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国外商业航天的发展及启示

时间:2016年05月13日 信息来源:《中国航天》 点击: 【字体:



一、引言


 近年来,国外商业航天蓬勃发展,在空间运输、卫星遥感等方面的商业化进展显著,涌现出以太空探索公司(SpaceX)、轨道科学公司、数字地球公司为代表的一批商业航天公司以及猎鹰火箭、龙飞船、高分辨率商业遥感卫星为代表的全新商业产品及配套服务。商业航天提供从航天器设计、建造、发射、运营在内的一整套服务,以低成本、高效率、高可靠实现客户需求,展现出强大的创新力、竞争力,迅速在航天市场中占据了一席之地。相对于国外商业航天的快速发展,我国航天产业还处于国家投资、企业研制的传统计划模式下,与商业化相去甚远,更不符合国家军民深度融合的发展战略。本文通过对国外商业航天的发展情况及成功因素进行分析,为我国发展商业航天,促进航天军民融合发展提供建议参考。


二、国外商业航天的进展


  1.商业航天需求


  传统航天是由国家或政府投资,旨在实现国家意志、战略的空间活动,属于国家行为。传统航天模式一般表现为两种形式。在技术发展早期阶段,依靠举国体制,实现集中力量办大事,如中国的载人航天工程、美国的阿波罗载人登月计划。随着技术发展、效率提高,出现了少数具有技术实力和复杂系统项目研制经验的企业集团,垄断市场,分享政府订单,如波音公司、洛克希德·马丁公司等。
  传统航天受技术、管理、效率以及垄断等多种因素制约,成本居高不下。据统计,阿波罗登月项目的成本为1510亿美元。美国航天飞机总计发射了135次,花费了1960亿美元,平均每次发射费用高达15亿美元。高昂的成本让财大气粗的美国也无力承担,航天飞机不得不于201 1年7月退役。2006年,美国提出了重返月球的“星座”计划,预计花费990亿美元,后因费用太高而取消。高昂的投入使得传统航天模式逐渐变得不可持续。
  美国国家航空航天局(NASA)研究认为,处在自由竞争市场中的商业公司比政府机构更能有效,承担得起开发和运营这样的项目。2005年11月,时任NASA局长的格里芬明确表示: “随着‘国际空间站’建造的稳步进行,将首次出现对低地球轨道运输服务的市场需求,尤其是航天飞机在201 lll{退役之后,这种需求尤为迫切,因此打算从美国商业公司购买这些服务”。同时,金融危机的冲击,使得NASA的预算吃紧,降低成本的需求更加强烈。
  在减少政府投入、提高效益的需求驱动下,政府也期望通过商业航天,从技术相对成熟、风险相对较低的传统航天项目中解放出来,而专注于前沿技术开发、未知领域探索,如载人深空探测,商业航天模式应运而生。商业航天是在市场驱动下,由私营企业集团投资,以赢利为目的,独立的、非政府的航天活动。商业航天模式下,有更多的参与者加入到市场竞争中来,使得成本和效率的比重可以逐步实现优化,从而为技术上可靠、经济上可承受和快速进入空间提供支持。


