中国商业航天:谁能拿下SpaceX的三板斧?

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· 1月30日

蛰伏、亮剑与暗涌,中国的SpaceX在哪里?

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中国商业航天:谁能拿下SpaceX的三板斧?

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图片来源@视觉中国

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文 | 飞观

2021年12月3日,央视新闻中再次出现了中国人民的老朋友马斯克和他的公司。

只不过,这次不是与上海甜蜜牵手的特斯拉,而是商业航天公司Space X。上新闻的由头也跟在上海批地的好消息不一样,这次中国常驻维也纳联合国和其他国际组织代表团把SpaceX给告了,告状的原因有些始料未及:

SpaceX的星链卫星差点把中国空间站给追尾了。

没想到,我们原本以为如此广阔的太空会在某一天变得如此拥挤。虽然事件并没有造成任何人员伤害和财产损失,但这次的太空相遇事件也给中国航天提了个醒,中国航天将在未来迎来越来越多,像SpaceX这样的商业航天公司所带来的全新挑战。

春节前,《2021年中国的航天》白皮书发布,在这份白皮书中,开门见山地提到了“探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国,是我们不懈追求的航天梦。”也提到了我们未来要全面建成航天强国的目标。

2021年,中国航天的成果颇丰,全年55次发射的数据,以及天和核心舱成功发射、祝融火星车成功落火、玉兔2号巡游月球背面等等航天成就无不让国人为之振奋。

但Space X的2021同样无比辉煌,全年SpaceX成功完成了31次的发射任务,星链卫星、小卫星拼单发射服务、猎鹰9号创纪录地成功回收以及星舰(Starship)超重型火箭试验的陆续推进。

年底,还没有上市的Space X获得了一笔3.37亿美元的新融资,这是2021年Space X第三次获得股权融资。迄今为止,Space X已经完成18轮融资,在今年10月二次出售股票7.55亿美元后,它的投后估值突破了1000亿美元,成为全球最具投资价值的私营公司之一。

进入新世纪,世界航天产业的发展已经由传统的政府主导渐渐转为向市场开放的新阶段,包括Space X、蓝色起源、维珍银河等在内的多家欧美商业航天公司陆续从技术创新、商业化运营等维度大大推动了人类航天事业的进步。

那么,那个老生常谈的问题也随之到来:我们自己的SpaceX在哪里?

作为全世界商业航天公司的典范,Space X独步武林的是它的降本增效能力,被称为“价格屠夫”的Space X拥有让其他商业航天公司羡慕的三板斧:可重复回收火箭、一箭多星技术以及批量化生产卫星的能力。

本文将从Space X的这三板斧切入,一起探讨如下几个问题:可重复回收火箭技术能降低多少成本?中国商业航天公司的进展如何?一箭多星技术的原理,以及它对于商业航天公司的意义?卫星批量化生产如何实现?它的意义如何?

1.蛰伏:火箭的可重复回收之路

2021年5月5日14:42分,一枚猎鹰9火箭成功将第27批次1.0版星链卫星送入轨道。随后,它的一级子火箭缓缓降落在海上回收平台上。

从今天开始,这枚刚刚降落的一级子火箭有了一个新名字:B1051.10。

在这个名字中,B1表示它是一枚第一级子火箭,051表示出品的第51枚猎鹰9号火箭,10则表示它完成了十次飞行和回收。

据资料显示,这枚功绩彪炳的十手火箭先后承担过DM-1、RADARSAT、Starlink-3、Starlink-6、Starlink-9、Starlink-13、SXM-7、Starlink-16、Starlink-21、Starlink-27等10次载荷发射,其中包括7次自家的星链任务,2次商业任务和1次自家的龙飞船任务。

作为可重复回收火箭领域的博尔特,SpaceX再一次打破了自己保持的一级火箭成功回收使用的最大纪录。

但对于钢铁侠来说,纪录存在的最大意义可能就是用来打破的。

果不其然,到了2021年12月18日,这枚编号B1051.10的一级火箭再次成功发射了52颗星链卫星,并实现回收。

至此,火箭届的最强打工人——B1051.11诞生了。

有媒体在回收成功后祝贺SpaceX公司,“它们完成了之前规划的,每枚猎鹰9火箭重复使用10次的壮举。”但对于“铁公鸡”马斯克来说,重复使用10次肯定不是终点。充电5分钟,使用一辈子才是他的终极目标。

