今天小編分享的科技經驗:何時有“中國版”SpaceX?,歡迎閱讀。
我的專業是經濟學,但過去幾個月密集調研了十幾家科技類企業,其中有一家民營衛星企業國星宇航引起了我對衛星行業的興趣——這家企業自己設計、制造、銷售和運營衛星。
經了解,我才知道,2015年中國的商業航天已經對民營企業開放。2019年底,國内已注冊商業航天領網域公司194家,其中176家民企,從產業鏈環節看,既包括衛星制造,也包括衛星發射和運營,已經初步誕生了一批包括國星宇航在内的具有技術實力的民營航天企業。
而講到民營航天,始終繞不開SpaceX。
無論是向"太空發跑車"、太空旅行、星鏈、還是火星移民,SpaceX和"鋼鐵俠"馬斯克的故事,一直是大眾談資。
那麼,何時才有"中國版"SpaceX?
一、衛星的類型
通常可以按照用途、頻段、軌道高度對衛星分類。
按用途
按用途通常可以分為"通導遙",即通信衛星、導航衛星、遙感衛星。
通信衛星具有轉發無線電信号的功能,能夠作為中繼站進行無線電波發射或轉發,從而實現兩個或多個地面站、移動終端或航天器之間的通信。
導航衛星連續發射無線電信号,用戶接收信号通過時間測距或多普勒測速分别獲得用戶相對于衛星的距離或距離變化率等導航參數,并根據衛星發送的時間、軌道參數,求解實時位置坐标,為用戶提供導航定位。
遙感衛星通過搭載多光譜成像儀、高光譜成像儀、全色成像儀、短波紅外相機及合成孔徑雷達等有源和無源傳感器,采集地球輻射、影像數據,對地球進行同步觀測。
按頻率
按頻率範圍可以分為L頻段(1~2 GHz)、S頻段(2~4 GHz)、C頻段(4~8 GHz)、X頻段(8~12 GHz)、Ku頻段(12~18 GHz)、Ka頻段(18~30 GHz)、Q頻段(36~46 GHz)、V頻段(46~75GHz)、太赫茲頻段(0.1~10 THz)等。
L、S、C頻段頻率低、增益低、天線尺寸大,但信号覆蓋廣,受天氣影響小、抗幹擾能力強、傳輸信道穩定。但這3個頻段的資源已經基本分配殆盡。
Ku和Ka頻段的頻率高、帶寬大、增益高、天線尺寸小,是衛星通信的黃金頻段。但是這兩個頻段的可用資源也基本接近飽和。Q、V等更高頻段開始進入商業衛星通訊領網域。
"星鏈"系統占用的頻率主要分布在Ku、Ka兩個黃金頻段上,三期星座使用更高的E頻段。中國星網的"GW"星座計劃,傳輸頻段主要分布在Ka頻段和V頻段。
按高度
按軌道高度,可以把衛星分為低軌(LEO)、中軌(MEO)、太陽同步軌道衛星(SSO)、地球同步軌道衛星(GEO)和傾斜地球軌道衛星(IGSO)。
LEO的高度通常在300~2000km,距地表較近,可以實現較低的信号延遲和較高的數據傳輸速率,質量小、發射靈活、應用場景豐富、制造成本較低,比較适合用作互聯網通信。
MEO的高度為2000~35786km,相比于LEO ,MEO單顆衛星的覆蓋範圍更廣,但信号延遲也相對較高,通常用于衛星導航,也用于提供全球覆蓋的衛星通信服務。
SSO一般不超過6000km。
GEO和IGSO的高度約為35786km,與地球自轉周期相匹配。由于距離地面更高,所以覆蓋面積更大,3顆就能覆蓋整個地球。但距離遠,通信就更困難。多用于導航、氣象觀測,衛星電視和廣播等。地球同步軌道有無數條,而地球靜止軌道只有一條。
衛星產業鏈可以粗略地劃分為4個環節:制造、發射、地面設備、衛星運營及服務。
衛星本體可以分為兩個組成部分:平台和載荷。
平台包括結構系統、電源系統、推進系統、姿态控制系統、遙感測控系統等等。有效載荷是指用于執行衛星任務的設備或儀器,比如光學載荷、雷達載荷、通信載荷等等。
