“星链”卫星低成本建设因素及方法研究*

季鹏飞，张煜晨，华松逸，余炳晨

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214035）

2023 年4 月20 日，美国SpaceX 公司的重型运载火箭“星舰”从美国德克萨斯州起飞，装载了4 500 多t 推进剂，但在起飞3 min 后发生爆炸，导致飞船未能进入预定轨道。SpaceX 公司首席执行官马斯克在推特上表示，通过这次任务，为几个月后的下一次试射吸取了教训。虽然发射失败了，但必须承认，从设计理念和技术上来说，“星舰”确实是一种突破性的火箭。当它成功测试时，无疑将代表人类太空新时代的到来。这是因为它的可回收性和可重复使用性，以及将火箭上层直接用作巨型航天器，正是当今人类空间技术的梦想。因此，必须说，这枚巨型火箭无论在概念上还是在技术上都具有革命性的意义，备受期待[1]。

在美国商业航天政策的指导下，SpaceX 公司坚持简单、低成本、高可靠性的运营模式，不断探索和实践，大幅降低了研发周期、研发成本和发射价格，改变了传统的航天市场格局，并创造了商业发射市场单次有效载荷发射价格最低、首次回收火箭主体重新发射、现役发射能力最强的火箭等一系列成果。其持续实施的低成本战略取得了成功，累计获得来自美国国家航空航天局等数十亿美元官方订单或资金，以及大量商业发射服务订单。自2007年以来，SpaceX 公司一直保持盈利[2]。SpaceX 公司在发展过程中，采取了一系列先进的互联网模式，例如加快产品迭代、引进外部投资、科学的项目管理以及扁平化的产业结构等，在成本支出、技术创新以及运行效率等许多方面取得了一定的竞争优势。从某种程度上来看，也对我国航空航天事业的发展具有重要的指导意义。

1 “星链”卫星发展现状

在2015 年时，SpaceX 公司正式提出了“星链”计划，旨在建立可以实现全球化覆盖的宽带卫星通信网络。该计划包含的卫星数量大约为42 000 颗，在多条近地轨道上分布，一般在550～1 325 km 范围之内。该计划可以细分为两个阶段：第一阶段又包含了三个时期，其一，计划发射的卫星数量大约为1 600 颗，为加拿大以及美国北部地区提供服务；其二，计划发射的卫星数量为2 825 颗，旨在实现全球联网的发展目标；其三，计划发射的卫星数量为7 518 颗，并构成星座的形式，为全球互联网的运行提供服务。第二阶段计划在328～580 km 的近地轨道发射和部署3 万颗“星链”卫星。从2019年5 月开始，实施的发射任务共计65 批。经调查后发现，截止到2022 年末，已发射的卫星数量共计3 558 颗，实现了25 个国家及地区的网络覆盖。在2020 年11 月时，正式推出了“星链”服务，自此之后，该服务实现了许多国家的全面覆盖，包括美国、加拿大以及英国等44 个国家，发展模式基本完善。全球活跃用户已超过100 万个，预计收入已达300 亿美元[3]。

SpaceX 公司负责设计与制造主火箭“猎鹰”9 号，能够重复使用芯一级与整流罩。芯一级重复使用纪录最多为14 次，整流罩重复使用纪录最多为6 次。未来，SpaceX 公司计划使用“星舰”作为“星链”计划第二阶段的主火箭，该计划具有完全重复应用的条件。

2 SpaceX 公司低成本因素及方法分析

2.1 低成本因素分析

1） 公司设立初衷是以盈利为目的。传统的航天机构主要是政府资助的国家行动部门，旨在实现国家意愿、战略或军事航天活动。传统航空航天机构受到管理、技术、效率和垄断等多种因素的制约，导致成本高。在市场需求的驱动下，新型商业航空航天公司以盈利为目标，主要由非政府组织或个人投资。在继承现有空间技术的基础上，通过不断竞争和创新，逐步发展出效率更高、成本更低、技术更加成熟可靠、经济效益更高的空间技术。正是由于高昂的发射成本阻碍了商业太空飞行服务的普及，因此降低成本正是SpaceX 成立的商业意图之一。

2） 政府全方面支持有利于商业航天企业成长。在2004 年时，美国国家航空航天局正式宣布，不再参与地球轨道发射任务，并将目标放在深空领域，而将地球轨道发射任务使命交给商业公司，因此也为商业航天企业的发展创造了许多条件。与此同时，美国政府也出台了一系列的法律法规与政策文件，旨在促进商业太空活动的规范化发展，并且引导美国国家航空航天局扩大商业太空领域的发展规模[4]。

为了呼吁更多商业航天企业参与到这项市场竞争中，并减少近地轨道探测活动的成本，美国国家航空航天局先后推出了广泛的资助项目。SpaceX 公司在市场竞争中十分活跃，收获了大量的资金支持，同时也签订了许多巨额订单。从技术方来看，企业接受美国国家航空航天局的技术转让，要么租用，要么免费使用大量的基础实验设施，节省了许多成本费用。

