趙凱 /中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院

王文正 /首都航天機(jī)械有限公司

尚輝、白志富、孟翔 /中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院

2021 年1 月16 日，《求是》雜志刊登習(xí)近平主席重要文章《不斷做強(qiáng)做優(yōu)做大我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)》，明確要求加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是下一代通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的必經(jīng)之路。2022 年1 月12 日，國務(wù)院印發(fā)《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，明確提出積極穩(wěn)妥推進(jìn)空間信息基礎(chǔ)設(shè)施演進(jìn)升級，加快布局衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，推動衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。2022 年被認(rèn)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(jì)劃。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是下一代通信技術(shù)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(jì)劃。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需要執(zhí)行大批次的發(fā)射任務(wù)，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(dān)“星鏈”計(jì)劃一期發(fā)射任務(wù)的火箭為“獵鷹”9 號，報價為6200 萬美元，隨著可重復(fù)使用技術(shù)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(yùn)載火箭“星艦”作為主力火箭，執(zhí)行“星鏈”計(jì)劃二期發(fā)射任務(wù)，“星艦”具備全箭可完全重復(fù)使用能力，可以預(yù)見未來“星鏈”計(jì)劃的發(fā)射成本將進(jìn)一步降低。

一、“星鏈”計(jì)劃概況

1.“星鏈”計(jì)劃

“星鏈”計(jì)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(luò)，項(xiàng)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?jì)劃分為2 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(wù)；第2 階段發(fā)射2825 顆衛(wèi)星，目標(biāo)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(wù)。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(jì)劃發(fā)射任務(wù)，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(luò)覆蓋25 個國家和地區(qū)。自2020 年11 月“星鏈”開始服務(wù)以來，全球活躍用戶超過25 萬，預(yù)期收益達(dá)到300 億美元。

2.“星鏈”計(jì)劃發(fā)射情況

SpaceX 承擔(dān)“星鏈”計(jì)劃一期發(fā)射任務(wù)主力火箭“獵鷹”9 號的設(shè)計(jì)和制造，是世界上第一款軌道級可重復(fù)使用火箭，芯一級和整流罩可重復(fù)使用，近地軌道運(yùn)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(wù)，其中184次成功，芯一級已經(jīng)有最多14 次復(fù)用記錄，整流罩最多6 次復(fù)用記錄。未來，SpaceX 計(jì)劃將研制中的“星艦”作為“星鏈”計(jì)劃二期的主力火箭，具備全箭完全重復(fù)使用能力，其近地軌道運(yùn)載能力可以達(dá)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(nèi)取得了巨大的技術(shù)、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(fù)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(biāo)。

1.研制低成本、可重復(fù)使用、高性能發(fā)動機(jī)作為突破口

受到資金的限制，SpaceX 在設(shè)計(jì)研制階段以低成本、可重復(fù)使用、高性能發(fā)動機(jī)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(jī)變廢為寶，經(jīng)過9 次迭代升級，最終形成了世界領(lǐng)先的液氧煤油發(fā)動機(jī)——梅林1D，而后又研發(fā)出最先進(jìn)高效的全流量分級燃燒液氧甲烷發(fā)動機(jī)——猛禽。

2.發(fā)展高可靠、低成本的可重復(fù)使用航天器是著力點(diǎn)

發(fā)展可重復(fù)使用技術(shù)的關(guān)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(fù)使用需求，通過快速技術(shù)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(yùn)載能力還是可靠性在同類型火箭中都位于領(lǐng)先地位，SpaceX 正在研制的下一代重型運(yùn)載火箭“星艦”具備完全可回收復(fù)用能力，如果研制成功，發(fā)射成本將進(jìn)一步降低。國際主要衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃運(yùn)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(jì)劃運(yùn)載火箭對比

3.結(jié)構(gòu)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(wù)，需要保持高產(chǎn)能。在結(jié)構(gòu)化、模塊化思維下，SpaceX 減少執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的火箭型號，多種任務(wù)對接一型火箭，一型火箭可以執(zhí)行多種任務(wù)，通過火箭的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，統(tǒng)一火箭構(gòu)型，減少專用設(shè)計(jì)，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(jìn)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(jī)，可以共線生產(chǎn)，SpaceX 具備年產(chǎn)400 臺梅林發(fā)動機(jī)能力，可實(shí)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(xiàng)任務(wù)的發(fā)射要求。

4.整合資源、內(nèi)循環(huán)是保持領(lǐng)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(jì)劃的大規(guī)模建設(shè)；“星鏈”計(jì)劃的收入重新投入到可重復(fù)使用等技術(shù)的研制中，通過技術(shù)迭代，研制成功更低成本的火箭，技術(shù)、資本和資源形成了內(nèi)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(shù)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(gòu)成主要為芯一級、芯二級、整流罩和推進(jìn)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(jìn)劑及其它成本為500 萬美元，總計(jì)大約5050 萬美元。

2.重復(fù)使用過程解析

經(jīng)過綜合研判，SpaceX 在技術(shù)路線上選擇回收復(fù)用火箭芯一級和整流罩。回收復(fù)用芯一級代表其需攜帶多余重量，包括回收所需燃料、著陸結(jié)構(gòu)等，為了保證運(yùn)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(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析，芯二級不做回收復(fù)用設(shè)計(jì)，全力發(fā)揮其運(yùn)載能力，每個芯一級計(jì)劃平均重復(fù)使用大約10 次。盡管每個芯一級可以使用更多次重復(fù)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(jì)性高的重復(fù)使用方案保障了“獵鷹”系列火箭的低成本。