從成本構成來看,大部分衛星的姿态控制系統和電源系統占比最大,合計占比通常超過60%。當然,如果是定制衛星,有效載荷的成本占比則取決于衛星的用途。
在火箭發射環節,2015年之前,能造火箭的只有國家隊,現在已經有超過10家民營隊入場,不少企業已經實現了首發,比如銀河航天、星河動力、星際榮耀、藍箭科技、中科宇航等等。
地面設備主要包括固定地面站、移動式地面站及用戶終端。產業鏈長,企業眾多,國家隊和民營隊都有。
二、衛星發展簡史
衛星創世:斯普特尼克1号
1957年10月4日,蘇聯發射了世界上第一顆人造衛星"斯普特尼克1号"。原本計劃執行大氣密度及其離子組成、太陽風、磁場和宇宙射線測度等科學任務,衛星質量将達到1000~1400kg,攜帶儀器約200~300kg。
但彼時正值冷戰,為了搶在美國之前完成首發,在實際發射時,斯普特尼克1号沒有攜帶任何科學儀器,質量只有83.6kg。但通過研究衛星在軌道上的阻力和其發出的無線電信号,也可以獲取上層大氣密度和電離層的基本數據。
斯普特尼克1号的無線電信号持續了21天,直到1957年10月26日其攜帶的3塊銀鋅電池電量耗盡。1958年1月4日,重返地球并在大氣層中燒毀。
1957年12月6日,美國的先驅者(Vanguard TV3)衛星發射失敗。1958年1月31日,"探險者1号"(Explorer 1)發射成功。
"探險者1号"的重量僅有13.97kg,其中超過8.3kg都是各種設備,利用率極高。除了宇宙射線探測器之外,它還搭載了内部和外部溫度檢測儀,以及用來監聽微隕石可能撞擊衛星表面聲音的微波背景探測器等。在軌道上持續發回數據長達4個月,直到1958年5月23日才停止工作。此後這顆衛星一直在軌道上漂浮了超過10年,直到1970年3月31日才墜落地球大氣層焚毀。
1970年4月24日,中國成功發射了屬于自己的第一顆人造地球衛星——"東方紅1号"。1984年,中國發射了第一顆有實用價值的通信衛星"東方紅2号"。
實際上,蘇聯和美國發射前幾顆衛星的戰略意義大于實用意義。直到1965年4月6日,美國發射了最初的半試驗、半實用的地球同步軌道衛星(GEO)"晨鳥"(Early Bird),為北美和歐洲提供直接聯系和近乎瞬時聯系的通信和廣播服務,才标志着衛星通信正式進入了實用階段。
衛星1.0:商業化出師未捷
GEO在通信、電視轉播等方面的應用已經趨于成熟,但其缺點是體積和質量大,距離地球遙遠,通信延遲長,頻譜利用率低,終端發射功率大,不易小型化。
相對地球同步軌道,低軌衛星有諸多優勢,對用戶而言,通信時延縮短,數據傳輸率提高,終端重量、體積、發射功率與普通陸地移動通信終端接近,還可以與陸地通信系統兼容,真正做到全球無縫接入。
因此,1960年代,在發展GEO高軌衛星的同時,人們就嘗試利用LEO低軌衛星進行通信。但是低軌衛星通訊面臨三個問題:
第一,由于低軌衛星的覆蓋面積相對較小,因此必須由多顆衛星組成網絡才能實現全球覆蓋。
第二,為了保持通信的連續性,一條通信鏈路需要在多顆衛星之間切換。
第三,由于低軌衛星相對地面某一點不是固定的,因此地面站必須有復雜的跟蹤系統。
上述三方面的問題增加了低軌衛星通訊系統的復雜程度。
所以,盡管理論上低軌衛星具有低時延,但實際上由于星地、星間通訊的技術不夠成熟,低軌衛星的時延依然較長。比如,最早的低軌衛星通信方案"銥星系統",其時延在10秒以上,且掉話率高達15%。
銥星系統
銥星系統是摩托羅拉公司提出的一種利用低軌道衛星群實現全球衛星移動通信的方案,發展定位是"全面替代通信系統"。該方案1990年6月公布,12月向美國聯邦通信委員會(FCC)申請許可,1992年9月獲批。
