美国太空探索技术公司发展启示

郭今昌 （中国航天科工信息技术研究院）

美国太空探索技术公司发展启示

Enlightenment of the Development of SpaceX

郭今昌 （中国航天科工信息技术研究院）

太空探索技术公司（SpaceX）作为当代“商业航天发射”的典范，正一步步把“商业航天发射价格降到目前的10%甚至更少”、“人类廉价往返太空”等振奋人心的目标拉向现实：从2015年12月首次火箭回收成功至2017年1月14日，已经成功回收7枚火箭。2017年1月14日，猎鹰-9（Falcon-9）以“一箭十星”方式发射“下一代铱星”（Iridium NEXT）并成功回收火箭（发稿前，猎鹰-9又成功发射2次）；2016年11月,该公司向美国联邦通信委员会（FCC）递交申请，计划发射包含4425颗卫星的庞大星座；2018年将完成人类再次进入月球轨道的壮举。SpaceX公司为整个航天事业及其商业化发展提供了无限的想象空间，而其能够稳步而快速发展背后的深层次因素更值得我们分析和思考，以期为我国航天事业的发展提供思路。

1 SpaceX公司的成长历程—十几年磨剑，历经失败

目标明确：立志创新，造福人类

伊隆·马斯克（Elon Musk）是SpaceX公司的首席执行官兼首席技术官，他同时也是美国最大的网上支付公司贝宝公司（PayPal）、电动汽车公司特斯拉公司（Tesla）、太阳能城市公司（Solar City）的CEO，是互联网、清洁能源和太空等多个高新技术领域的投资人。

2001年，伊隆·马斯克策划了“火星绿洲”项目，计划把小型实验温室降落到火星上，但是，昂贵的发射成本迫使他暂缓了项目。2002年，他个人注资1亿美元成立SpaceX公司，目标是把火箭发射成本降到目前商业发射市场的1/10，并研制世界最大的火箭用于星际移民。

攻克核心技术，建立分级产品体系

SpaceX公司设计了可部分重复使用的猎鹰－1、9运载火箭等，提供发射服务，同时设计了“龙”（Dragon）飞船系列航天器为空间站提供运输服务。

猎鹰-1火箭是世界上第一个使用私人资金研制的液态运载火箭，一级火箭使用1台“灰背隼”（Merlin）发动机，二级使用一台“红隼”（Kestrel）发动机，其每次发射只要670万美元。第一级火箭利用降落伞减速降落至海面，实现重复使用。

猎鹰－9火箭采用二级火箭设计，确保把卫星、“龙”飞船等安全可靠地送入轨道，一级火箭采用9台发动机。近地轨道运载能力达13.1t，地球同步转移轨道运载能力达4.85t。其发射成本目前约6000万美元。2012年10月7日，猎鹰－9火箭成功发射“龙”飞船，第一次承担“国际空间站”（ISS）运货任务，开启了私营航天的新时代。

重视核心技术及工程试验，从失败中积累经验

1）火箭基本型研制历经失败。在获得美国航空航天局（NASA）支持并获得“阿波罗”（Apollo）登月成熟火箭发动机等关键技术的条件下，基本型猎鹰－1的研制过程也非一帆风顺：第一次发射推迟1年，经历2006－2008年连续3次发射失败，2008年9月28日，取得火箭发射成功，2009年第5次发射完成“马来西亚卫星”（RazakSAT）的发射任务。

2）火箭发射任务中屡次受挫。2014年8月23日，在美国德克萨斯州麦格雷戈（McGregor）发射场的一次试飞中，1枚猎鹰－9R火箭在空中爆炸。2015年6月28日，猎鹰－9进行第7次运货任务时爆炸解体。

3）核心技术高频次试验。为测试验证火箭回收利用的垂直起飞垂直降落（VTVL）核心技术，专门设计“蚱蜢”（Grasshopper）火箭开展试验，共进行了8次飞行试验，经历一系列失败而逐步成功。

4）海上回收试验屡败屡战。猎鹰－9火箭海上回收试验从2013年9月29日起，相继于2014年4月18日、2015年1月、2月、4月，2016年1月17日、2016年3月5日均以失败告终，最终于2016年4月8日成功。以上试验还经历了5次火箭在返回途中爆炸。

走向成功，逐步占领各类市场

1）商业发射。猎鹰－9于2013年12月4日，第一次成功发射商业卫星——欧洲卫星公司-8（SES-8）；2015年3月1日，成功发射全球第一颗全电推通信卫星；2016年3月5日，成功发射欧洲卫星公司-9。