在回收成功后,马斯克顺势表态,“一箭10飞不是上限,只要火箭条件允许,便会一直飞下去,直到报废为止。”

商用可重复回收火箭,无论从商业模式还是工程技术的角度讲,它都最大限度地直指火箭发射领域的核心问题:昂贵的成本和极低的效率。

以目前人类的科技水平来说,运载火箭是人类目前进入太空最高效的方式,但它也仅仅只能将自身重量2%的载荷送入太空。相比于重达上百吨的火箭来说,毫无疑问浪费巨大。

在价格方面,美国德尔塔-4火箭的发射价格在1.4亿美元,欧洲的阿里安-6火箭报价也在1亿美元左右,哪怕以物美价廉著称的中国长征系列火箭,长征3号乙火箭的发射价格也在7000万美元左右。

 图/火箭单位质量发射成本,图源/安信证券

但高价低效的问题,似乎从航天产业诞生起就从来没有得到过真正的重视。

当马斯克一脚踏进航天领域时,一些航天圈的老炮曾表示,“在这里,如果你没有一个亿,你都无法叫醒波音起床。”

但现实却很快打脸。

2015年12月21日,SpaceX公司的猎鹰9号将11颗卫星送入近地轨道,并将一级火箭第一次成功在卡纳维拉尔角的LZ-1着陆区着陆。人类航天史上第一次轨道级垂直发射垂直返回(VTVL)模式的火箭回收宣布成功。

当前,SpaceX公司的猎鹰9号火箭已经将发射价格降低到每发6200万美元,每千克载荷发射价格降低到不到0.5万美元。根据FAA的数据显示,SpaceX公司的猎鹰系列火箭在全球发射市场拥有52%的占有率,一举成为了发射领域的霸主。

起初,让航天老炮们质疑的可重复回收利用火箭,现如今成为各国官方和商业航天公司的标配。

曾经率先搞出亚轨道级重复回收利用火箭的蓝色起源公司,计划研发新一代复用型火箭“新格伦”;波音和洛马两大军火巨头的ULA将打造复用型的“火神”火箭;俄罗斯航天局准备研发“阿穆尔”复用回收型火箭;我国的“长征八号”,它的升级版CZ-8R作为国家队首款目标回收火箭也在研制中,计划2025年左右试飞。

各国纷纷跟进可重复回收利用模式的火箭,说到底还是它强大的低成本发射能力。

这里我们拿猎鹰9号火箭来算一笔账,据各种渠道公开信息的汇总,一枚猎鹰9号火箭报价6200万美元,其中一级火箭大约占总成本的48%,大约为3000万美元。二级火箭大约占总成本16%,大约为1000万美元。整流罩大约占总成本的9%,大约为550万美元。燃料费、发射场地费和其他费用约为500万美元,占比8%;商业发射毛利润1150万美元,占比19%。

这是单次发射的价格,如果猎鹰9号火箭重复发射并回收利用了呢?

马斯克曾表示,一枚回收后的一级火箭需要额外花费25万美元,进行必要的翻新和保养。

由于现在猎鹰9号的整流罩实现了回收利用(虽然还不清楚是否可以无限次复用),于是,一枚猎鹰9号火箭的成本变成了3225万美元,毛利润率达到了惊人的37%。

这意味着猎鹰9号火箭在执行2次发射任务后,从第三次到第五次发射自家星链任务,从发射成本角度衡量是免费的。

而SpaceX也确实这样做了,上面提到的那颗一箭11飞的B1051.11火箭,虽然只完成了3次外部商业订单发射,但获取的利润却完全可以支撑起剩余8次星链发射任务的成本。

看到这里,作为有着优秀鸡娃传统的国人肯定会冒出一句:

看看XX家的孩子,我们自己的商业航天公司能做到吗?

