中国商业航天新时代:天问一号火星探测与卫星互联网新基建的崛起
商业航天时代已经到来。这场比赛看起来很酷,但实际上是一场残酷的比赛,发令枪已经响起。
4月24日,中国航天日。
通过线上发射仪式,国家航天局正式宣布我国行星探测任务代号“天问系列”,并将首次火星探测任务命名为“天问一号”。
50年来,几代航天人倾注心血,将长征、神舟、嫦娥、玉兔、天宫等送入太空。中国还把目光投向了距离月球更远的火星。与此同时,中国民营商业航天力量在2014年不断崛起。4月20日,国家发改委首次将卫星互联网纳入“新基建”范畴。
2020年或将成为中国商业卫星元年。
1969年7月,全世界5亿人通过电视见证了一个历史性的时刻——美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗走出舱,爬上梯子登上月球表面,说出了那句举世闻名的话语:“这就是我,一个小人。”一个人的一步,就是人类的一大步。”
坐在美国宇航局马歇尔太空飞行中心的指挥官座位上,冯·布劳恩掂量着这句话的分量。在硝烟之中,他领导研制的土星五号运载火箭成功将载人阿波罗飞船送入月球轨道。
他是横跨二战和美苏冷战的杰出航天人才,是太空竞赛1.0时代的杰出作曲家。他在纳粹时期研制了“V-2”导弹,被公认为现代火箭和导弹之父。
人类首次登陆月球已有50年|视觉中国
冷战时期,布劳恩领导的美国太空队成功超越了苏联。在他去世后的几十年里,世界格局发生了巨大变化,太空军备竞赛随着苏联的解体而结束。虽然月球上还没有新的人类足迹,但卫冕冠军山姆大叔已经开始思考如何征服火星。
目前,航天竞技场正迎来新世纪的对决,一场由商业发动机驱动的太空竞赛已经拉开帷幕。
接过火炬的埃隆·马斯克注定会被载入史册。他创办的美国太空探索技术公司,将航天史上的几个“不可能”变成了“可能”。
在距离地球表面约500公里的太空中,其天基互联网项目“星链”正在有序推进。此前,铱星和铱星这三个公司投资数百亿美元建设卫星互联网,无一例外都失败了。
新故事的开头很像马斯克的武侠世界,但越来越多的商业航天新势力获得了入场券:美国、亚马逊、加拿大都在紧锣密鼓地部署自己的星链计划。
争夺王位的英雄中包括位于大洋彼岸的世界第二大经济体中国。 20世纪70年代以来,中国航天先后将东方红、长征、神舟、玉兔、天宫等运载火箭送入太空。从载人航天到深空探索,中国航天的主旋律也在发生结构性变化。除了国家队之外,2015年跑道上出现了民营航天企业,通过参与中国版星链的建设,进入太空竞赛2.0时代。
2015年航天新战役打响
马斯克的初衷并不是为了赚钱。
2001年,还在创业的马斯克与朋友谈论了“为什么美国还没有登陆火星?”的话题。按照他的理解,既然人类在1969年就能够登陆月球,那么应该在21世纪访问火星。
他查看了NASA的官方网站,发现没有登陆火星的计划。他不甘心,三度前往俄罗斯采购洲际火箭。就在支付交易之前,他意识到,美国的航天能力虽然位居世界第一,但其航天技术却停滞在冷战时期的水平。
解决太空运输问题刻不容缓。于是马斯克大胆将其出售,并用资金于2002年将其注册。它的首要任务是制造先进的运载火箭,“猎鹰”就是该系列的名称。
最初六年,猎鹰一号发射连续三次失败。由于资金消耗巨大,多次濒临破产。直到2008年9月,猎鹰一号从马绍尔群岛夸贾林环礁发射升空,成功进入地球轨道:历史上第一架由私营公司研制的液体燃料运载火箭诞生了!