銥星系統的原始設計是由77顆低軌小衛星分布在7個軌道面,通過微波鏈路組成衛星網絡。後來為控制投資規模,衛星數量縮減為66顆,分布在6個軌道面,軌道高度由785km降低到765km。
盡管銥星系統在當時已經是非常完整和先進的方案,但受限于技術水平,依然存在諸多不足。比如技術方面,數據傳輸速率只有2.4kb/s,掉話率高達15%。但第一代地面通信網絡GSM(1G)系統的傳輸速率為9.6kb/s,第二代GSM(2G)及其改進技術(2.5G)的最大傳輸速率已經達到115.2Kb/s,掉話率低于1%。
更重要的是成本方面,與地面通信網絡相比,銥星系統建設成本高,所以存在業務收費高、地區差異大、移動終端價格高等問題。
最終,銥星系統1998年底投入運營,2000年即宣布破產。
其它系統
銥星計劃标志着衛星通信商業化的開始。同時期,軌道通信計劃、天橋系統、全球星系統和泰利迪斯等也紛紛湧現。
1995年,ORBCOMM公司發起包括35顆衛星的"軌道通信計劃"(ORBC);阿布扎比投資公司、摩托羅拉公司、波音飛機公司發起了"泰利迪斯"(Teledesic);阿爾卡特公司、美國勞拉公司和日本東芝公司發起了"天橋系統"(Skybridge)。
早期,泰利迪斯計劃發射840顆衛星,為全世界提供雙向寬帶電信服務,包括計算機網絡,快速寬帶互聯網接入,互動式多媒體和高質量的語音技術。小天線能夠提供多達100Mb/s的上行鏈路和720Mb/s的下行鏈路,号稱"空中光纖網"。但受限于成本約束,1997年削減為288顆衛星,分布12個軌道面,每面各有24顆衛星,另有36顆備份衛星。
1991年6月,勞拉公司(LQSS)和高通公司向美國聯邦通信委員會(FCC)提出的低軌衛星移動通信系統"全球星"(Globalstar),計劃發射48顆衛星。
全球星與銥星在結構設計和技術上均不同。
全球星不單獨組網,其作用只是保證全球範圍内任意用戶随時可以通過該系統接入地面公共網聯合組網。手持終端的價格只相當于蜂窩手機的價格,故其服務對象更适合為邊遠地區蜂窩電話用戶、漫遊用戶、外國旅行者,以及希望低成本擴充通信的國家和政府通信網和專用網。
除此之外,還有"宇宙鏈路"(Astrolink)、"太空之路"(Spaceway)、"計算機星"(Cyberstar)、"歐洲天空之路"(Euro Sky Way)等靜止軌道衛星星座。
衛星2.0:破產重組掙扎求生
由于技術限制和市場定位等問題,在性能和成本都不占優勢的情況下,銥星、全球星以及泰利迪斯紛紛宣布計劃破產或重組,僅部分業務和功能由于軍方需求而得以保留。
銥星破產後,被新的銥星公司以2500萬美金收購,并于2001年3月28日重新提供服務。新銥星調整了市場定位和經營策略,增加了業務種類,降低了移動終端價格,補充發射了新衛星,并與主要的地面電信供應商合作,為20多個國家提供緊急救援、機要通信等服務。
2007年,新銥星提出銥星二代(Iridium Next)計劃,委托SpaceX為其發射75顆衛星,包括66顆軌道衛星,以及9顆備用星,目前已經發射完成。二代保持了與第一代同樣的星座構型,同樣由66顆衛星組成,系統性能進一步提升,并拓展了一些新業務。
全球星也于2010年開始建設二代系統(Globalstar-2),并在2013年2月6日發射最後6顆星,完成了由24顆衛星組成的低軌移動衛星通信星座的部署。
無論是銥星二代還是全球星二代,載荷可擴展的設計使得其可以基本滿足空間信息應用的需求,但其數據傳輸能力相對現在的5G甚至6G時代,仍顯不足。