  2.商业航天的法律保障


  国外为支持商业航天的发展,制订和颁布了一系列相关的法律法规和政策,为航天商业化提供了行为准则以及有力的法律和政策支持。
  在航天发射领域,美国先后颁布了《空间商业发射法案》(1984年)、《商业空间法》(1998年)以及小布什、奥巴马任期内发布的《国家航天运输政策》和《美国国家航天政策》等,旨在鼓励、规范、促进和提高私营商业空间发射活动。
  在卫星通信领域,美国先后制定了《通信卫星法案》、《电信法案》、((轨道法案》等,鼓励商业卫星通信发展,促成建立完全竞争的全球卫星通信市场。
  在卫星导航领域,先后出台了《全球定位系统政策》、《美国天基定位、导航和授时政策》,为国家安全以及民用、科学和商业应用制订天基定位、导航与授时计划,并为相关活动提供指导与执行指南。
  在载人航天领域,美国先后发布了((国家航天政策》(2006版)、《国家航天政策》(2010版)、《国家航天运输政策》(2013版),这些政策鼓励私营企业加入近地轨道的载人航天活动,明确了未来将由商业部门提供美国近地轨道载人和货物运输服务。
  在卫星遥感领域,先后颁布了《陆地遥感商业化法》(1 984年)、《陆地遥感政策法案》(1992年),试图逐步实现陆地卫星的商业化。1994年,美国出台了《商业遥感政策》,放宽了政府对高分辨率遥感数据的管控,允许私营公司发展高分辨率商业遥感卫星,并销售分辨率优于1m的卫星遥感图像。
  特别是,2015年美国众议院表决通过(<2015)年关于促进私营航天竞争力、推进创业的法案》和《商业航天发射竞争法案》。美国的商业航天政策及法规为商业资本参与航天活动提供了更多的机会和保障,从而对商业航天的发展起到了积极的推动作用。以商业遥感为例,目前美国已有8家商业遥感公司从事商业遥感卫星的开发和遥感数据的分发销售。商业遥感卫星已实现了亚米级的分辨率,在军民两用任务中发挥了重要作用。


  3.典型的商业航天计划


  (1)商业运输计划
  NASA为推动载人航天领域商业运输发展,提出了商业运输计划,鼓励私营公司发展商业轨道运输系统。NASA期望通过商业项目改变与厂商的合作模式,即由购买航天器向购买服务转变。商业公司负责项目的整套运营,包括系统设计、研发、制造、试验、发射和运营管理等,NASA仅负责进度、安全监管及技术支持以及相应的启动资金支持。这种模式给予私营公司更大的自主性和灵活性。
  2006年,NASA启动了“商业轨道运输服务” (COTS)项目,旨在为国际空间站发展商业补给服务。经过招标,NASA最终选择了两家创新能力强的私企,即太空探索公司和轨道科学公司,以运送货物到国际空间站。NASA根据合同中里程碑节点的完成情况,向它们支付相应的费用。目前,COTS项目进展顺利,两家公司均已经多次成功地向国际空间站运送了货物。
  2010年年初,NASA又启动了“商业载人开发”(CCDev)计划,以鼓励私营公司开发可靠、高性价比的商业载人航天运输系统,接替航天飞机执行向国际空间站运输货物与人员的任务。NASA采用与COTS计划相似的方式,来执行CCDeV计划,向波音公司、内华达山脉公司、太空探索公司、蓝源公司(Blue Origin)等授予共计5000万美元的合同,用于系统概念、关键技术的研发。
  2011年4月18日,NASA宣布了“第二轮商业载人开发”(CCDev2)项目,分别向波音公司、内华达山脉公司、太空探索公司、蓝源公司授予了项目研发合同,进行载人航天器方案研发。2014年9月16日,在对多家方案进行评比后,NASA宣布波音和太空探索两家公司赢得了“商业载人运输能力合同”。两家分别获得42亿美元i{N26亿美元的商业载人运输合同。