2）国际竞争力。2013年6月22日土库曼斯坦首颗人造卫星发射与中国长城工业集团公司等竞标获胜。其发射服务价格不仅远低于波音公司（Boeing）、洛马公司（LM）等大航天公司，也能够低于劳动力相对廉价的中国。

3）回收技术核心竞争力。2015年12月21日，猎鹰-9火箭成功发射11颗二代轨道通信卫星-OG2（Orbcomm-OG2），一级火箭成功从地面回收。2016年4月8日，在成功发射“龙”飞船后，海上平台回收试验获得成功。

2 SpaceX公司发展的有力保障—政府扶持

SpaceX公司的成功被看作是“私营体制+商业模式”创新的成功，事实上，其背后得到美国政府的全力支持，包括核心技术注入、资金投入、资源输入、合同任务保证、发射保障支撑、商业航天政策等支持不一而足。

1）技术注入。在美国航空航天局的支持下，“猎鹰”火箭使用了很多美国航天工业已经成熟的技术：“灰背隼”火箭发动机来自美国“阿波罗”登月级，已使用几十年，几乎不用考虑可靠性问题。没有政府的技术开放，火箭最关键的心脏——发动机，也不是短短几年就可以做好的。

2）人力、技术资源投入。美国航空航天局不仅开放了“阿波罗”登月和航天飞机研发的大量技术报告、成熟技术。还把核心技术骨干派到SpaceX公司，包括：美国最大发动机制造商汤普森·拉莫·伍尔德里奇公司（TRW）的液体推进专家汤姆·穆勒（Tom Mueller），他设计制造过世界最大的火箭发动机；波音公司的蒂姆·布萨（Tim Buzza），他做过15年“德尔他”（Delta）火箭测试主管；麦道飞机公司（McDonnell-Douglas Corporation）的克里斯·汤普森（Chris Thompson），他是“大力神”（Titan）火箭的首席设计师等。

3）公共资源投入。火箭发射不仅仅是火箭研发制造本身，还包括地面系统、发射场地、测控通信、气象监测和预报等。美国航空航天局允许他们使用测试台架，美国空军给他们提供了测试场地，同时也得到遥测遥控和气象等各方面的支持，这些系统的建设都不是私营公司能承担得起的。

4）资金投入。到2012年，美国航空航天局一共为之投资了约4亿多美金。

5）合同任务保证。SpaceX公司参与了美国商业航天发展的“商业轨道运输服务”（COTS）第一阶段项目，2006年8月18日赢得了2.78亿美元合同。2008年4月22日，美国航空航天局授予其一项价值2亿～10亿美元的柔性发射服务合同，使用“猎鹰”火箭在2010年6月30日－2012年12月之间进行一系列发射，根据发射任务和次数确定最后的合同金额。至此，公司得到14份发射订单。2008年12月，公司获得美国航空航天局正式的商业补给服务(CRS)合同，价值16亿美元，含12次货运发射服务。2010年6月，公司获得一笔商业合同，使用数枚猎鹰－9火箭发射“下一代铱星”（Iridium NEXT），总价值4.92亿美元。2011年4月又得到商业客运开发第二阶段的7500万美元合同。2015年11月25日，获得美国航空航天局订单，将于2017年（可能推迟到2018年）发射载人型“龙”飞船运载航天员前往“国际空间站”。截至目前，持有30多份发射订单。这些合同既保证SpaceX公司的顺畅运营，也带给投资者及客户对SpaceX公司的信心。

6）政策支持。2004年，美国总统小布什推出“星座”（Constellation）计划，美国航空航天局退出地球轨道发射任务，全面转向深空，地球轨道运输转交商业公司，“商业轨道运输服务”应运而生，SpaceX公司因此得益。奥巴马总统上台后继续布局商业航天的发展，接见SpaceX公司人员，表达政府对商业航天公司发展的支持。

离开美国政府等的支持，完全依靠自己的力量或纯粹的商业化运作，SpaceX公司不可能有今天这样的发展。

3 SpaceX公司成功的基石—核心技术

火箭发动机技术

航天发展的瓶颈在火箭，火箭研发的瓶颈在发动机。SpaceX公司发动机整体设计源自汤普森·拉莫·伍尔德里奇公司，并对其进行优化，目前已具备独立研发火箭发动机的能力，可自主设计、测试和制造多型火箭发动机，如“灰背隼”、“红隼”和“天龙”（Draco）等。

