1972年，贊比亞修女瑪麗·朱昆達(dá)給NASA寫信質(zhì)疑為何在火星探索上花費(fèi)上億元，而全球還有數(shù)億人尚在挨餓。時任NASA馬歇爾太空中心的恩斯特博士回信說道，深空探索會衍生出很多新技術(shù)來改善人們的生活。例如通過空間計(jì)劃和氣象衛(wèi)星，可以提升全球農(nóng)業(yè)水平，從而減輕貧困和饑餓。這封著名的回信試圖告訴人們：征服星辰大海的科技，也會造福大眾。

　　主力軍與生力軍

　　構(gòu)建國家競爭硬實(shí)力

　　從國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)來看，航天科技在維護(hù)國家競爭力方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，因此有效執(zhí)行國家戰(zhàn)略和任務(wù)，是航天科技發(fā)展的重要使命。當(dāng)前航天商業(yè)化發(fā)展速度加快，也離不開國家戰(zhàn)略的支持：

　　1.航天科技主力軍對國家戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)發(fā)展推動作用

　　以NASA為例，成立初衷正是為了應(yīng)對美蘇兩國在冷戰(zhàn)時期的競爭，尤其是在太空領(lǐng)域打破蘇聯(lián)的競爭優(yōu)勢成為NASA在上世紀(jì)六七十年代的重要國家任務(wù)。這期間需要持續(xù)不斷地投入大量的人力、物力，但僅僅靠政府投入難以持續(xù)，因此廣泛地引入民間力量參與其中成為重要選擇。這一做法無意間開啟了美國商業(yè)航天的探索大門：一方面解決了空間探索的資金來源問題；另一方面NASA幾十年來大量積累的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，不但使得美國商業(yè)航天企業(yè)在一開始就站在世界航天科技之巔，同時商業(yè)價(jià)值可以更加廣泛地在國民經(jīng)濟(jì)中得到有效應(yīng)用。根據(jù)美國國家宇航局測算，在載人航天上投入1美元，回報(bào)則是9美元，這是汽車、航空等任何一個產(chǎn)業(yè)都難以到達(dá)的高度——從先進(jìn)材料到信息通信、光電傳感、智能制造、數(shù)據(jù)處理，如今提升人類社會智能化信息化水平的大批先進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新都可以追溯到航天科技。

　　2.商業(yè)航天企業(yè)成為生力軍對國家戰(zhàn)略的有效支持

　　商業(yè)航天的發(fā)展并非從0到1的創(chuàng)新，而是得益于各個國家在航天科技領(lǐng)域的技術(shù)和人才積累。反過來，當(dāng)商業(yè)航天這支“生力軍”發(fā)展到一定程度也將反哺國家戰(zhàn)略和競爭優(yōu)勢的打造。根據(jù)國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）規(guī)定，衛(wèi)星頻率和軌道資源的使用權(quán)采用“先到先得”的競爭方式獲取，從而造成“先占永得”的局面。目前，Ku頻率資源已經(jīng)被瓜分殆盡，Ka、Q/V頻率資源已經(jīng)有多個低軌星座進(jìn)行布局。為此，當(dāng)前全球主要航天科技國家充分認(rèn)識到軌道與頻率資源的重要戰(zhàn)略地位，并加快布局低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。這其中不僅要靠“國家隊(duì)”進(jìn)行戰(zhàn)略布局，也需要商業(yè)航天企業(yè)在競爭中發(fā)揮作用。例如，美國通過開放低軌道載人和貨物運(yùn)輸限制，推動SpaceX搶占軌道資源進(jìn)行全球布局；發(fā)射下一代全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星GPS-III；以商業(yè)合作名義開展月球、行星資源商業(yè)開發(fā)等。

　　SpaceX發(fā)射GPS-III衛(wèi)星

　　當(dāng)前我國航天商業(yè)化發(fā)展，要發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，一方面要發(fā)揮國有企業(yè)主力軍的作用，在投入大、風(fēng)險(xiǎn)高、見效慢的深空探索和基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域，需要由國家主導(dǎo)完成；另一方面要注重發(fā)揮民營企業(yè)“生力軍”的價(jià)值，尤其是發(fā)揮民營企業(yè)自身靈活性優(yōu)勢。從國家戰(zhàn)略和市場需求出發(fā)，將市場良性競爭、優(yōu)勝劣汰與航天科技政策、技術(shù)、資金相結(jié)合，在實(shí)踐中不斷探索協(xié)同創(chuàng)新的路徑和模式。這其中，如何能夠讓體制外優(yōu)秀的技術(shù)、人才、管理、產(chǎn)品服務(wù)國家戰(zhàn)略是發(fā)展商業(yè)航天的關(guān)鍵所在。