  (2)商业遥感计划

  20世纪80年代,美国开始推进“陆地卫星”的商业化,意图通过商业化运作减少政府投资,降低卫星的运营成本。冷战结束后,俄罗斯开始向国际市场销售分辨率为2m的遥感卫星图片。
  为了增强在遥感卫星市场的竞争力,1994年美国颁布了商业遥感政策,允许销售lm分辨率的卫星遥感图像,从而推动了商业遥感卫星的发展。1999年9月, “伊科诺斯”卫星发射,成为世界上第一颗Im分辨率的商用高分辨率遥感卫星。
  20世纪9 0年代以来,美国军方对高分辨率图像需求增大,而下一代侦察卫星系统一一“未来成像体系”(FIA)进度迟缓、费用超支,存在在轨侦察能力间断的风险。美国政府认为随着商业遥感能力的增强,要最大限度地利用商业遥感卫星能力满足军事、情报及民用需求,确立了优先采购商业遥感卫星数据的政策。
  2 0 0 1年,美国提出了“清晰视景”(C l e a r V i e w)计划和“下一代观测”(NextView)计划,打算向商业公司购买卫星图像,并支持其研制高分辨率成像卫星,保障美国情报及军事需求。数字地球公司和地眼公司(当时名为轨道图像公司)分别获得5亿美元和4.35亿美元的卫星研制合同,分别用于开发“世界观测”(WorldView)卫星和“地眼” (GeoEye)卫星。两家公司在轨商业遥感卫星均已实现优于0.5m的分辨率。
  2010年,国家地理空间情报局(NGA)开始实施“增强观测”(EnhancedView)计划,用于研制和运行下一代高分辨率商业成像卫星。数字地球公司和地眼公司赢得了国家地理空间情报局为期10年、总价73亿美元的“增强观测”计划合同。未来10年它们要向该局提供高分辨率卫星影像、附加产品和服务。


  4.商业航天成效分析


  (1)新型市场力量兴起
  在美国发展商业航天政策鼓励以及商业航天项目推动下,大量资本进入长期以来由国家投资的航天领域,一批具有经济、技术实力的私营航天企业迅速成长起来。在商业载人航天领域,以太空探索公司为代表,而在商业遥感领域,数字地球公司和地眼公司则成为业界翘楚。
  太空探索公司成立于2002年。该公司按照低成本、高可靠的经营理念,在技术研发、生产流程和运营管理等方面进行创新改进,依靠不足干人的规模,在10年内先后研制成功猎鹰1、猎鹰9运载火箭和龙飞船,成为美国私营商业航天企业的中坚力量。龙飞船的最大上行货物运输能力为6000kg,下行载荷质量为3000kg,是当今下行能力最强的飞船。猎鹰9火箭近地轨道运载能力超过了13t,地球同步转移轨道运载能力达到了4.8t。
2012年5月,太空探索公司发射龙飞船与国际空间站对接,实现了人类历史上第一次向太
空发射商业飞船。
  商业遥感领域,在遥感卫星新政策的支持下,数字地球公司和地眼公司先后成立,并发射了多颗高分辨商业遥感卫星,如2008年
发射的“地眼”1卫星分辨率达到了O.41 m,2014年发射的“世界观测”3卫星分辨率达到了0.3lm,超过了许多国家的军用侦察卫星。美国高分辨率商业遥感卫星满足了军民两用需求,并在市场竞争中建立起了优势。2011年,在全球卫星遥感数据销售市场中,两家公司占据了60%的市场份额。这两家公司现已合并。
  目前,商业航天公司具有从设计、制造、验证到发射、运营的能力,实现了政府、军方、科研机构等用户从市场购买服务的需求。通过实施商业航天,美国航天的活力、竞争力显著增强,选择多样性增加,从而为用户购买太空服务提供了更多的选择。


  (2)费用显著降低
  商业航天模式显著降低了航天成本,性价比大为提高。以太空探索公司为例,5枚猎鹰1火箭、2枚猎鹰9火箭和1艘龙飞船的研制及发射费用总计不到8亿美元,其中,猎鹰9火箭仅花费3亿美元,远低于美国空军改进型一次运载火箭。
  在商业发射市场,猎鹰9火箭的商业发射报价仅为5000万美元,将商业卫星发射的价格拉低了一个数量级,甚至低于素以低价著称的中国长城公司,迅速占领了商用发射市场。自2013年猎鹰9火箭投入商业发射以来,已赢得了40多份商业发射合同,价值数十亿美元。表1说明,在国际商业发射市场中,猎鹰9运载火箭无论是发射总价还是单位质量的发射费用都是最低的。