經(jīng)過充分的設(shè)計(jì)及反復(fù)驗(yàn)證，“獵鷹”系列火箭的重復(fù)使用維護(hù)過程簡單，只需更換部分配件和對部分發(fā)動機(jī)進(jìn)行除油處理。重復(fù)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(diǎn)火試驗(yàn)。

四、“星鏈”發(fā)射成本分析

1.重復(fù)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(fù)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(jìn)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(hù)成本僅25 萬美元。拼單發(fā)射將會進(jìn)一步提高發(fā)射收入，減少實(shí)際發(fā)射成本。

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

一是芯一級復(fù)用10 次、整流罩復(fù)用2 次。假設(shè)一個芯一級重復(fù)使用10 次，整流罩可以重復(fù)使用2 次。如果1500 萬美元的重復(fù)試驗(yàn)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(fù)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(fù)使用2 次后，可以實(shí)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(jìn)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(fù)使用發(fā)射成本價格分析表（單位：萬美元）

二是芯一級復(fù)用100 次，整流罩復(fù)用10 次。假設(shè)一個芯一級重復(fù)使用100 次，整流罩可以重復(fù)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(jìn)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(dá)到225 萬美元，見表3。

表3 100次重復(fù)使用發(fā)射成本價格分析表（單位：萬美元）

2.“星鏈”計(jì)劃發(fā)射成本測算

“星鏈”計(jì)劃組網(wǎng)包括42000 顆衛(wèi)星，一期12000 顆，二期30000 顆。假設(shè)“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(wù)、情況2“獵鷹”9 號執(zhí)行計(jì)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(wù)

按照3 種方案進(jìn)行測算：一是完全采用一手“獵鷹”9 號執(zhí)行“星鏈”計(jì)劃發(fā)射任務(wù)；二是采用芯一級復(fù)用10 次和整流罩復(fù)用2 次；三是采用芯一級復(fù)用100 次和整流罩復(fù)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(shè)“星鏈”計(jì)劃所有的發(fā)射任務(wù)完全采用一手“獵鷹”9 號，共需700 次發(fā)射，完成“星鏈”計(jì)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(fù)用10 次、整流罩復(fù)用2 次。根據(jù)SpaceX 實(shí)際發(fā)射數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，芯一級復(fù)用10 次、整流罩復(fù)用2 次，是最接近真實(shí)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(jì)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(jì)劃發(fā)射成本分析表

芯一級復(fù)用100 次，整流罩復(fù)用10 次。假設(shè)芯一級復(fù)用可以達(dá)到100 次、整流罩可復(fù)用10 次。100 次重復(fù)使用成本為16.1 億美元，完成“星鏈”計(jì)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(jì)劃一期、星艦執(zhí)行二期

按照芯一級復(fù)用10 次、整流罩復(fù)用2 次，并且由“獵鷹”9 號承擔(dān)“星鏈”計(jì)劃一期發(fā)射任務(wù)計(jì)算，那么“星鏈”計(jì)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(fù)用50 次計(jì)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(jìn)入近地軌道，按照星艦執(zhí)行“星鏈”計(jì)劃二期的規(guī)劃計(jì)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(jì)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(shè)是我國“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)工作，需從低成本發(fā)射構(gòu)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(shè)的最優(yōu)方案。

一是火箭總體設(shè)計(jì)核心理念是低成本。根據(jù)SpaceX“獵鷹”9 號的成功經(jīng)驗(yàn)，在火箭設(shè)計(jì)之初，就需要將低成本理念作為核心貫穿到總體設(shè)計(jì)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(shù)研發(fā)重點(diǎn)突出可重復(fù)使用。通過對SpaceX“星鏈”計(jì)劃衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)射成本的分析發(fā)現(xiàn)，可重復(fù)使用技術(shù)是決定成本的關(guān)鍵。國外執(zhí)行衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)射任務(wù)現(xiàn)役和在研火箭均具備可重復(fù)使用能力。我國低成本火箭新技術(shù)研發(fā)應(yīng)著重突出可重復(fù)使用技術(shù)的研究，目前包括長征系列火箭在內(nèi)的可重復(fù)使用技術(shù)尚在技術(shù)驗(yàn)證階段，應(yīng)加大研制力度，盡快形成應(yīng)用能力。

三是優(yōu)化資源配置主要手段是結(jié)構(gòu)化模塊化產(chǎn)業(yè)化。2021 年SpaceX“獵鷹”9 號單一型號火箭實(shí)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(yùn)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(yùn)載火箭統(tǒng)籌考慮結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，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(nèi)循環(huán)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)具備資本密集型的典型特征，低成本星箭一體化設(shè)計(jì)、大型運(yùn)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(wù)充分發(fā)揮系統(tǒng)工程理論，整合產(chǎn)業(yè)資源，形成技術(shù)、資本、資源內(nèi)循環(huán)，迭代發(fā)展低成本可重復(fù)使用技術(shù)，在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)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(luò)建設(shè)的國際領(lǐng)先地位，不斷滿足人民生產(chǎn)生活需要。