此時,衛星通信的發展定位,由第一階段的"全面替代通信系統"轉變為"地面通信系統的備份和填隙"。
衛星3.0:衛星互聯網卷土重來
銥星系統失敗的根本問題是有效需求不足:在需要銥星發揮作用的地方(即地面蜂窩系統到達不了的廣大農村和邊遠地區),其用戶負擔不起費用——那兒的用戶買不起衛星手機,也承受不了過高的話費。而城市及近郊地區又被地面蜂窩網絡占領,其手機和話費很便宜,衛星通信又根本無法相比。
所以銥星系統、全球星系統建成初期,面臨與地面移動通信的競争,在通話費用、終端成本、數據傳輸速率等方面都不占優勢,難以大規模普及,只能在緊急救援、海事通信、軍用通信等特殊領網域掙扎求生。
現在,随着運載火箭、材料工藝、衛星測控、星間通訊等技術的創新與進步和高通量衛星的發展,困擾銥星系統的掉線率問題和數據傳輸速率問題已經逐步得到解決,衛星的發射成本和通信資費逐漸下降,以OneWeb、SpaceX等為代表的企業開始主導新型星座建設,衛星互聯網逐漸步入寬帶互聯網時期。
2014年,SPACEX創始人埃隆·馬斯克(Elon Musk)和OneWeb創始人格雷格·懷勒(Greg Wyler)曾經共同規劃過WorldVu星座計劃。但幾個月後,馬斯克決定退出單幹。2015年,他基于自己的太空探索技術公司(SpaceX),正式提出了星鏈(Starlink)項目。
WorldVu星座計劃耗資30億美金打造648顆寬帶低軌小衛星和234顆備份星,組成星座通訊系統,為偏遠地區和互聯網基礎設施建設落後的地區提供價格适宜的網絡連接,并從瀕臨破產的SkyBridge公司獲得了有關衛星頻譜。該計劃也是OneWeb星座的雛形。
不過OneWeb有點低估了制造和發射衛星的難度,成本的大幅度上升為2020年的破產埋下了伏筆。在破產時,OneWeb只發射了計劃648顆衛星中的74顆。與此同時,Starlink在軌的衛星數量超過500顆。
OneWeb後期得益于英國政府、印度巴蒂企業、休斯網絡系統和軟銀集團的投資,于2021年底從破產中復蘇。截至2022年12月,OneWeb的在軌運行衛星數量超過450顆。但Starlink已經擁有超過2300顆衛星。
2023年9月29日,法國衛星公司Eutelsat與英國OneWeb宣布合并,以更好地與Starlink競争。合并之後的公司名為Eutelsat Group,成為歐洲最大的衛星公司。
三、颠覆者:SpaceX
1. 星鏈不斷進化
第一代Starlink計劃将約1.2萬顆通信衛星發射到軌道。第一階段發射4425顆,第二階段發射7518顆。上述發射計劃均已獲得FCC批準。
SpaceX于2018年2月發射了Microsat試驗星,主要用來驗證系統方案及器件選型,後期又推出了星鏈V0.9、V1.0、V1.5、V2 mini等多種型号的衛星,以滿足不同階段、不同功能的需求。
星鏈V1.5增加了星間激光通訊功能,使附近沒有地面站的區網域,比如海洋、極地和偏遠地區,也能通過衛星中繼接入互聯網。
星鏈V2 mini采用氩電推系統,增加了更多強大的相控陣天線,并為網關站的回程鏈路增加了E波段,容量為一代的4倍,可為用戶提供高速上網服務。
目前,SpaceX正在研制V2.0,未來用于衛星與地面手機用戶的直連。
此外,整套Starlink系統具有很大的彈性,可以針對特定的地區,動态地集中信号到需要的地方,從而提供高質量的網絡服務。
據不完全統計,截至2023年10月31日,Starlink已經發射5399顆衛星(2023年當年即發射1733顆),分布在1150km、1110km、1130km、1275km和1325km五個軌道高度和83個軌道平面。