　　產(chǎn)業(yè)聚集與都會區(qū)

　　帶來的協(xié)同效應(yīng)

　　技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展離不開集群效應(yīng)，航天科技作為高度復(fù)雜化和規(guī)模化的集合，更離不開全產(chǎn)業(yè)鏈的高度協(xié)同。當(dāng)前，低軌道衛(wèi)星星座組網(wǎng)成為商業(yè)航天發(fā)力重點(diǎn)，未來預(yù)計(jì)將有上萬顆衛(wèi)星進(jìn)入太空，這也意味著衛(wèi)星制造將從“實(shí)驗(yàn)室定制研發(fā)模式”向“工業(yè)化批量生產(chǎn)模式”轉(zhuǎn)變，同時衛(wèi)星功能將進(jìn)一步集合通信、導(dǎo)航、遙感能力，人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)處理能力將增強(qiáng)衛(wèi)星智能化水平。因此，融合創(chuàng)新與工業(yè)化生產(chǎn)將推動航天產(chǎn)業(yè)向規(guī)?；⒓夯l(fā)展。那些能夠?qū)⑾嚓P(guān)核心產(chǎn)業(yè)鏈資源進(jìn)行整合，形成高密度協(xié)同效應(yīng)的城市群或都會區(qū)將成為商業(yè)航天快速發(fā)展的肥沃土壤。

　　在產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同制造方面，強(qiáng)大的航天產(chǎn)業(yè)制造基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)商業(yè)航天發(fā)展的基礎(chǔ)。以美國洛杉磯都會區(qū)為例，該區(qū)域匯集了強(qiáng)大的航空航天產(chǎn)業(yè)鏈，業(yè)內(nèi)熟知的洛克希德·馬丁、波音、雷神等公司在洛杉磯都會區(qū)均設(shè)有辦公室，航空航天相關(guān)就業(yè)崗位達(dá)到26.8萬，人均工資為10.6萬美元。區(qū)域內(nèi)聚集的金屬部件制造企業(yè)、計(jì)算機(jī)與電子產(chǎn)品制造企業(yè)、運(yùn)載裝備制造企業(yè)、機(jī)械制造企業(yè)、服務(wù)支持機(jī)構(gòu)等使得洛杉磯都會區(qū)具備商業(yè)航天規(guī)模化生產(chǎn)制造的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。SpaceX雖然實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭、航天器、衛(wèi)星的制造和服務(wù)運(yùn)營，形成較為完備的垂直整合能力和自閉環(huán)，但是即便如此還是需要超過3000多家的供應(yīng)商每周提供上千件零部件。這也是為何SpaceX將總部選定在距離洛杉磯市中心30分鐘的Hawthorne市的關(guān)鍵原因之一。

　　在人才聚集與創(chuàng)新方面，經(jīng)過幾十年的發(fā)展美國洛杉磯都會區(qū)逐漸形成了美國航天科技的中心地帶。洛杉磯都會區(qū)擁有加州理工學(xué)院、南加州大學(xué)-維特比工程學(xué)院、加州大學(xué)洛杉磯分校-亨利·薩穆埃利工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、加州州立大學(xué)北嶺分校等知名高校。NASA負(fù)責(zé)無人太空探測任務(wù)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory）由加州理工學(xué)院管理。同時，還有許多機(jī)構(gòu)專門為航空航天量身定制課程，如格倫代爾社區(qū)學(xué)院、峽谷學(xué)院、埃爾卡米諾學(xué)院、洛杉磯貿(mào)易技術(shù)學(xué)院、洛杉磯谷學(xué)院和塞里托斯學(xué)院等。不僅僅是航天科技人才的聚集，洛杉磯都會區(qū)還有大量電子信息、生物醫(yī)藥、媒體、娛樂等各個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域人才的匯聚，不同科技領(lǐng)域人才的匯聚意味著可以激發(fā)更多技術(shù)創(chuàng)新的可能，不斷產(chǎn)生更多乘數(shù)效應(yīng)。尤其是人工智能、生物技術(shù)、增材制造等新技術(shù)的融合創(chuàng)新，為航天科技產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展提供了有利支撐。