就在火箭成功发射前六个月,马斯克孤注一掷,向自己的账户注入了1亿美元。猎鹰一号几乎花费了公司所有的资金,但幸运的是,它成功了。
曾参与嫦娥探月工程等国家重大航天工程的谢涛,在2014年4月在北京中山公园举行的峰会上首次见到马斯克。
当时他还在航天研究所工作,得知马斯克要来中国担任特斯拉CEO。为了亲眼见到这位“太空狂人”,他咬牙切齿,付出了高昂的代价坐到了观众席上。期待它。
他清楚地记得马斯克演讲之前播放了一段开场视频。只见画面中的“猎鹰”如箭穿云般刺破长空,然后准确找到海上回收平台,垂直平稳降落。
马斯克并没有用CG动画来愚弄所有人。次年年底,举世瞩目的“名场面”来了。只见猎鹰9号将11颗通讯卫星送入轨道,然后依靠垂直起降技术,让一级火箭平稳着陆。屏幕前的人们亲眼目睹了从发射到回收的整个过程,这确实是世界第一。
星链卫星的创新设计和“一箭60星”的独特排列堆叠方式 |官方网站
总有一颗重磅炸弹落下。 2015年,马斯克启动了名为“星链”()的天基互联网项目,计划从2019年开始向近地轨道发射12000颗通信卫星。此次发射任务由可重复使用的猎鹰9号执行。
同年,随着吉林一号卫星的发射,中国正式开启商业航天大门。谢涛也从体制内走出来,成立了自己的商业卫星公司九天微星。
事实上,行业最早的融资可以追溯到2014年,当时民营火箭公司凌科航天获得815万元融资。此后,长光卫星、蓝箭航天、天一研究院、零一航天等民营航天企业纷纷获得启动资金。之所以成立民营商业航天、民间资本参与科工项目,得益于国家军民融合的开放政策,为怀揣航天梦想的企业家提供了温床。
2016年,国务院印发《国家战略性新兴产业发展“十三五”规划》和《2016年中国航天》白皮书,先后提出“鼓励和引导民间资本参与航天科研和大力发展商业航天和卫星商业化应用,完善政府购买航天产品和服务等机制,从政策层面加快推进商业航天领域。
3D信息高速公路
目前,中国商业航天已完成第一个五年征程,一批企业家已走进训练场,与马斯克同台竞技,围绕商业航天大展身手。其中不乏像马斯克这样的非科学人才。
从事互联网16年的徐明抓住了商业航天的潜在机遇。 2018年,他辞去猎豹移动总裁职务,投身航天赛道,创立商业卫星公司银河航天。
航空航天是一个长周期、高投入的行业,历来处于封闭管制状态。对于跨界之难,徐明并非没有深思。不过,他坚信互联网圈流行的一句话“监管往往意味着巨大的机会”。他保守估计,中国航天产业产值约为3000亿元人民币。从某种程度上来说,“航天可能是中国最后一个开放的大规模工业体系”。
通过哈勃望远镜观察浩瀚星海,曾经是他缓解创业郁闷的重要消遣。这台悬浮在太空中的望远镜为他发现银河空间铺平了道路,并逐渐成为“太空互联网”概念启蒙的早期阶段。
“哈勃望远镜通过太阳能发电,利用可见光、红外等传感器输入信息,然后提供计算功能,最后将照片输出到地面。”按照徐明的理解,哈勃望远镜相当于太空中的一台大型计算机。
如果我们用同样的逻辑审视今天的卫星产业,不难发现“它不再是传统的航天卫星产业,而是另一种形式的太空计算机产业”。而这种新的形态构成了所谓的“太空互联网”,也是银河航天选择进入的方向。
解读“太空互联网”的概念并不难。简而言之,它是从过去地面信息高速公路的二维网络向三维模型的升级。这个第三维度就是卫星。
显然,马斯克对于“太空互联网”的商业价值有着自己的如意算盘。否则,也不会在2005年收购萨里卫星技术公司10%的股份,对卫星产业进行前瞻性布局。
现在,业界终于明白了星链的战略地位:不仅可以解决前期偏远地区的网络覆盖问题,为全球2亿至4亿人提供互联网服务,还可以配备其上装有传感器,可用于遥感、量子密钥和精确导航等服务。
事实上,星链已经升级为由卫星星座构建的“新太空基础设施”。无论新玩家以何种方式、何种理念进入市场,都无法避免竞争。目前,马斯克的天基互联网项目“星链”正在以“一箭60星”的效率发射六轮,并已进入快速部署阶段。
如果不出意外,它将率先向美国提供卫星宽带接入服务。未来每年可由此赚取300亿美元,相当于向国际空间站发送卫星和有效载荷收入的10倍。
虽然绕星链追击过程中获得加速度至关重要,但航天之路没有捷径,只能脚踏实地。中国商业航天的参与者正在为实现“从零到一”的里程碑而努力。
“新国家制度”VS
2020年,中国版星链项目或将亮相。除了航天科工、航天科技两大集团宣布的“鸿云”、“鸿雁”项目备受关注外,有实力的民营卫星企业也跃跃欲试,提交成果。