在中国商业航天公司与SpaceX的几项技术差距中,可重复回收使用的火箭可能是差距最大的一个。

毕竟,作为全世界只此一家,别无分号的独门黑科技,这也是让马斯克在航天界一炮打响的资本。

 图/猎鹰9号火箭发射回收流程,图源/WIKI

目前,我们虽然没有无法媲美猎鹰9号的可重复回收使用的火箭,但据公开报道,前面提到的国家队选手长征8R火箭,已经研制成功了发动机变推力调节技术,这个技术是发动机节流的关键。

并且,长征团队也在着陆缓冲机构、低空低速的返回段制导、自主控制等技术方向做了试验,预计在2030年左右实现商业飞行,并且能够同猎鹰9号一样实现海上无人船方式的垂直降落回收。

但国家队强调风险和成功率的工作模式,使得我们对于中国第一款可重复回收火箭的诞生,有着更快一点的天然期待。

在国家队选手之外,中国的商业航天公司们难道就没有一个能打的吗?

2021年7月,陕西铜川雾气笼罩的山谷中,一枚小火箭点火起飞,随后在距离地面10米左右下降,之后稳稳降落地面。

雾气散去,现场深蓝航天的工程师们欢呼庆祝:星云-M1号试验箭成功实现“蚱蜢跳”。

这次低调的试验对于中国商业航天来说,有着里程碑式的意义。

早先,马斯克在做出可回收火箭的决定后,首先采用的是垂直发射,降落伞回收的方式。

但2010年的两次失败,使他相信降落伞回收的方式无法走通,原因是火箭和降落伞很容易在再入大气层时被摧毁或失控。

于是,马斯克调整了技术路线,决心采用垂直起降(VTVL)的模式,只使用液体火箭发动机自身的动力,实现火箭的发射与回收。

在上世纪“土星5号”即将退役前,NASA的工程人员在白宫和五角大楼的要求下,设计一款可重复使用、便宜且高效的太空运载器。在当时的技术水平下,苛刻的需求指标使得NASA的工程人员将思路框定在了“火箭降落需要空气动力学的升力”,于是后面的航天飞机诞生了。

但事实证明,航天飞机的机翼巨大且沉重,效率极低,死重也很大,操纵也很不方便。

于是,航天飞机最终被设计成了一个艰难的折衷方案——配有一个附加在外的巨大油箱,而且只能使用一次。航天飞机在降落后的滑翔能力极为有限,导致降落难度巨大。

所以,马斯克在一开始就没有采用航天飞机式的垂直发射水平返回(VTHL)的模式,NASA也开放了上世纪90年代研制的DC-X单级入轨复用运载火箭的项目资料,这也让SpaceX获得了该项目的不少技术成果。

现在,猎鹰9号火箭的回收看起来几乎能做到百发百中。但实际上,火箭的垂直起降与回收难度颇大。

曾经有航天专家这样形容猎鹰9号火箭的回收难度,“相当于把一根铅笔飞过帝国大厦头顶,接着精准落到一个只有鞋盒大小的着陆点!”

在猎鹰一级火箭的降落过程中,这根质量27吨,高度40米的钢铁巨物,从距离地面80公里的高度逐渐降落。速度从5倍音速,逐渐降低到亚音速,再到高铁的速度,再到成人步行的速度,精度和速度控制必须分秒不差。

深蓝航天没有SpaceX这样倚靠NASA的便利条件,但在仅仅三个月后,深蓝航天在同一片场地,成功完成了“星云-M”1号试验箭百米级垂直起飞及降落(VTVL)飞行试验,最大飞行高度达到了103.2米。

 图/深蓝航天“星云-M”1号试验箭,图源/深蓝航天

深蓝航天CEO霍亮在接受采访时表示,“实现火箭垂直回收有两大难点,一是发动机推力可调、能重复使用,二是控制系统精准无误。从深蓝航天创立起,便开始在这两个方向上持续深耕。”