　　洛杉磯都會區(qū)NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室

　　聚焦國內(nèi)，北京、上海、西安等城市已經(jīng)逐步形成了航天科技產(chǎn)業(yè)的初步聚集，這為后續(xù)航天商業(yè)化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同基礎(chǔ)。同時2020年以來，隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)被納入新基建戰(zhàn)略規(guī)劃，我國多個省份和城市相繼出臺了航天商業(yè)化政策措施：例如武漢市將打造中國航天“第三極”；浙江省將打造創(chuàng)新型航空航天產(chǎn)業(yè)群，北京市將進(jìn)一步優(yōu)化和穩(wěn)定“南箭北星”空間布局；依托廣州、深圳、珠海、惠州等城市，廣東省將打造衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)和產(chǎn)業(yè)園區(qū)?？梢钥闯龈鞯貙教炜萍籍a(chǎn)業(yè)聚集、形成產(chǎn)業(yè)集群化發(fā)展都較為關(guān)注，有能力和機(jī)會走出高度協(xié)同與產(chǎn)業(yè)聚集的發(fā)展路徑，為今后我國在全球航天商業(yè)化中競得一席之地。

　　打破常規(guī)倒逼技術(shù)路線革新

　　傳統(tǒng)航天科技的思路主要集中在運(yùn)載火箭運(yùn)力和發(fā)動機(jī)性能的提高上，一次性使用的運(yùn)載火箭成為業(yè)內(nèi)默認(rèn)共識。但要推動航天科技發(fā)展與普及，關(guān)鍵在于將運(yùn)載火箭打造成能夠可重復(fù)使用的運(yùn)載工具，在成本和效率的大前提下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)?；?、可重復(fù)利用、通用性，推動航天科技從更加“親民“的路徑進(jìn)行升級創(chuàng)新。

　　在運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)方面：可重復(fù)使用運(yùn)載火箭對發(fā)動機(jī)有著較高要求：一是需要具有實(shí)力強(qiáng)大的矢量發(fā)動機(jī)（Thrust vector control engine），為了適應(yīng)火箭返回過程中復(fù)雜姿態(tài)調(diào)整控制的要求，發(fā)動機(jī)需要具被向不同方向偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力，同時矢量發(fā)動機(jī)的響應(yīng)必須快速和準(zhǔn)確；二是具有深度調(diào)節(jié)能力，為了適應(yīng)運(yùn)載火箭返回過程中不同階段的減速要求，發(fā)動機(jī)需要精準(zhǔn)的深度節(jié)流能力，且推力調(diào)節(jié)要非常精準(zhǔn)；三是發(fā)動機(jī)具備多次啟動能力，針對火箭返回過程中需要減速的要求，發(fā)動機(jī)需要多次啟動，尤其是中央發(fā)動機(jī)在每次發(fā)射和回收的過程中需要多次可靠點(diǎn)火，關(guān)鍵技術(shù)之一就是在超聲速環(huán)境下點(diǎn)火反推的能力。從Merlin（代號“梅林”）到Raptor（代號“猛禽”），較強(qiáng)的發(fā)動機(jī)研發(fā)能力成為SpaceX可重復(fù)使用火箭的關(guān)鍵。在經(jīng)濟(jì)效益上，火箭的重復(fù)使用大大降低了發(fā)射費(fèi)用。截至目前，獵鷹-9號火箭多次復(fù)用后，向低軌道（Low Earth Orbit Satellite，LEO）發(fā)射有效載荷的費(fèi)用已經(jīng)降低到1200/(美元·kg)左右。依靠技術(shù)創(chuàng)新，SpaceX在全球衛(wèi)星發(fā)射市場份額從2013年的7%增加到目前的65%。

　　圖片來源：《航天發(fā)射運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)入新周期，我國應(yīng)直面短板、摒棄彎道超車》，文 |朱雄峰、程洪瑋、劉陽、劉鷹、譚云濤、周城宏，論文全文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2021年第11期