第二代Starlink計劃發射3萬顆,第一階段發射7500顆,第二階段發射22500顆。2022年12月,第一階段的發射計劃已經獲得FCC批準,第二階段的發射計劃暫緩決定,以回應"有關軌道碎片和太空安全的擔憂"。
2. 產業鏈閉環
之所以說SpaceX是颠覆者,是因為它涵蓋了衛星制造、火箭發射、終端運營全產業鏈,颠覆了傳統的衛星生產方式,極大地降低了衛星制造和發射成本,使得衛星互聯網與地面通信系統競争成為了可能。
首先,衛星制造方面,包括星載高通量通信天線、星間激光通信設備、霍爾推進器、反作用輪、1.5版及之前各版衛星的太陽能電池板等,均由"星鏈"部門獨立研發、自主生產,實現了多領網域研發與生產的垂直整合。SpaceX通過減少零部件、簡化優化設計,部分采用"消費級"元器件,規模化生產等方式降低了單星成本。
1. 傳統衛星要考慮電子器件的抗輻照能力,通常采用高成本的專用抗輻照芯片,從而推高了衛星成本。但低軌衛星所受輻照相對較低,通過系統冗餘設計等方法,采用成本較低的商用器件即可保障可靠性。例如相控陣天線芯片,原來的半導體材料用的是氮化镓、砷化镓,單通道成本幾千美金,而一顆衛星需要相控陣天線芯片的成本就需要幾千萬,SpaceX用矽基芯片替代,定制了收發集成度很高的芯片,使用了非常多的新技術,将成本降到了單通道幾十美金的量級。
2. 衛星的規模化生產制造既可以降低單星成本,也可以保障Starlink的建造速度,從而在衛星的生命周期内實現商業利益。SpaceX有自己的衛星制造流水線,位于西雅圖的雷德蒙德制造廠每月至少生產120顆星鏈衛星,另外德州奧斯汀也在建設新的星鏈制造基地。
3. 霍爾推進器節約發射成本。傳統衛星是使用運載火箭直接把衛星送入預定軌道。但SpaceX的運載火箭只負責将衛星送入440km,衛星在440km的軌道上進行檢測後,使用霍爾推進器緩慢推升到550km高的軌道,節省了火箭推進燃料。而且,以往的霍爾推進器使用氙氣作為燃料,SpaceX為了降低成本先後使用氪和氩為燃料。
其次,運載火箭方面,一代Starlink主要由SpaceX自己的獵鷹9号(Falcon 9)可回收運載火箭發射。獵鷹9号由9台莫林(Merlin)發動機組成,單箭每次可以發射60顆一代星。未來的二代Starlink将會使用"超重-星艦"和獵鷹9号聯合完成。SpaceX通過可回收、一箭多星、電推推進等方式,極大地降低了發射成本。
2016年,獵鷹9号火箭首次實現一子級的回收。2017年,SpaceX又首次實現"二手火箭"的成功發射。一枚全新的獵鷹9号火箭的成本大約為5000萬美元,復用成本不到2000萬美元。全新火箭,發射一次毛利潤在1200萬美元左右,復用的毛利潤在3000萬美元以上。
未來發射二代Starlink将使用的"超重-星艦"具有更強的運載能力和更大的容積,單次可發射110~120顆二代星,相當于發射一次即可完成一個軌道面部署,且"超重-星艦"的火箭級與飛船級均可回收。
1. "超重"火箭級采用垂直起降技術進行回收,在火箭垂直返回接近地面時,由發射塔機械臂接住,利用超重的栅格舵來承受載荷,不再設定着陸支架。這樣可以省下着陸支架的重量和成本,而且讓火箭能夠立即在發射台上重新就位,在不到一小時後再次升空飛行。發動機作為火箭中價值最高的部分,其造價往往占火箭研制成本的一半以上,通過火箭回收對發動機進行重復利用,可大幅降低成本。