但谢涛直言:“目前能做整体卫星的民营企业不超过10家,能做互联网通信卫星的企业更是少之又少。”
今年年初,银河航天发射了我国首颗低轨宽带卫星,通信能力达200公斤。具备物联网卫星平台能力基础的九天微星已进入互联网卫星研发阶段。其他玩家或受技术限制,或考虑资本、市场等因素,仍在犹豫和等待。
银河空间首颗卫星采用Q/V、Ka等通信频段,具备高速透明转发通信能力。今年1月16日上线 |银河太空
从窄带卫星到宽带卫星,谢涛认为卫星互联网是必然趋势。基于民营企业的财力和技术状况,拥抱趋势的最佳方式就是用“航天IT思维”。而且窄带卫星和宽带卫星对应的专业技术体系是相同的。因此,九天微星今年有两件事要重点做:一是研制一颗对标星链的互联网卫星,然后在适当的时候发射;二是开发一颗对标星链的互联网卫星,然后在适当的时候发射。二是做好卫星量产和有效载荷研发工作。
有业内人士推断,近三年来,卫星制造和发射方面的投入是最大的。卫星互联网实现全球稳定覆盖,从800多颗卫星起步。 “马斯克声称每天可以量产6台。如果我们能做到每三天生产1台,每年生产100台,那就太好了。”
业内人士引用了卫星产值的比例。假设星座制造和发射是1000亿,那么运营市场就是2000亿。加上各种连接端子,还有7000亿的市场规模。业界不仅觊觎这个万亿市场,也认识到铁路资源的稀缺性和先到先得、拥有话语权的重要性。中国的商业航天事业从未如此紧迫。
但国情决定了“中国卫星企业不能既从事卫星制造、发射又从事卫星运营”。业内人士猜测,中国版卫星互联网的产业链将分为三大部分:卫星研制公司是供应商,下游公司是终端应用,整体系统设计和投资运营主体由国家队掌控。 “行业未来的发展趋势一定会走向百家集团协同运作。”
因此,与其自称是“中国版”卫星企业,不如将自己定位为“航天工业的华为”更为现实。但无论怎样,航天赛道上的玩家仍然会被问到:“我们怎样才能超越马斯克?”很多人都知道“100位商业航天创始人中可能连马斯克都没有”。否则,外界不会对火箭感兴趣。对于回收技术和星链,“我从看不起它,到无法理解它,再到现在拼命追求它”,一位商业卫星公司的创始人说。
毕竟这是一家有18年历史的公司。他的成长轨迹是特定时期孵化的结果。中国要想与之竞争,不能简单地比较、借鉴。谢涛强调:“并不是说我们先造火箭,然后造卫星,最后登陆火星。中国企业这样做就会赢。”
国情不同,环境不同,发展也不同。为了赢得这场竞争,我们需要深入挖掘问题的本质。卫星三大产业链中,每一点都可以成为一门生意。多点最终汇聚形成的“新国家体系”或许是中国商业航天产业利用横向思维超越纵向发展的捷径。展望未来,如果时机成熟,我们不排除通过资本撮合或其他方式出现一两家民营商业航天巨头。
追求速度还是稳定性?
“中国版星链的大规模部署和应用恐怕还需要等待3到5年。”谢涛坦言。但按照最坏的情况,假设五年内中国版星链的发射为零,即使提高发射频率和效率,发射1万颗卫星仍然是极限。剩下的4万个轨道位置是留给中国参与者的机会。
对于中国版星链未来的营收和回报率,徐明根据中国通信业2万亿元的市场规模进行了测算。如今,欧美卫星通信占整个通信产业的2%到3%,而中国只有100%。零点几分。如果与欧美的发展水平相匹配,每年将带来40至500亿的收入。
制造成本是商业卫星公司非常关心的因素之一。过去,航空航天“物体”是专业化的。以卫星为例。存在空间射线、卫星轨道温差等一系列特殊空间环境,必须使用专用芯片。经过大约七、八年的发展,航天芯片已经能够与地面芯片、汽车工业体系进行融合。银河航天首颗卫星在研发和生产过程中,部分部件采用工业级或汽车级产品,在保证功能不变的情况下,有效降低了成本。该公司负责人表示,将继续与国内零部件厂商共同探索我国商业航天卫星零部件研发和生产的新模式。
尽管中国商业航天玩家正在积极追求这一目标,但制约中国版星链起飞的另一个重要因素是运载火箭供应能力严重不足。
民营火箭公司将大推力运载火箭研发提上日程 |视觉中国
由于固体火箭具有研制周期短、可靠性较好的优点,航天初创团队通常会先发射固体火箭,向市场证明自己的技术实力。但固体火箭的直径不超过3米,近地轨道(LEO)有效载荷不超过1吨,这意味着它无法承担中型运载火箭的任务。后者在一箭多星以及星座卫星布局方面具有绝对优势。