“灰背隼”发动机，早在20世纪60年代开发，但堪称世界最轻，仅440kg，推重比世界第一：达160，推力原设计达556kN，现在已达800kN。采用液氧/煤油，在开式循环液氧/煤油发动机中比冲最高，达306s，目前改进型的比冲达到345s。灰背隼-1D是迄今为止最高效的火箭发动机。由于采用传统的燃气发生器循环，发动机芯级体积较小，猎鹰-9一级在3.36m直径空间安装了9台“灰背隼”发动机。最新的“猎鹰重型”（Falcon Heavy）火箭，采用27台“灰背隼”发动机，低地球轨道（LEO）运载能力可以达到53t。

1）火箭结构设计。采用超轻质化设计,全储箱采用高强度的2195铝锂合金，半球储箱设计，整流罩级间采用C-C复合材料，制导、导航与控制（GNC）采用商业化组件。火箭干质比达到：一级20，二级27。

2）火箭制造工艺。采用成熟技术与设备，例如火箭制造使用民间出售的搅拌摩擦焊机。采用该技术，波音公司的德尔他－4火箭助推器，比原工艺节约成本60%，制造周期由23天减至6天。

3）着陆支架。底部加支架便于着陆，着陆器支架采用最先进的碳纤维加蜂窝铝材料制造，兼顾自身质量和载荷能力。

高精度姿态控制技术

在垂直返回过程中，由于猎鹰－9没有采用专门为回收设计的气动外形，火箭体长径比大，垂直回收难度很大。SpaceX公司将之比喻为一支铅笔飞跃帝国大厦楼顶后，精确降落到一块漂浮的橡皮上，而且不倒。海上回收还受风浪影响，足见对箭体姿态控制精度的要求之高。

推进剂管理技术

1）剩余燃料管理技术。在燃料管理技术上，同样出色，能做到使用开式循环液氧/煤油发动机的猎鹰－9，运载系数与使用高压补燃循环液氧/煤油发动机的天顶－2（Зенит-2）火箭不相上下。

2）推进剂交叉输送技术。使用推进剂交叉输送技术前，“猎鹰重型”火箭的低地球轨道运载能力约45t，增加该技术后，可把两侧助推器的燃料转移到中央推进器，使其在两侧助推器分离后保持几乎满燃料状态，运载能力进一步增加到53t，这个运载能力远高于各国现有运载火箭的运力，约是美国航天飞机的2倍。

回收相关技术

1）火箭回收总体方案。对于火箭回收的3种方式：降落伞式、垂直降落式和翼式。猎鹰-9采用了垂直降落式，是对后续回收使用较为有利的方案，避免降落伞方案对箭体过载的危害等。

2）可重复使用技术。按航天飞机等重复使用的经验，综合考虑安全性、可靠性、技术实现难度、维护成本等，预计“猎鹰”火箭可重复使用10～20次，基本满足成本降低一个数量级的目标。

其他与回收相关的技术包括：主发动机的多次启动技术、大范围变推力技术、再入过程中多发动机推力调整技术、推进剂灵活管理技术等。

4 SpaceX公司发展的启示—技术与创新

掌握核心技术

1）核心技术自主可控。核心、关键技术自主可控是SpaceX公司能够稳步成功，并做到商业成本可控、质量风险可控，做出有竞争力的产品的基石。20世纪末，我国曾因航天产品关键部件受美国制裁，整星研制受到影响。至今，许多关键器件、组件仍需要付出高昂的成本，成为我国航天产品高成本的原因之一。自主掌握核心技术，实现配套产品、部组件、元器件、工艺等自主可控，不仅是突破国际政治环境的需要，也是提升商业航天竞争力的需要。

2）突破封锁的关键是掌握核心技术。中国在国际商业市场的竞争力同时受到《美国国际武器贸易条例》（ITAR）等政策的限制：即禁止美国制造或含有美国制造部件的卫星用中国火箭发射，表面看似乎是政治因素。但是，类似例子对俄罗斯无效：美国因乌克兰问题，全面禁止美国的火箭使用俄罗斯的发动机核心部件，但美国目前却不能生产出替代俄罗斯RD-180发动机的产品，在政治矛盾极其尖锐的条件下，美国政府照样继续允许采购使用俄罗斯的核心部件—火箭发动机。

3）善于利用他国先进技术。SpaceX公司也不仅仅利用美国的成熟技术。为实现航天技术的小型化和通用化，2005年1月，其购买萨瑞卫星技术公司（SSTL）10%的股份，充分利用他们的技术。搅拌摩擦焊技术是英国焊接研究所（Welding Institute）于1991年10月申请专利的技术，波音公司于1998年引进用于火箭制造。