针栓式喷注技术是实现火箭发动机变推力的重要手段,猎鹰9号火箭的"梅林发动机“也采用了这项技术,运用这项技术的火箭发动机可实现推力在30%~110%之间的动态变化,并且能够抑制不稳定燃烧,减少震荡,实现火箭推力的平稳调节。

作为深蓝航天“星云”火箭的动力源,其“雷霆”-5发动机在运用针栓喷注技术后,可以实现50%-100%推力调节,并成功应用于“星云-M”火箭的米级、百米级VTVL试验。

但深蓝航天的百米级蚱蜢跳实验相对于Space X来说,差距还有10年左右。航天作为一项工程性极强的产业,有其自身设计、研发、测试、生产的系统流程和规律。

SpaceX的“蚱蜢”火箭飞行测试共进行了8次,最初高度仅为1.8米,第四次试验实现百米级VTVL(80米),第八次试验实现公里级VTVL(744米)。8次的积累获得大量VTVL回收的有关数据,为下一步测试版猎鹰9号火箭积累了宝贵的经验。

根据深蓝航天的计划显示,未来他们将以9台雷霆-5发动机并联的方式用于“星云-1”运载火箭,完成版的星云-1号火箭起飞推力超过150吨,LEO运载能力达到2吨以上,并能够实现重复使用20-50次的设计目标。

可以看出,这与猎鹰9号火箭的相关指标很相似,这也意味着深蓝航天的星云-1号火箭成功商业化后,将很有可能成为在火箭领域对标Space X的民营商业航天公司。

只是,我们希望这一天能够到来地越早越好。

2.亮剑:一箭多星下的拼车服务

2017年,一向宣称“中国行,我也要行”的三哥在航天领域搞出了一件大事。

2017年2月15日,印度用PSLV-C37运载火箭成功实现一箭104星发射,打破了俄罗斯在2014年创造的一箭37星的世界纪录,成为一箭多星世界纪录新的保持者。

一箭多星技术,通俗地讲就是用一枚火箭运载多颗卫星或载荷并将它们送入预定轨道,一箭多星技术并不像可重复回收火箭一样,是一门“只此一家,别无分号”的黑科技。目前世界主要航天大国,包括中、美、俄、欧空局以及印度等国家都已经掌握了这项技术。

我们也曾经在2015年利用长征6号运载火箭将20多颗卫星送入太空,创造了当时的一箭多星亚洲纪录。

一箭多星技术的前身是洲际导弹分导技术(MIRV),起初的洲际导弹只能携带一枚弹头,但如果想打击多个目标,就得发射好几枚导弹,并且一枚弹头也容易被敌方拦截或干扰。

所以,分导式多弹头的洲际弹道导弹便诞生了。

分导式多弹头的洲际导弹可以将一整个整流罩中的多个分弹头一同送入亚轨道,整流罩脱落后,能陆续释放第一枚分弹头,再精准调整到第二枚分弹头的再入轨道,依次释放所有的分弹头。

并且,随着敌方干扰和拦截技术越来越强,洲际导弹的整流罩内会加入一些诱饵,这些诱饵具有以假乱真的雷达反射信号,帮助真弹头提高突防敌方雷达的成功率。

1981年,我国用风暴一号火箭将3颗实践二号卫星送入了预定轨道,成为第四个独立掌握一箭多星发射技术的国家。

与可重复回收火箭技术不同的是,我国在一箭多星技术方面的实力并不弱。

印度成功发射104颗卫星后,国内一位航天领域的专家在接受采访时淡然地表示,“我们祝贺印度航天创造了新的发射纪录···”但随后隐晦地表达出了三哥此次的一箭多星发射多少有些“名不符实”。

三哥2017年的那次发射,虽然将104颗卫星成功送上了天,但PSLV-C37运载火箭的SSO运载能力仅1.5吨,而且104颗卫星均被送往相同轨道。盘点一下此次的载荷,主星为重730公斤的印度“制图-2D”,附加2颗19公斤重的微卫星,其余的101颗全是不到10公斤重的纳卫星。