2. "星艦"飛船級設計采用升力式與垂直起降相結合的復用方式。"星艦"從軌道返回時以60°傾斜的姿态及25馬赫的速度"躺着"進入大氣層,利用2個鼻錐上的鴨翼和2個尾部氣動舵,盡可能最大限度地利用空氣制動,精确引導下降。最終,在接近地面時進行一次大幅機動,借助反作用控制系統(RCS)和"猛禽"(Raptor)發動機進行姿态翻轉,從水平狀态調整到垂直狀态,再利用垂直起降技術實現垂直降落,由發射塔機械臂捕獲和回收。
最後,基礎設施方面,SpaceX有4座發射場可用,第5座在建。包括向美國政府租用的佛羅裡達州卡納維拉爾角空軍基地40号發射場、加利福尼亞州範登堡空軍基地4号發射場、佛羅裡達州肯尼迪航天中心39号發射場,自建的德克薩斯州布朗斯維爾博卡奇卡發射場。以及第5座在建的佛羅裡達州肯尼迪航天中心LC-49号發射場。
4座發射場縮短了發射間隔,保障了星鏈的發射頻率。2023年11月初, SpaceX發射了第119批Starlink衛星,發射總數目達到了5399顆,平均每3.92天完成一次,馬斯克表示預計2023年剩下的3個月每月發射10次以上。2024年的發射頻率将提高至每月12次,全年計劃發射次數達到144次。
目前,Starlink宣布已覆蓋全球七大洲、60多個國家和更多市場,連接了超過200萬活躍客戶,預計在2023年底用戶數将升至350~400萬。2023年11月,馬斯克宣布,Starlink項目已實現現金流平衡。
四、中國版"星鏈"的進程
據調查,世界的互聯網普及率約為64.5%,仍有約28億人口尚未聯網。分區網域看,歐洲、北美、南美的互聯網普及率超過了80%,超世界平均水平,但是南亞、非洲的互聯網普及率不到50%,低于世界平均水平。
傳統地面通信網絡在海洋、沙漠及山區偏遠地區等苛刻環境下鋪設難度大且運營成本高,衛星互聯網是可實現單一組網全球覆蓋的唯一路徑。
由于衛星制造和發射的成本逐漸降低,使得其為世界上仍舊不能夠上網的28億人提供衛星互聯網服務成為可能。
衛星通訊需要占用頻段。根據國際電信聯盟(ITU)的規定,衛星頻率及軌道使用的規則是"先到先得"。而300~2000km的低軌道範圍大概能夠容納5.8萬顆衛星,2029年預計将部署約5.7萬顆。軌道和頻譜成為各國加緊布局以期獲得先發優勢的重要戰略資源。
由于頻段資源有限,ITU同時規定了削減規則:在提交申請後的7年内必須發射第一顆衛星,并在投入使用的監管期結束後2年内發射10%的衛星,5年内發射50%,再7年内全部部署完成,若未按時達到要求,則被視為放棄相應的資源所有權。
也就是說,從首次申請開始,14年内必須全部發射完畢。
1970年4月24日,我國發射了"東方紅1号"。1984年4月8日,我國發射了第一顆有實用價值的通信衛星"東方紅2号"。但是,從技術的角度(轉發器數量、轉發能力、使用工作壽命等)來看,仍和國外先進水平存在很大的差距。
1997年5月12日,東方紅3号衛星在性能和技術水平方面,達到了國際同類通信衛星的先進水平。
2017年,成功發射了首顆完全自主研發的高通量衛星中星16号,成為繼美歐等少數發達國家和地區後掌握Ka頻段寬帶通信技術的國家。
2020年,發射亞太6D衛星,2022年發射中星19号。
2023年2月23日,發射首顆超百Gb/s容量的高通量衛星中星26号,建成首張覆蓋國土全境及"一帶一路"重點地區的高軌衛星互聯網。
截至2022年底,全球在軌航天器數量達7218個。美國4731個,歐洲1002個,中國704個,美歐高軌通信衛星數量全球領先,美國低軌通信衛星領跑全球,中國大中型遙感衛星、導航衛星數量位居世界第一,但中低軌通信衛星數量顯著低于美歐。