3） 成功的内部管理节约了大笔资金。首先，采用低成本的设计理念，具有一定的简单性与可靠性。从工程设计方面来看，所遵循的是“通用化、系列化、模块化”的发展宗旨，以迭代开发流程为依托，在多模型任务之间重复使用不同组件，不但可以减少成本支出，而且同时也缩短了研发周期，提高了工作效率。

其次，采用扁平化的管理结构。首席运营官与首席技术官均由马斯克担任。不仅公司内部没有典型的部门划分，而且也不具备组织结构图。全体员工均可以参与到项目的研发以及技术讨论等各个环节中。

最后，采取自主化的生产模式。在制造层面，既充分利用搅拌摩擦焊等成熟的工业技术生产储罐，又利用3D 打印等新型技术生产阀门。在测试层面，设立了推进和结构测试实验室，面积达到242 hm2，为测试活动创造了许多便利条件。在发射场方面也具有许多优势，不仅具有3 个发射场，甚至还在探索其他更多的发射场，以实现发射任务的快速周转[5]。

2.2 成本控制方法

1） 研制低成本、可重复使用、高性能发动机。为了弥补资金预算的不足，企业在设计与研发领域取得了突破性进展，所开发的发动机具有低成本、高性能以及可重复使用的特征。在此过程中，与美国国家航空航天局展开了业务上的合作，再一次发挥出了发动机的作用价值。历经无数次的迭代升级之后，终于研发出了梅林1D 液氧煤油发动机，这项技术在世界上遥遥领先，并起到了巨大的应用效果。随后，又研发出了“猛禽”全流量分级燃烧液氧甲烷发动机，不仅有着明显的应用效果，而且技术十分先进，因此一经推出后便在全球引起了巨大的轰动。

2） 发展高可靠性、低成本的可重复使用航天器。在对可重复使用设备进行开发时，最为重要的就是要具有低成本以及高可靠性的特点。自从SpaceX 公司研发出“猎鹰”系列火箭之后，始终以此为发展目标，在提高可靠性以及减少成本的同时，实现可重复使用的发展需求。随着科技水平的提高，各项技术不断更新迭代，相继推出了多个类型，比较具有代表性的包括“猎鹰”1 号、“猎鹰”9 号以及“重型猎鹰”。在国际市场上，“猎鹰”系列火箭在可靠性、成本以及运载能力等许多方面均遥遥领先，因此也奠定了其不可撼动的地位。当前，企业正致力于研发重型运载火箭“星舰”，不仅可以做到可重复使用，而且还具有完全可回收的功能。一旦成功推出之后，将会极大程度地减少所需要的发射成本。具体可参考国际主要卫星互联网计划运载火箭对比表，见表1。

表1 国际主要卫星互联网计划运载火箭对比表

3） 内部垂直整合生产。企业为了减少成本费用的支出，设计了科学健全的成本控制计划，尽量由企业内部研发制造火箭与航天器所需的各类部件。正是因为采用了内部垂直整合生产方式，才可以达到成本控制的目的，同时也可以减少外部采购带来的风险问题，尽可能地提高质量控制水平。为了能够缩短整个生产线流程，在进行产品制造时，尽量在一条生产线上操作。除此之外，在霍桑工厂集中了大量的生产环节，能够对信息资源进行实时共享，提高信息反馈效率，减少各个环节的成本支出。SpaceX 公司生产大约90%的火箭部件；而对于波音公司与洛克希德·马丁公司来说，若想制造火箭的话，则必须要与12 000 家供应商共同合作，方可实现。

4） 在成熟技术基础上不断创新。SpaceX 公司在成熟空间技术的基础上，不断进行技术创新，牢牢掌握核心技术。自主研发了“猎鹰”运载火箭的发动机、制导系统和低温储罐，并不断创新和更新。在梅林发动机的基础上，不断独立设计、改进和制造火箭发动机。最新版本的梅林发动机实现了极高的工作效率，有效提高了其承载能力；通用核心级模块并行捆绑技术采用多引擎功率冗余技术，可靠性高；通用核心级模块回收再利用技术可以显著降低发射价格。与此同时，SpaceX 公司大量利用成熟商业技术，具有高可靠性和低成本。例如，“猎鹰”火箭使用普通ATM 机中价值5 000 美元的计算机来取代航空航天专用计算机，极大程度地减少了成本支出；在导航与控制系统方面，则是基于商用Linux 操作系统实现了开发设计，采用的商用电子元件也十分完善。

3 低成本建设手段实施效果分析

通过对“星链”计划进行研究后发现，该计划包含的卫星数量共计为4.2 万颗，其中第一阶段的卫星数量共计为1.2 万颗，第二阶段的卫星数量为3 万颗。以“猎鹰”9 号为例，每次发射的“星链”卫星数量为60 颗；星舰每次发射的“星链”卫星数量为400 颗，则可保证全部卫星维持正常的运转状态。考虑两种情景。其中，情景1 是指“猎鹰”9 号执行“星链”计划所有发射任务，情景2 是指“猎鹰”9 号执行“星链”计划第一阶段发射任务，“星舰”执行“星链”计划第二阶段发射任务，计算可得两种情景所需要的发射成本，见表2。其中，“重复使用”可简称“复用”。以下分别对两种情景予以具体分析。