提升创新、风险管理和国际竞争等理念

1）创新思维是引领成功的基石。伊隆·马斯克远大而坚定的火星梦，以及强大的意志力，是其成功的重要因素，他的创新思维在公司走向成功的过程中发挥了重要的引领作用。我国在互联网+、新能源汽车等新技术方面，在引进吸收再创新上取得了一定的成功。不过，中国传统文化讲究中庸，有个性、有抱负等特质，有可能被认为不守规矩而遭到排挤和打压。因此，更加需要多为创新引领者打气，激励创新思维迸发，营造原始创新氛围。

2）直面航天高科技风险，容忍失败。SpaceX公司多次航天试验都进行现场直播，被誉为当今世界最透明的航天公司。在直播中，人们既看到成功，也目睹了失败。这样做并没有使人们失去对航天从失败走向成功的信心，反而增加了对航天发展艰难和高成本的理解。相反，我国航天事业面临了更多必须成功的压力。如何正确认识航天事业的高风险，综合协调可靠性与成本间的平衡点，在非载人类空间任务中尤其值得思考。

3）正确认识SpaceX公司对我们的竞争威胁。美国、欧洲等是我国航天领域传统的竞争对手，我们通过地域政治影响力、价格优势等取得了一定的国际商业宇航市场份额。SpaceX公司的成本优势将使我国航天国际竞争承受更大的压力。但分析其崛起背景和发展目标，其低价并非针对中国而来，更多的是针对波音公司和洛马公司等大型航天公司的垄断。

加速运载火箭回收和重复使用试验研究

SpaceX公司的火箭回收技术并非原创，早年苏联、德国等国家就进行过重复使用技术的试验，美国航天飞机更是成功的实践者，然而，限于当时的技术条件最终弃用。随着技术的发展与方案的改进，原先难度大的方案在逐步可行。我国返回式卫星和飞船返回均采用降落伞式，基于降落伞式的火箭回收利用技术是我国最易达成的方案。基于垂直起飞垂直降落的运载技术，我国目前仍然在仿真与方案设计论证阶段，随着技术发展，值得对此进一步加强投入。

逐步引入民间资本投入航天事业

1）吸引民间资本加入航天发展。航天是高投入、高风险的行业，世界各国无一例外都是在政府的直接支持下发展。民间资本进入航天产业无疑会对国家投入形成有力补充，SpaceX公司的成功成为各国民间资本投入航天发展的风向标。

2）引导民间资本的投入方向，打牢航天事业发展基础。我国众多企业加入航天的目标是分享航天技术发展成果，主要从事准入门槛相对较低的航天领域。相反，SpaceX公司从开始就立足高远，在商业卫星发射主战场、在空间站运输任务等重要领域取得突破，并瞄准人类移民外星球的远大目标。

事实上，在我国的航天领域还有很多值得投入之处：航天技术应用产业在整个航天产业链中份额最大，而我国的卫星通信、卫星导航、卫星遥感等应用领域依然落后发达航天国家很多。在卫星、火箭制造等领域，许多单项产品技术、核心技术、关键技术等差距仍然很大，乃至于制约着我国卫星、火箭的总体性能，而这些部组件产品、技术有不少都是利润空间巨大的产业。引导民间资本投入这些领域，或者基础产品创新领域，也必将对我国的航天事业长远发展、商业竞争力的提升等发挥更加有力的促进作用。

3）统筹规划外层空间的开发利用。外层空间是出入地球的必经之路，空间频率、轨位是有限的资源。长远看，在政府的引导下有序规划、开发、利用外层空间，更有利于人类航天事业的长远发展。

从整体发展看，通过私人投资项目、商业投资项目和国家投入项目之间形成相互补充，相互促进，减少重复投入，也能达到行业整体最佳的投入产出比。

5 结束语

航天产业化、商业化发展为航天事业发展注入了新的动力。SpaceX公司的成功为航天事业的创新发展建立了典范。伊隆·马斯克的创新思维和奋斗精神、美国完善的航天工业基础、政府对航天发展的支持、私营企业高效的管理体制、优秀的航天人才团队、核心技术和关键技术的支撑等，SpaceX公司的成功离不开上述任何一个因素。可以说SpaceX公司的成功既是美国航天综合实力的体现，也是在美国航天核心能力保障下的成功。

因此，既要鼓励民间资本投入航天的产业化发展，更要鼓励他们投入航天基础创新、产品创新、应用创新等领域，推动我国航天事业的创新和长远发展。SpaceX公司发展的冲击波，应使我们更加全面认识世界全方位的航天发展形势。在新形势下，要加强统筹协调，制定新的航天发展战略规划；加强顶层设计，发挥重大专项的牵引作用；加强航天核心能力建设，促进航天事业的整体和长远发展。