　　在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座方面：衛(wèi)星寬帶服務(wù)作為低軌道衛(wèi)星發(fā)揮價(jià)值的重要抓手，目前已經(jīng)基本具備商業(yè)化的能力。星鏈作為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的典型代表，目標(biāo)是將4.2萬顆衛(wèi)星送入軌道，組成星鏈網(wǎng)絡(luò)，從而為用戶提供太空高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。星鏈在布局方面有以下三個特點(diǎn)：一是衛(wèi)星數(shù)量多傳輸容量提升。一期部署4408顆衛(wèi)星，二期部署7518顆衛(wèi)星，三期部署30000顆衛(wèi)星，衛(wèi)星數(shù)量增加代表著系統(tǒng)傳輸容量不斷提升。二是使用頻率較高提前戰(zhàn)略卡位。一期使用Ka、Ku頻段，二期使用V波段，三期計(jì)劃使用E波段。頻段資源較為稀缺，星鏈此舉可對頻段資源進(jìn)行有效卡位。三是衛(wèi)星軌道較低降低傳輸時延。一期發(fā)射的衛(wèi)星軌道從1100-1325千米降低至540-570千米，二期衛(wèi)星運(yùn)行軌道僅為340千米。衛(wèi)星運(yùn)行軌道降低可以獲得更低的網(wǎng)絡(luò)傳輸時延。

　　根據(jù)測速網(wǎng)站Okal報(bào)告顯示，2021年二季度星鏈衛(wèi)星下行下載速度可以達(dá)到108Mbps，時延在37ms，而美國當(dāng)前固定寬帶的平均下載速率為115Mbps，兩者已經(jīng)相差不大。截至2021年9月底，星鏈已經(jīng)為16個國家超過10萬用戶提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，有望成為SpaceX的Golden Ticket。

　　需要指出的是，美國商業(yè)航天企業(yè)在一開始就站在巨人的肩膀上，NASA在半個多世紀(jì)的發(fā)展過程中，積累了大量的先進(jìn)技術(shù)，包括火箭液體發(fā)動機(jī)、防熱材料、仿真軟件等，持續(xù)不斷地將相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)化給民營企業(yè)。先進(jìn)的航天科技技術(shù)與較完備的商業(yè)化市場程度，兩者的結(jié)合推動了民營企業(yè)要想實(shí)現(xiàn)盈利，就必須對技術(shù)創(chuàng)新保持一種本能的追求。除了SpaceX在商業(yè)航天領(lǐng)域的突破以外，3D打印技術(shù)、太空加油技術(shù)等也成為民營企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵領(lǐng)域：和傳統(tǒng)火箭制造技術(shù)相比，3D打印火箭在零件數(shù)量上減少上百倍，生產(chǎn)時間節(jié)省超過10倍，同時可以明顯減少交貨時間、簡化供應(yīng)鏈并提高整個系統(tǒng)可靠性，相關(guān)領(lǐng)域Relativity Space等初創(chuàng)公司已經(jīng)開展布局。同時，太空加油技術(shù)也已進(jìn)入實(shí)質(zhì)應(yīng)用階段，美國Orbit Fab在近地軌道運(yùn)營了首個“太空加油站”，為需要加油的衛(wèi)星攜帶燃料。

　　我國航天科技集團(tuán)研發(fā)的“太空油罐車”同樣具備燃料補(bǔ)加能力，可為在軌衛(wèi)星長期運(yùn)營提供能源保障：對于一顆急需救助的衛(wèi)星，只要補(bǔ)充50千克燃料，就可以延長大約1年的使用壽命。補(bǔ)加飛行器一次可攜帶1.3噸燃料，超過其自身重量的一半。相比于重新發(fā)射一顆靜止地球衛(wèi)星相比，成本降低35%。2017年天舟一號貨運(yùn)飛船與天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室成功對接，首次完成了推進(jìn)劑的在軌補(bǔ)加時延，意味著我國已經(jīng)成為突破在軌空間燃料補(bǔ)加技術(shù)，繼美俄之后第三個國家。

