高質通信等優勢，在完成對北美、歐洲及大洋洲市場佈局的基礎上，進一步拓展亞洲和非洲市場，搶佔全球衞星互聯網服務先發優勢，目前已為超400萬用户提供天基通信服務。

那麼，中國的衞星互聯網前景如何呢？一句話總結，正在蓄力，隨時可能爆發。

與高製程芯片不同，作為世界上第五個獨立發射衞星的國家，中國在火箭和衞星方面可以做到完全的技術自主。當然，我們在某些方面確實不如SpaceX，但SpaceX也是最近十幾年才爆發式成長起來的新鋭公司。

2015年，中國商業航天對民營資本開放。2020年，衞星互聯網被納入“新基建”範疇，上升為國家戰略性工程。2021年，規劃了長三角“G60星鏈”產業基地，規劃衞星產能300顆/年，此後將逐步提升至500～600顆每年。

2023年，重慶兩江新區以“重慶數創園”為核心承載體，創建國家級衞星互聯網產業創新中心，推進衞星互聯網產業發展。

事實上，以中國的工業製造能力，提升火箭產能和衞星產能是一件相對較為簡單的事情。假設與SpaceX對標，目前的短板在於性價比，即衞星製造成本、火箭發射成本和發射頻率。

第一，發射頻率並不受限於火箭生產，而主要受限於發射場資源。當前的火箭製造主要是按需生產，產能遠未打滿，但發射場資源有限。SpaceX有五座可用發射場，3天可執行一次發射。中國的發射場主要是軍用發射場，發射架的維護週期約需要2周，所以發射頻率較慢。

但在海南建設的商業發射場已經逐步投入使用，也在逐步啓用海上商業發射場建設，未來發射資源不足的短板會得到較大緩解。

**第二，火箭發射成本主要受限於發動機運力、一箭多星和可回收技術。**可回收技術的關鍵點包括髮動機二次點火、姿態調整，在一級火箭下落的過程中，需要收集位置、速度、姿態等信息，在線即時計算發動機所需的推力大小和作用方向，對制導算法的要求極高。

國內的藍箭航天、中科宇航、星際榮耀等公司正在推進可回收技術研發，藍箭航天首次實現垂直起降返回火箭空中二次點火。中國商業航天在2025年有可能完成首個可回收火箭的入軌首飛。國內已經嘗試了一箭18星，未來還將探索一箭36星、一箭54星甚至更多。

**第三，衞星製造成本有望迎來大幅下降，但解決方案還有優化空間。**密集發射帶來的規模化效應將會帶來衞星製造成本的大幅下降。但如果希望製造成本能與星鏈匹敵，則需要在包括相控陣芯片、霍爾電推等重要元器件追求更優的功耗和性價比。

國產化高端元器件的成本還是比較高，因此，為了追求較高的利潤，國內的商業化衞星還是會綜合混用國內外元器件。不過，我相信批量化的製造需求會倒逼國產化元器件的技術升級和成本壓降。

總結

總結來説，中國的火箭和衞星可以做到完全的技術自主，但從商業航天的邏輯來看，在成本方面還有較大的優化空間。由於未來的批量化發射需求，成本端可能會迎來一個較大幅度的下降，但想要與SpaceX匹敵，還需要攻克不少技術難題。

需要注意的是，作為一種規模效應很強的基礎設施，衞星互聯網領域也可能存在“贏家通吃”的局面，目前SpaceX已經在幾大洲開展業務，國內的政策端和廠商應該形成合力，進一步加快商業航天佈局。

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