最关键的是在衡量一箭多星技术水平高低的释放方式上,三哥采用了最简单粗暴的逐次释放,直接发射的方式。这样使得绝大部分卫星载荷无法做到精确入轨,相当于一辆车将众多拼车的乘客放到路边,任由其自生自灭。

因此,有不少网友调侃,此次三哥的一箭多星发射,更像是“在太空撒了一把土豆”。

火箭的一箭多星发射有两种,一种是在相似的轨道投放多个卫星,一种是在不同的轨道分别投放卫星。

显而易见,第二种难度更大,作为真·一箭多星技术,而不是像三哥那样简单粗暴的一箭单级多星发射,就必须掌握三种核心技术:

精准测控技术、载荷非同步分离技术和上面级多次点火技术。

这其中,上面级技术至关重要。

 2018年12月29日,我国长征二号丁运载火箭将“远征三号”上面级送入太空。此后,“远征三号”经过4次变轨后,把7颗卫星分别送入高度相差数百公里的预定轨道。

官方报道中,“远征三号”按计划完成21次点火,首次实现将两组卫星部署到了不同轨道。

上面级是火箭内部一个独立的飞行器,有点像我们在景区内的摆渡车,它能按照一定的路线,搭载着游客们在不同的景点下车。它被火箭送到一定轨道后,靠着自主动力搭载着卫星载荷多次点火启动,将一个或多个载荷送到不同的轨道面上。

2021年1月24日23:00,猎鹰9号火箭搭载着“运输者—1”上面级中的143颗卫星载荷成功发射,此次发射打破了三哥2017年一箭104星的发射纪录,单次发射的卫星总数就占到了当前在轨卫星总数的5%。

作为“价格屠夫”的SpaceX要搞一箭多星,目的显而易见,就是狠狠地压缩成本。为此SpaceX还利用“运输者”上面级搞起了“小卫星拼车服务”。

2019年8月,Space X宣布开展“小卫星拼车发射”业务,计划每年开展3次专享SSO级别的拼单发射。

这个业务的逻辑很像我们日常生活中的嘀嘀拼车。于是,2022年1月13日“运输者—3”,实现了一箭105星拼单服务发射,2021年6月30日“运输者—2”,实现了一箭88星的拼单服务发射,2021年1月24日“运输者—1”,实现了一箭143星的拼单服务发射。

2022年开年,SpaceX还宣布今年预计进行至少4次的小卫星拼单发射,可见该项业务的开展很受市场欢迎。

受欢迎的原因也很好解释,当前下游的卫星市场,小卫星发射的数量和频次都更高,马斯克也曾经发推表示,“很开心能为更多的小卫星公司带来更多进入太空的机会。”

作为中型液体运载火箭的猎鹰9,它的LEO运力为22.8吨,GTO运力为8.3吨,而小卫星的普遍重量在1吨以下,更多的则在200kg-500kg之间。因此,小卫星抱团发射是一个能够将运载火箭运力榨净的高效方式。

每次发射的卫星数量越多,单颗卫星的花费就越低,采用火箭批量化发射的订单,火箭的研制成本还会更低。

据外媒报道,SpaceX拼团发射的费用为,200千克有效载荷送至SSO太阳同步轨道,最低价为 100万美元,增加的质量部分每公斤收取5000美元。

这个价格消息一放出来,立马让市面上很多小火箭发射商坐不住了,他们忧心忡忡地向媒体表示,“猎鹰9号火箭将会抢走本该属于他们的市场份额。”

马斯克的一贯风格:走自己的路让别人无路可走,再次上演。

按照一般的理解,猎鹰9号属于中型火箭,应该面向质量更高的卫星发射开展业务。然而,它现在大小通吃,既要挣大客户们的钱,也要把小客户们聚在一起挣钱。

这种吃干抹净的能力,明显要拜一箭多星技术所赐。

可以说,可重复回收火箭原本就让猎鹰9拥有了同行三分之一的低报价,再加上一箭多星技术的加持,其价格成本可以继续下探,拼团模式带来的是更为广阔的小卫星发射市场,长尾需求集中上量,曾经风靡国内的团购打法在大洋彼岸的Space X身上再次上演。