2015年,航空航天行業對民營企業放開,2020年,發改委将"衛星互聯網"列入"新基建"名單。2021年4月28日,組建新央企中國衛星網絡集團有限公司(星網)負責統籌規劃衛星互聯網發展,中國"星鏈"事業進入加速階段。
2022年2月,星網集團的"星網工程"(GW)正式立項,計劃在500km以下的極低軌道6080顆衛星(GW-A59子星座),在1145km的近地軌道部署6912顆衛星(GW-2子星座),共部署12992顆衛星。
從星網向ITU提交檔案的時間來看,預計會在2027年11月前完成部分衛星發射并驗證通信。
但與SpaceX相比,中國的衛星行業或許存在以下掣肘:
第一,通信衛星的進入門檻高。
衛星通信屬于資金、技術密集型產業,在國内依然屬于高度管制的行業,需要獲得工信部牌照才可以展開商業經營活動。牌照主要包括了電信業務資質和無線電頻率使用許可。目前衛星產業以體制内公司為主,盡管2015年允許民營資本進入航天產業,但在具體發展方向上仍然存在隐性限制。
其一,民營企業只能制造500公斤以内的衛星,超過500公斤必須要軍工三證,因為是按武器管理;其二,政策沒有規定民營企業不允許做通訊衛星,但民企拿不到通信牌照。窄帶牌照要51%國資才可能申請到,寬帶牌照只有星網1家有。
政策限制有逐步放寬的傾向,但細則尚不明晰。
2023年1月17日和10月7日,工信部分别發布了《關于電信設備進網許可制度若幹改革舉措的通告》和《關于創新信息通信行業管理優化營商環境的意見(征求意見稿)》,拟放開衛星互聯網設備進網許可管理,分步驟、分階段推進衛星互聯網業務準入制度改革,不斷拓寬民營企業參與電信業務經營的渠道和範圍,但具體的業務領網域和進入條件細則尚不清晰。
第二,衛星制造成本相對較高。
由于流水線生產、規模化制造,Starlink的單顆衛星成本可以做到100萬美金以下,馬斯克自己曾經說,未來可以降到50萬美金。因此,Starlink的單星成本在350~700萬人民币左右。
但中國過去主要發射中高軌衛星,中高軌衛星的發射成本和性能要求使得我們更追求可靠性,3顆高軌衛星即可覆蓋全球,因此也沒有批量化的生產需求。
傳統衛星的生產方式更多的是固定站位式生產,幾個工程師完成上千道工序,且元器件、組裝、發射前需要經過大量的測試,由于產業集聚度不夠,有的衛星甚至需要異地測試,所以一顆衛星從組裝到發射,需要8~10個月時間,單顆造價在3000萬人民币左右,人工費用+制造費用占比約50%上下。
制造成本未來有希望壓降,但依然高于Starlink。
随着國内星座計劃的推進,長三角"G60"科創走廊九城市共同發布的"G60星鏈"計劃以上海松江為龍頭,建設長三角首個衛星制造的"燈塔工廠",加快集聚產業鏈上下遊企業,打造國内首個衛星互聯網產業集群。正式投入使用後,產能預計将達到300顆/年,生產周期縮短80%,單星成本預計下降35%。
2023年,重慶兩江新區也以"重慶數創園"為核心承載體,創建國家級衛星互聯網產業創新中心,推進衛星互聯網產業發展。
第三,火箭發射成本相對較高。
SpaceX通過增加火箭運力、一箭多星和火箭回收技術,大幅度降低火箭發射成本。獵鷹9的衛星發射成本0.22萬美金/kg,25萬美金/顆,國内的火箭發射6~10萬/kg,大概是SpaceX的4~7倍。
但也有文章分析說,中國"長征"系列火箭執行低軌任務整體發射服務價格水平與"獵鷹"9火箭相當,低于其他主流一次性運載火箭。且執行高軌任務發射服務價格整體低于國外運載火箭。
無論當前的價格孰高孰低,"星艦"作為SpaceX最新一代的重型運載火箭,其設計最大運載能力達150噸,相較于獵鷹9(最大運載能力22.8噸)和獵鷹重型火箭(最大運載能力64噸),運載能力實現數倍提升。