表1典型运载火箭发射价格 

 

  NASA通过“商业轨道运输服务”项目大幅降低了往返空间站的费用。“龙”飞船12次空间站商业补给服务的价格为1CL美元,平均每次花费约1.37L美元,远低于航天飞机平均15亿美元/次的费用。俄罗斯联盟号飞船每个座位的价格为7000万美元,太空探索公司正在研制的载人型龙飞船每个座位只需要2000万美元。
  在侦察能力相近的情况下,商业遥感卫星的价格仅为军用侦察卫星的1/5甚至更低,而且寿命更长。美国通过“增强观测”项目获取高分辨率的商业遥感数据,每年只需花费3.8亿美元。2000年以来的几次局部战争中,美军大量使用商业遥感卫星提供的信息支持作战行动。阿富汗战争期间,美国购买“伊科诺斯”等商业遥感卫星照片的价格仅为20美元/km2。商业遥感卫星在满足军事需求的同时,还显著降低了任务成本。


  (3)效率明显提高
  商业航天为了赢得竞争优势,获取更多的利润,注重效率提升。在组织管理、产品研制和技术创新方面的效率相对于传统模式更高

  管理效率提高。商业航天公司简化了管理机构,通过建立扁平化的组织结构,缩短管理链条,使研发与生产的联系更为紧密。事实证明,管理的扁平化提高了整个研发团队的工作效率,节约了管理成本。太空探索公司长期保持数百人的员工规模,先后自主研制成功了猎鹰1、猎鹰9火箭和龙飞船。
  研制周期缩短。通过缩短研制周期,快速推出产品,占领市场。猎鹰9火箭从方案设计到首飞,仅用了4年半时间,龙飞船从2005年开始研制,2010年进行了首次验证飞行试验。2012年,公司完成了龙飞船与国际空间站的两次对接飞行,任务间隔不到5个月。2014年,猎鹰9火箭完成了4次卫星商业发射和2次国际空间站货物补给任务。
  技术创新的节奏加快。2014年,太空探索公司推出了第二代载人型龙飞船,距第一代货运龙飞船的首次对接仅仅过去2年。除此之外,该公司还进行了可重复使用火箭的一系列试验,接近成功,并开展“重型猎鹰”运载火箭的研制,低轨运载能力提高虱j53t,计划在2015年发射。


  (4)推动经济发展
  商业航天对国民经济发展有着巨大的促进作用。商业航天按照市场模式运作,有众多的参与者,从而可带动相关行业的发展。2004年,美国商业航天产业直接带动的卫星/运载火箭制造及发射、通信/导航设备、数据服务、物流等相关行业的经济价值超过166亿美元,对上下游行业的贡献超过800亿美元。
  NASA通过实施商业货运和载人计划,形成了上百亿美元的商业航天运输市场,创造了上万个就业岗位,并加速了太空旅游业的发展。维珍银河公司正在研发的“太空船二号”亚轨道飞行器每人次的票价为20万美元,目前已有500多人报名预订。
  全球定位系统(G P S)投入商业运营后,目前已形成了庞大的导航产业市场。2009年,全球卫星导航系统应用市场产值达660亿美元。2013年,我国卫星导航与位置服务产业总产值超过1 000亿元,预计201 5年将超过2000亿元。未来卫星导航在智慧城市、物联网、大数据等领域的应用会更加广泛,前景极其广阔。
  近年来,全球商业遥感卫星对地观测数据收入达到1 5亿美元,预计蛰]2022年,商业对地观测数据销售额将达30亿美元。未来高分遥感将与全球导航、移动互联网、物联网、智慧城市建设等领域深度融合,形成新的经济增长点。