无外乎贝索斯曾经向美国政府表示,“SpaceX让别人没法玩。”

庆幸的是,在一箭多星技术上,国内的商业航天公司已经有了几次成功的尝试。

2021年12月7日12时13分,国内商业航天公司星河动力在酒泉卫星发射中心,成功将自家的谷神星一号(遥二)运载火箭发射升空,并且顺利将5颗商业卫星送入500km外的SSO轨道。

图/星河动力一箭五星发射,图源/星河动力

除了星河动力之外,2019年实现中国商业火箭公司首次入轨的星际荣耀双曲线1号运载火箭,也成功实现了一箭双星的轨道级发射。

在猎鹰9火箭掌握的众多技术中,也许一箭多星技术是中国商业航天公司与SpaceX差距最小的领域。但猎鹰9号目前能做到一箭143星的发射,虽然卫星数量的多少并不代表技术水平的高低,但体现在市场占有上,这就意味着它拥有了“赢家通吃”的资本。

抛开技术,SpaceX的小卫星拼单发射项目已经正式启动,并获得了显著收益。从商业角度上讲,中国商业航天公司追赶Space X的道路还有很长很长。

3.暗涌:卫星批量化的新时代

2020年7月,银河航天在江苏南通的卫星工厂正式开工。媒体报道,“银河航天超级卫星工厂建成后,将实现日均至少一颗卫星的量产能力。这意味着中国卫星低成本量产时代即将来临。”

这则国内商业航天领域的好消息十分振奋,卫星量产能力是当前火热的低轨卫星星座组网所需要的核心能力,规模化的卫星量产能够显著降低卫星生产成本,压缩卫星研制时间,同时标准化和模块化的研制方式使得卫星质量得到了保证。

2020年,在国务院的发布会上,卫星互联网被证实纳入了国家新基建。作为下一代“天地一体化通信”的基础设施,卫星互联网的建设被国家摆上了战略高度,2021年4月一家新的央企星网集团成立,它专门负责我国卫星互联网的建设,原本由航天科技、航天科工分别推出的互联网星座建设计划,也被整合成新的“国网”计划。

官方的顶层设计不断推进,而国内的商业航天公司,也在国家战略的背景下开始寻找自身的定位。

2022年春节前,一则“中国首次实现低轨宽带通信卫星批量化生产”的消息传出,银河航天的超级智能卫星工厂下线了6颗低轨宽带通信卫星。

图/银河航天卫星工厂,图源/银河航天

一位商业航天公司的创始人曾表示“卫星过去不存在批量化的问题,因为没这个需求,过去都是需要一颗研制一颗。但现在不同了,由于要星座组网,成千上万颗的卫星要被发射到轨道上,还要考虑在发射期间寿命到期或故障替换等问题,实际生产数量肯定要比规划的还要多。”

作为工业品,卫星过往都采用定制化设计-研制的模式,这导致卫星造价极高,一颗静止轨道通信卫星价值好几亿美元。周期也十分漫长,一般需要大概30个月的时间才能造出一颗卫星。

但随着starlink开启的巨型低轨互联网通信星座的组网计划,庞大的4.2万颗小卫星,必将要求工业化的批量生产模式将卫星源源不断地下线。

马斯克曾经发推特表示,“星链卫星下线的速度已经快赶不上火箭发射的速度了。”

这句略显凡尔赛的言论,不仅仅表现出猎鹰9号火箭,甚至未来星舰(Starship)超重型火箭强大的运载能力,也表达了SpaceX对于星链卫星产能继续扩大的现实需要。

在我国,不少商业航天公司已经开始卫星工厂的建设。毕竟,在低轨卫星星座组网的热潮下,我国未来的“国网”计划也有着高达12992颗低轨宽带卫星的需求。

除了上面提到的银河航天,2020年九天微星的卫星工厂在唐山开工,完工后可以实现年产100颗小卫星的产能。

2020年3月,吉利在台州的卫星项目开工。作为吉利子公司的时空道宇表示,“公司借鉴了汽车行业的总装工艺,打造模块化、柔性化、智能化制造工厂,可灵活满足不同型号规格的卫星总装与测试。”