如果"星艦"成功,未來星艦的價格可以降低到10美金/kg,遠低于中國。
所以,如果未來中國想在火箭發射價格上有競争力,必須提升單箭運力,并攻克火箭回收技術。
我們的火箭發動機性能與獵鷹9号沒有代際差異。單台梅林發動機的海平面推力為845千牛。2023年4月成功首飛的天龍二号遙一運載火箭,是全球首次采用煤基航天煤油作為燃料飛行的液體運載火箭,單台發動機最大海平面推力為835千牛。
發動機重復啟動和精準控制是回收技術的兩個重要的難點。
航天科技集團長八火箭研制團隊也已經在着陸緩衝機構、低空低速的返回段制導、自主控制等火箭一級回收技術領網域做了試驗,後續将在回收關鍵技術進一步突破瓶頸。
2023年8月,民營企業深藍航天的液體運載火箭"星雲-1"配套的液氧煤油發動機"雷霆-R1",在地面試車台取得了全飛行時序三次起動整機試車成功,為重復啟動積累了技術經驗。
2023年11月,民營企業星際榮耀的"雙曲線二号"驗證火箭,成功進行了200米低空首次垂直起降飛行試驗,實現液體火箭全尺寸一子級的垂直起降與重復使用飛行試驗。
2024年,深藍将擇機完成"星雲-1"運載火箭的首次入軌發射-回收任務。
但從技術突破到成熟的產業化應用,仍有非常長的一段路要走。
第四,火箭發射場地資源不足。
SpaceX有4座發射場,且第5座也正在建設中。4座發射場縮短了發射間隔,保障了星鏈的發射頻率,每個月甚至可以發射10次以上。中國的民用衛星要使用軍用發射場發射,每次發射後發射架的維護時間要14天左右,二者共同拉長了發射周期。
中國也在加大商業航天發射場地資源的建設,在傳統的軍事/商業共用發射場之外,2022年6月,又在海南文昌啟動中國第一個商業航天發射場建設。預計該發射場建成投產後,将具備密集發射能力,進一步提升我國民商運載火箭發射能力。
五、SpaceX難以復刻
SpaceX的實力有目共睹,但它卻難以復刻。
首先,馬斯克這樣的創始人難以復刻。
其一是馬斯克本人的經歷、專業背景、創新精神難以復刻。其二是馬斯克的物質基礎難以復刻。比如,馬斯克首次創業PayPal成功,即套現1.65億美金。所以在二次創業SpaceX和Tesla等企業時,本身已經财富自由,所以不怕失敗。
由于航天是硬科技,一般投資人看不懂,中國的商業航天剛開放,沒有前車之鑑。所以國内的民營航天企業本身就很難拿到錢,由此特别害怕失敗,失敗一次可以,失敗兩次,可能就活不下去。
其次,歷史機遇和外部環境難以復刻。
SpaceX繼承了很多90年代的銥星計劃的技術遺產,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。NASA在運載火箭研制、發動機建模、增材制造等很多方面為SpaceX提供了技術支持,并在2008年生死存亡之際獲得NASA的一筆15億美元訂單,這才度過危機,此後NASA又陸陸續續将不少發射任務都交給SpaceX。
而SpaceX在美國也很容易招到渴望創新的航天人才,目前已是7000多人的大公司,而國内的民營航天企業最多也就300多人。
在戰略層面,SpaceX的火箭發射、Starlink計劃,實際上契合了美國的太空戰略——将近地軌道交給商業航天,核心研發力量集中在外太空探索。
雖然SpaceX難以復刻,但近五年,我國逐漸放寬市場準入,在頂層設計上加強和優化協調統籌,未來的後勁很足。只要我們能在制造發射端降本增效,在運營應用端充分開發市場需求,不需要超越和復刻SpaceX,也可以走出自己的生存繁榮之路。