三、国外商业航天成功发展的原因


  1.国家支持


  美国实施鼓励、支持商业航天发展的国家政策。近年来发布的《美国国家航天政策》、《美国国家航天运输政策))均提出要发展商业航天,促进创新,提升美国航天产业的国际竞争力,要求最大限度地采购商业航天产品与服务,满足政府需求。
  完善的空间立法为商业航天活动提供了法律保障。美国在商业发射、卫星导航、通信、遥感等领域均有明确的法律规定。通过法律条文,明确了市场主体的进入条件、行为准则、法律责任与权利。在实施过程中,注重与时俱进,不断地完善政策、法律法规,促进美国商业航天能力提升。如在商业遥感领域,美国先后4次修正商业遥感政策及法案,允许商业公司向市场销售的光学卫星图像分辨率由lm提高到0.5m,现在又提高到了0.25m,雷达遥感卫星图像的分辨率由3m提高到lm,显著增强了美国商业遥感卫星在世界遥感市场的竞争力。
  除了在政策、法律层面的支持保障,美国还给予商业航天直接的物资和技术支持。国家地理空间情报局通过卫星图像采购预付费的形式,为商业公司研制高分辨率遥感卫星提供经费支持。NASA直接开放了阿波罗计划的部分技术给太空探索公司,并向其提供发动机测试台和发射场,如“灰背隼”发动机就采用了阿波罗飞船登月舱下降级发动机的喷管,猎鹰9火箭在范登堡空军基地发射。在猎鹰9研制过程中,NASA还直接给予其技术指导,从而大大降低了研发难度。


  2.技术与人才优势


  美国具有雄厚的工业基础和成熟的航天技术,很多产品可以直接从市场上进行采购,避免了自己耗时费力地开发。商业航天公司可以容易地在市场上采购到成熟的火箭生产设备、原材料以及货架式产品,如导航/控制系统中的GPS定位仪、传感器、芯片等。猎鹰火箭的贮箱壳体使用的铝锂合金,原来就是航天飞机外挂贮箱的材料。贮箱焊接使用的搅拌摩擦焊技术,在波音公司德尔它2、4运载火箭的贮箱生产上已经使用多年,并在工业焊接市场得到广泛应用。猎鹰系列火箭的导航/控制系统,是在商业Linux操作系统上开发的,使用的电子元器件也多是成熟的商用产品。
  美国航天行业培养了大批精英人才。商业公司通过市场招募能够获得来自波音、洛马、诺格等航天企业的业内精英,从而为商业项目的成功奠定了坚实基础。例如太空探索公司的推进系统负责人汤姆.穆勒曾在TRW公司研制液体火箭发动机,具有丰富的工作经验。测试系统负责人蒂姆.布扎作为德尔它4火箭的测试经理在波音工作了15年。数字地球公司的员工很大一部分是来自鲍尔宇航技公司的对地遥感观测部门。


  3.高效市场机制


  繁荣的资本市场为商业航天发展提供了雄厚的资金支持。项目早期的硅谷风险资金介入,中期引进战略投资者或财务投资者,后期资本市场融资,都对商业航天的成功起到了巨大的推动作用。比如,地眼公司的“轨道观测” (OrbView)2卫星和“地眼”l卫星以及数字地球公司的“世界观测”2卫星都顺利通过私募股权筹集资金完成研制发射,现在开始募集资金开发“增强观测”计划的卫星。
  在公司运营上,商业航天公司建立了现代企业结构,摒弃传统航天企业繁琐的行政管理体制,简化管理环节,充分发挥和调动员工的积极性,使人力资源的整体效率达到最高。
在产品研制方面,尽量采用成熟技术,降低研制风险,迅速推出产品占领市场,后又持续改进,不断推陈出新,扩大市场。例如猎鹰9火箭从2010年推出基础型V0版发射低轨的货运飞船,目前已发展到V1.1版,能够发射低轨到高轨的各类航天器,并以明显低于竞争对手的价格迅速占领了商业发射市场。