　　利益驅(qū)動催生

　　航天商業(yè)化發(fā)展新模式

　　對于太空的探索不僅僅是實(shí)現(xiàn)星辰大海夢想的手段，還在于商業(yè)航天領(lǐng)域目前仍處于一片藍(lán)海，是由有冒險(xiǎn)精神的開拓者大顯身手從而實(shí)現(xiàn)更多商業(yè)價(jià)值。也正是看到了太空夢想與商業(yè)利益結(jié)合的巨大可能，以及技術(shù)創(chuàng)新本身帶來的豐厚利潤回報(bào)，從而激發(fā)了更多人關(guān)注并參與到商業(yè)航天的創(chuàng)新當(dāng)中。

　　商業(yè)模式的可靠與可執(zhí)性，決定了航天商業(yè)化進(jìn)程能否順利發(fā)展。以“銥星”為例，1987年摩托羅拉開啟“銥星”衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)想與建設(shè)，經(jīng)過11年耗資50億美元之后，在1998年宣告組網(wǎng)完畢并啟動商業(yè)化運(yùn)營。但由于昂貴的終端成本、笨重的接受裝備以及無法在室內(nèi)使用等硬傷，在正式運(yùn)營15個月之后，“銥星”就宣告破產(chǎn)。因此，商業(yè)航天若想健康發(fā)展，良好的商業(yè)和盈利模式必不可少。

　　為此，當(dāng)前諸多商業(yè)航天公司通過技術(shù)創(chuàng)新來降低成本，從而增加企業(yè)盈利的厚度。在火箭箭體及推進(jìn)器材料方面，SpaceX放棄使用碳纖維材料，轉(zhuǎn)而使用不銹鋼為原材料。這里面有兩個主要考慮因素：一方面碳纖維在考慮報(bào)廢率后，成本在200美金/公斤，而不銹鋼的成本不超過5美金/公斤，可以極大降低使用成本；另一方面創(chuàng)新技術(shù)保證材料的可靠性和安全性，經(jīng)過研發(fā)和驗(yàn)證，金屬鉻和金屬鎳含量高的不銹鋼原材料，強(qiáng)度更高、韌性更強(qiáng)，符合火箭制造和使用的要求。即使是傳統(tǒng)航天科技，在過去幾十年中也非常注重技術(shù)轉(zhuǎn)化和商業(yè)價(jià)值衍生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，基于美國載人航天技術(shù)衍生出來的技術(shù)，催生出超過3萬多種民營科技產(chǎn)品誕生，航天技術(shù)衍生出的民用產(chǎn)品，包括圓珠筆、不粘鍋、人工心臟、透析機(jī)等已經(jīng)在我們?nèi)粘Ｉ钪械玫綇V泛應(yīng)用。

　　在國內(nèi)以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為例，目前在軌服務(wù)衛(wèi)星總計(jì)45顆，其中北斗二號衛(wèi)星15顆，北斗三號衛(wèi)星30顆。目前北斗系統(tǒng)已經(jīng)在交通、金融、電力、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域開展服務(wù)。具有被動定位功能的終端產(chǎn)品社會總保有量超過10億臺/套，包括700萬輛道路運(yùn)營車輛、4.5萬臺套農(nóng)機(jī)自動駕駛系統(tǒng)、3.6萬輛郵政快遞車輛等。2020年我國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達(dá)到4033億元，同比增長16.9%。另外華為、蘋果等國內(nèi)外主流智能終端均支持北斗。2021年一季度申請入網(wǎng)支持北斗定位的智能手機(jī)占比達(dá)到79%。

　　同時，也需要看到在尋找可行商業(yè)模式的過程中，國家和行業(yè)對失敗的寬容度，決定了商業(yè)航天企業(yè)發(fā)展的腳步。傳統(tǒng)航天大國對失敗的容忍度較低，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)射成本較高，動輒幾十億上百億資金的投入；另一方面航天發(fā)射經(jīng)常與一國綜合實(shí)力與民族凝聚力掛鉤，導(dǎo)致一旦發(fā)射失敗，將承受較大的社會輿論壓力甚至政治壓力。因此，追求成功率，甚至是100%成功率成為傳統(tǒng)航天發(fā)射不成文的規(guī)定。雖然SpaceX有很多次成功發(fā)射，但也有很多次發(fā)射失敗，包括可重復(fù)火箭也是經(jīng)歷了多次失敗，甚至是現(xiàn)場直播的失敗。正式這種容忍失敗的良好氛圍，激發(fā)了更大的創(chuàng)新激情。