时空道宇还计划在2025年,卫星工厂实现年产卫星500颗的产能。

一位卫星专家表示,“模块化设计和搭积木式的工业化生产能够实现现工装配置系统重复使用、平台内及平台间各结构模块互通互用。原材料的采购也能实现规模化、生产调试成本与时间也大大缩短,平台研制成本和生产周期将大大降低。”

银河航天也曾经发文证实,“工厂下线的批量化小卫星,其单星成本已经是自己实验室研制的首发星的一半。”

一般谈及制造产能的话题,不少人认为我国在这方面相对于“制造业空心化”的美国来说拥有巨大优势。

但实际上,作为航天高精尖产业的代表,卫星批量化制造并不是完全靠规模和人工取胜的一般制造业。

2022年1月4日,美国卫星运营商轨道阁楼公司(Loft Orbital)宣布从空客订购15个卫星平台,而这些卫星平台来就自于OneWeb和空客在佛州建设的那座赫赫有名的卫星工厂。

全世界第一次实现批量化卫星制造的是OneWeb公司,作为另一个互联网星座的开发商,OneWeb在研制卫星上没有采取与Space X相同的自己生产的方式,而是将卫星的研制交给了空客。

2016年4月,OneWeb 公司与佛罗里达州政府达成协议,在佛州建立一座占地约14亩的卫星工厂。工厂建成后预计将实现每天生产3颗卫星的能力,当时OneWeb宣称,他们运用与飞机相似的流水线组装方式来生产,能大大提高效率。

图/空客公司的卫星生产流程,图源/空客公司

6月,OneWeb公司便宣布同空客达成合作,每颗小卫星的研发成本会降到50万美元左右。

在外媒的报道中,空客为OneWeb提供的卫星工厂具备最先进的自动化生产线、测试设备和数据采集能力,能够有效缩短装配时间,全方位分析设备性能并进行调试。

这家黑科技满满的卫星工厂在2017年3月破土动工,2019年秋季投产,工厂内有2条生产线,分别为FAL2和FAL3,以及一个面积为73000平方英尺的超净车间。

为了简化制造工序,OneWeb的每颗卫星都采用模块化生产,每颗卫星由4个模块组成,像盒子的4个侧面一样组合在一起,每一条装配线上有4个模块制造站。

每个站点上,制造工程师、机器人和“智能工具”组成的团队来制造工作。为了提高效率,所有设备和组件都采用并行工作的模式。

自动导向机器人可以把部件从一个工位移到另一个工位,以此来提高效率。每一个模块建成后,都要使用自动导向机器人运送到组装站,然后再集成到卫星上。

空客还将卫星测试环节融入到批量化卫星生产的流水线中,内部将它称之为“医院”,如果卫星在装配或测试过程中发现问题,就将它送到这里。

这样就可以在主装配线不中断的情况下进行维修,如果模块在一小时内无法修复,就将其送回原始供应商,保证组装工厂的高效率。

图/空客为OneWeb建造的工厂,图源/Oneweb

一旦卫星建成并完成初步测试,就会进入空间环境模拟器,进行为期2天的电气和环境测试。OneWeb卫星工厂中有32个实验室,可以同时进行实验。最后,将OneWeb公司验收的卫星放入集装箱中,运往发射场。

如果说Oneweb公司的卫星制造速度已经很快了,那么SpaceX星链工厂的制造速度更快。

虽然SpaceX并没有公开其“星链”卫星的生产流程,但在2020年3月,马斯克在接受记者采访时讲,“我们的卫星制造速度已经超过了发射速度。”

2020年8月,SpaceX在给FCC的报告中表示,公司的“星链”卫星产能已经达到了每月120颗,单星制造成本在50万美元以下,预计在2027年完成全部4.2万颗星链卫星的部署。这可能是目前世界上产能最高的纪录。