四、对我国航天发展的启示


  美国等国家的商业航天以低成本、高效率满足了用户购买服务的需求,展现出了强大的创新力、竞争力。中国航天经过几十年的发展,取得了以载人航天、探月工程、北斗导航和高分对地观测为代表的重大成就。这些成就的取得主要依靠的是国家的投入。航天活动耗资巨大,如果长期只有投入,没有经济上的高产出,发展动力及持续性终究会变得不足,需要在投入与产出之间寻找一个合适的平衡点。
  十八大以来,国家提出了军民深度融合发展战略,要求在更大范围、更深程度上将国防和军队现代化建设融入国家经济社会发展体系之中,以解决军民分割格局使国防投入与国民经济发展呈此消彼长、难以获得双赢这一难题。商业航天正是航天行业实现军民融合发展的契入点,符合国家战略需求。在借鉴国外商业航天成功经验的基础上,针对我国航天产业的商业化发展,有以下几方面的建议:


  (1)国有企业是我国航天的主体力量,应坚持市场导向,在组织架构、产品研发、商业化运作等方面加快改革创新。充分借鉴太空
探索公司的精干、低成本和高可靠的运行模式,严控成本,提升效率。在产品研发方面,进行通用化、标准化设计,构建商业货架产品体系,降低航天器成本。建立高水平核心人才队伍,打破不同厂所之间的限制,建立从单机到系统的人才流动机制,提升系统的设计水平。探索更多的商业模式,拓展航天的商业应用,如面向国际的空间站商业化运营、遥感卫星的商业应用、货运飞船的商业运输服务、新一代飞船兼顾太空旅游的需求等。利用优质项目,拓宽融资渠道,吸引社会及民间资本参与航天。


  (2)民营企业是我国航天的新生力量,充满活力。目前,民营企业研制的器件、材料已逐渐应用于航天产品,发展空间广阔。民营
企业的广泛参与,必将在技术提升和资金支持等方面为航天事业注入新的活力,大大加快我国航天产业的发展速度。同时,航天产品的高质量、严要求,也为民营企业不断提高管理水平、产品质量提供了源源不断的动力。


  (3)国家应出台相关的法律法规,加快航天立法,保障航天产业的有序发展。目前,我国在航天方面的立法存在欠缺,商业航天方面的法律更是空白。长征火箭参与国际商业发射,因为缺乏国内法的明确指引,在国际商业发射合同中只能选择外国法(例如美国商业发射法)作为准据法,用来解决保险或可能出现的损害赔偿问题。应通过航天立法,建立商业航天市场准入退出机制、公平竞争机制、保险与赔偿机制、安全监管机制等,创造有序、良性竞争的市场环境。同时,国家应通过立法为商业航天提供比政策更为稳定和持续的法律支持。


  (4)商业化是航天发展的总体趋势。考虑当前我国航天发展状况和运行体制,建议采用由国家主导、循序渐进的方式探索商业化运行模式。我国航天在技术、产品及管理等方面与国外相比还存在不小差距,商业化的技术及市场基础还比较薄弱。一方面,国家应该在航天精英人才培养、航天器关键技术突破、产品可靠性、元器件、原材料等基础领域加大投入,提高航天器设计水平,提升技术及产品成熟度;另一方面,国家应制定鼓励民营资本进入航天领域的政策,通过优惠政策和商业航天项目牵引,吸引民营企业、民间资本投资航天,最终在市场、技术成熟时启动商业化运营。


五、结论


  国外商业航天的发展表明,商业航天相对传统航天在技术创新、效率和成本方面具有明显优势,同时对经济发展具有显著的推动作用。商业航天能够有效提升国家投入的效益,实现航天产业军民融合发展。我国航天应积极学习国外商业航天的成功经验,从国家和企业方面采取措施,推进商业航天发展,提升我国航天产业的创新力以及国际竞争力,推动我国由航天大国向航天强国转变。


  上文选自《中国航天》,如有需要请查阅该期刊。

(作者:张振华 白明生 石泳 张健)
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