表2 两种情景所需要的发射成本对比

1） “猎鹰”9 号执行“星链”计划所有发射任务。在测算过程中，所制定的方案主要有3 种，分别是：第一种方案利用一手“猎鹰”9 号进行发射；第二种方案利用芯一级复用10 次，整流罩复用2 次进行操作；第三种方案则是选用芯一级复用100 次，并且整流罩复用共计10 次。

第一种方案所需成本为5 050 万美元，在“星链”计划中，如果全部发射任务均采用这种方案，发射次数共计为700 次，最后成本总计为353.5 亿美元，单星所需成本大约为84 万美元。

第二种方案按照SpaceX 公司实际发射的统计结果显示，10 次发射所需成本大约可以达到2.1 亿美元，实现整个“星链”计划任务需要的成本总计为147 亿美元左右，单星所需成本大约只有35 万美元。

第三种方案芯一级复用100 次，整流罩复用10 次。100 次复用成本共计为16.1 亿美元，实现整个“星链”计划任务需要的成本总计为32.2 亿美元，单星所需成本大约为27 万美元。

2）“猎鹰”9 号执行“星链”计划第一阶段发射任务、“星舰”执行“星链”计划第二阶段发射任务。根据第二种方案，由“猎鹰”9 号执行“星链”计划第一阶段发射任务，发射卫星大约12 000 颗，所需成本为42 亿美元，单星所需成本大约为35 万美元。经研究后发现，对“星舰”实现量产之后，价格不会达到2 亿美元，按照复用50 次的要求进行计算，每次发射所需成本不超过400 万美元，“星舰”发射的卫星一次可达到400 颗，并进入到近地轨道，根据“星舰”执行“星链”计划第二阶段发射任务进行计算，所需成本将减少到3 亿美元，与第二阶段发射任务成本相加后得出，最后总计需要45 亿美元，也就是说，单星所需成本大约为11 万美元。

4 对我国降低航天装备建设成本的启示

在我国“十四五”时期，国家为了促进数字经济的发展，将卫星互联网建设作为一项重要任务，并对这一领域予以了高度重视。在此期间，要对各项产业资源进行协调整合，构建出适应国家发展的最佳方案。对于一个企业来讲，若想实现可持续发展的目标，前提条件就是要降低运载火箭的成本。为了达到这一目标，应采取有效的应对措施，致力于解决在设计、管理以及生产等各个方面的问题。低成本运载火箭将会对国家航天科技的发展产生重要意义，不但象征着科技水平的进步，而且也提高了我国企业的市场竞争力，使自身的盈利能力得到提升，甚至会使自身的研发能力得到增强，因此具有重要的现实意义。

1） 优化企业上下游合作机制，提升行业全产业链闭环能力。一方面，梳理卫星互联网供应链的各个环节，对相关企业的多个方面进行综合评估，包括核心产品、生态合作伙伴以及技术路线等，打造出完善的供应链合作平台，实现各项资源的高效整合，实现供需关系的协调发展，同时也要立足于全产业链的发展现状，构建出相应的供应商名单，减少各项成本费用的支出，增强产业链各个环节的合作与配合。另一方面，学习美国SpaceX 公司等优秀企业对产业链的管控能力，深入研究国内供应链中的问题和风险点，科学制定应对方案，促进优势互补与锻造相结合，构建出科学健全的核心产品与业务体系，使我国卫星互联网产业链供应链布局得到优化处理，并增强在国际市场上的竞争实力，从而使全产业链闭环能力得到有效提高。

2） 商业发射收入占比低，易于通过运营策略降低价格。对于SpaceX 公司来说，必须依靠低成本战略才能进入到发射服务领域，并实现市场规模的扩增。综合企业的不同业务量进行分析，商业发射的份额实际上很小，这使得企业能够将更多的补贴提供给商业发射，并减少这部分的成本。SpaceX公司在成功形成企业品牌效应后，通过寻求足够的政府资金支持和吸收大量社会融资，大幅扩大了“星链”和“星舰”的规模，这是确保这一运营策略实施的前提。尽管SpaceX 公司始终提倡技术创新，并做到重复使用，尽可能地减少发射价格，但相比于商业发射价格来说，政府发射价格相对更高一些，由此则可说明，运营策略也是导致这类问题出现的主要原因。

3） 新技术研发重点突出可重复使用。SpaceX公司正在研发的用于卫星互联网发射任务的火箭具有可重复使用的能力。我国在研发低成本火箭新技术的过程中，应对可重复使用技术予以高度重视，并对此展开深入的探索与研究。综合当前的研究现状来看，我国的可重复使用技术正处在技术验证时期，面对这种情况，必须要提高科技研发力度，尽可能增强应用能力，从而适应时代的发展趋势。