如果说,可重复回收使用的火箭和一箭多星技术还仅仅只关系到成本和效率问题的话,那么批量化生产卫星的能力,则关系到未来我国的空间战略和长期发展。

马斯克的“星链”计划将在2027年完成4.2万颗星链卫星的部署,这些小卫星全部部署于200km—2000km的低轨轨道上。

去年闹到联合国的失效“星链”卫星差点碰撞中国空间站,以及被全世界天文爱好者斥责的星链卫星造成太空光污染事件,都说明了“星链”计划正在逐步垄断我们头顶的这片天空。

按照ITU的组织规则,低轨的轨道和频率资源实行“先占先得”的原则,那么星链将4.2万颗小卫星发射到太空中,便获得了在卫星组网中的先手。更好的轨道资源和位置将被SpaceX占据,剩下的玩家只能被动选择。

这个问题我们有过前车之鉴,在北斗导航星座的频谱选择上,我们曾吃过GPS的亏,也因为最后时刻的有惊无险,才将原本先我们一步的欧空局“伽利略”计划反超,得以拿下ITU的频谱资源。

航天事业的发展,需要好几代人不断为后人打下坚实的基础,在“星链”计划咄咄逼人的进展下。对于中国航天来说,批量化生产卫星的能力,时不我待。

尾声

在长达将近20年的美苏太空争霸期间,美国为整个阿波罗计划付出了近500亿美元,前苏联也花费了50亿美元的巨资,太空争霸还拖垮了这个衰落帝国的元气,将其慢慢引向坟墓。

民间对于官方动辄花费巨大的探索太空也不甚支持,1970年,赞比亚修女写信给NASA,质问他们为何给登上火星花费数十亿美元,但地球上还有很多孩子吃不上饭,很多家庭无法温饱。

虽然NASA总监的回复很好地回答了这个问题,“它所带来的大量新技术和新方法可以用在火星之外,产生于数倍的原始收益。”

但对于无法立即产生商业收益的航天来说,花费纳税人的资源也并不是长久之计。马斯克就曾经在起诉NASA时讲,“你们为什么要花费巨额的国家预算来补贴那些人?(指军火巨头)”

但Space X自己也是靠着五角大楼的订单才获得了一笔又一笔的研发经费,得以不断走下去的。

由于航天产业“三高一长”的显著特点,任何商业航天企业都面临巨大的前期发展瓶颈,并且火箭、卫星又不像半导体芯片一样,下游是消费电子产品这样广阔的消费级市场。火箭和卫星都是政府或科研机构采购的产品,用于科研探索或国防军事目的,它们距离普通人十分遥远。

所以,在供给端前期投入巨大的情况下,需求端又没有显而易见的市场规模,那么商业航天便很难走一条类似中国互联网企业的“先要规模,再想盈利”的烧钱打法,也就无法吸引资本的目光。

对于这样一个类似“蛋生鸡”的问题,政府在商业航天企业的发展中具有举足轻重的作用。

除了商业航天企业进行更大力度地降本增效之外,还需要一个让商业航天有收入的市场,并且这个市场要足够大,足够有想象力,这也是NASA致力于商业化部分国际空间站的原因,太空旅游虽然只是极少数人的娱乐,但对于吸引公众对航天的关注,获得更多的认可很有必要。

这也是马斯克将Space X的目标设定为让人类成为多行星生物,并且达成移民火星的愿景。虽然有些天马行空,但足够远大,足够有噱头。

另外,政府在其中将扮演起产业腾飞孵化者的角色。

美国商业航天起飞的一个背景是,不断衰落的美国国家航天事业导致NASA“无箭可用”,前几年被俄罗斯人用RD-180敲竹杠的阴影历历在目。

但中国航天却恰恰相反,国内的商业航天企业,是在中国从航天大国向航天强国迈进的征程中,诞生并成长起来的。因此,如果说美国需要国内的商业航天公司作为其开展航天事业的主力的话,那么对于中国航天来说,国内的商业航天公司就是我们航天事业的有力补充。

2022年,春节前的最后几天,《2021年中国的航天》白皮书发布。探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国。在实现航天强国梦的征程中,相信中国的商业航天公司们将会大有可为。

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sussess

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  • 一直跟着别人走,创新太少了

    2022-03-03 08:28 via android

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