一个残酷的事实是,目前市场上还没有专为低轨宽带卫星星座设计的低成本中型商用运载火箭。几乎所有的卫星发射都依赖国家队的火箭:长征号和快舟号。虽然火箭威力强大、稳定,但长征大部分时间都是在执行国家任务。商业火箭快艇最高可达“一箭六星”。如果供应不足,需要预约、排队。而且,国产运载火箭的发射报价在每公斤2万美元到3万美元之间,比猎鹰9号高出四到五倍。
遗憾的是,商业卫星公司只能利用国家队成熟的火箭来设计星箭一体化。谈及“一箭多星”问题,谢涛指出,单次发射次数与卫星发射包线、火箭运载能力、卫星星座配置等有关,不能机械地进行简单比较。 “如果要达到一箭60星的目标,长征五号就可以实现,只是成本问题。”
谢涛希望民营火箭企业尽快在运载能力和可回收技术方面取得突破,尽快研制出低成本、高可靠性的中型运载火箭。 “只有这样,和他们谈论星箭融合的事情才有意义。”
总体而言,现阶段卫星技术较容易取得突破,而民营火箭企业面临的挑战较大。因为火箭失败的代价太高,整个系统工程的成败只能靠点火来决定,没有第二次机会。与卫星公司相比,火箭公司更注重稳定性。这是业界普遍认可的共识。
蓝箭航天CEO张长武认为,“慢就是快”。这家公司因为“求速度”而走了弯路。为了缩短首枚火箭的研制时间,蓝箭计划通过外包和集成的方式完成产品。 “这样,所有部件就不必手工制作,发动机可以依靠体制内科研院所的技术转让。”然而,发动机交易合同最终落空。这迫使蓝箭必须自主创新。
蓝箭航天研制的朱雀一号(右)、朱雀二号(左)运载火箭发射奇幻影像 |蓝箭官方网站
哪里有弱点就攻击哪里。张长武将团队技术人员配备到了80%,其中一半专门负责火箭发动机。 “民营火箭企业肩负着发展中国商业运载火箭的重任。”面对巨大的市场增长空间,蓝箭团队的技术路线是专攻可重复使用的液氧甲烷发动机,希望通过研发液氧甲烷液体火箭,填补中型运载火箭商业发射的空白。去年5月,蓝箭航天80吨级液氧甲烷发动机“天雀”全部获得四项系统测试冠军。如果一切顺利,“朱雀二号”火箭将配备这款发动机并于今年发射。
不过,美国商业航天公司和蓝色起源也相继研发出此类环保且经济的发动机。液氧甲烷被认为是下一代低成本火箭的首选推进剂。如果能够先于这两家公司发射,“朱雀二号”可能成为首个采用液氧甲烷发动机驱动的运载火箭。
商业航天的新希望
中国民营商业航天业实现了两个“关键目标”。
除了银河空间首颗在轨运行的宽带互联网卫星外,还有顺为投资的商业火箭公司星际荣耀于2019年成功发射的双曲线一号固体运载火箭。掌舵人是在中国航天领域拥有20多年工程经验的从业者彭晓波。他遵循“小步快跑、快速迭代”的技术路线,目前正朝着“从固体到液体、从小到大”运载火箭的方向发展。发展。
此前,蓝箭航天和零一航天均未能发射“朱雀一号”和“OS-M”运载火箭。虽然张昌武坚信蓝箭可以吸取教训,但公司的发展节奏不会受到影响。但对于需要资金支持的商业航天来说,由于蓝箭不再研发新的固体火箭,它需要更加鞭策自己,加快液体火箭的研发。
目前,可重复使用火箭唯一成功的例子是猎鹰9号,它配备了使用液氧煤油的发动机。未来,标配“猛禽”液氧甲烷发动机的猎鹰火箭将拥有更好的重复使用性。蓝箭还表示,有计划开发可回收火箭,但尚未开始。
与美苏斗争时期的太空军备竞赛不同,当前新的竞争不仅仅是技术的竞争,也不再是单纯的商业闭环能力的竞争。表面上看,航天商业巨头站在前台,但幕后,仍然是各国之间技术实力的竞争。无论是美国联邦通信委员会(FCC)简化小卫星发射许可流程,还是美国空军和NASA提供的支持和帮助,背后都有一些国家意志的体现。
在上世纪的太空军备竞赛中,美国将军事技术转化为民用,将先进的航天技术转化为商业产品。虽然阿波罗投入了大量资金,但随后的回报也非常高。而苏联则一心炫耀肌肉,深陷军备竞赛的泥潭,几乎没有民用技术。也许我们应该从历史中吸取教训。太空竞赛2.0时代则更加复杂。中国仅仅依靠现有的私营航天工业是不够的。庆幸的是,过去五年科技、政策、市场的开放和发展程度有目共睹,中国商业航天加速发展势在必行。
正如徐明所说:“我们往往高估未来两三年的变化,却低估未来10年的发展。”你可能会对今天的中国商业航天事业感到失望,但如果你把目光放在更长的时间维度上,你应该会有很多惊喜。更重要的是,这也是一场不容错过的比赛。
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