1972年，贊比亞修女瑪麗·朱昆達給NASA寫信質疑為何在火星探索上花費上億元，而全球還有數億人尚在挨餓。時任NASA馬歇爾太空中心的恩斯特博士回信說道，深空探索會衍生出很多新技術來改善人們的生活。例如通過空間計劃和氣象衛星，可以提升全球農業水平，從而減輕貧困和饑餓。這封著名的回信試圖告訴人們：征服星辰大海的科技，也會造福大眾。
主力軍與生力軍
構建國家競爭硬實力
從國內外的經驗來看，航天科技在維護國家競爭力方面發揮著舉足輕重的作用，因此有效執行國家戰略和任務，是航天科技發展的重要使命。當前航天商業化發展速度加快，也離不開國家戰略的支持：
1.航天科技主力軍對國家戰略與經濟發展推動作用
以NASA為例，成立初衷正是為了應對美蘇兩國在冷戰時期的競爭，尤其是在太空領域打破蘇聯的競爭優勢成為NASA在上世紀六七十年代的重要國家任務。這期間需要持續不斷地投入大量的人力、物力，但僅僅靠政府投入難以持續，因此廣泛地引入民間力量參與其中成為重要選擇。這一做法無意間開啟了美國商業航天的探索大門：一方面解決了空間探索的資金來源問題；另一方面NASA幾十年來大量積累的技術和經驗，不但使得美國商業航天企業在一開始就站在世界航天科技之巔，同時商業價值可以更加廣泛地在國民經濟中得到有效應用。根據美國國家宇航局測算，在載人航天上投入1美元，回報則是9美元，這是汽車、航空等任何一個產業都難以到達的高度——從先進材料到信息通信、光電傳感、智能制造、數據處理，如今提升人類社會智能化信息化水平的大批先進技術創新都可以追溯到航天科技。
2.商業航天企業成為生力軍對國家戰略的有效支持
商業航天的發展并非從0到1的創新，而是得益于各個國家在航天科技領域的技術和人才積累。反過來，當商業航天這支“生力軍”發展到一定程度也將反哺國家戰略和競爭優勢的打造。根據國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）規定，衛星頻率和軌道資源的使用權采用“先到先得”的競爭方式獲取，從而造成“先占永得”的局面。目前，Ku頻率資源已經被瓜分殆盡，Ka、Q/V頻率資源已經有多個低軌星座進行布局。為此，當前全球主要航天科技國家充分認識到軌道與頻率資源的重要戰略地位，并加快布局低軌道衛星網絡。這其中不僅要靠“國家隊”進行戰略布局，也需要商業航天企業在競爭中發揮作用。例如，美國通過開放低軌道載人和貨物運輸限制，推動SpaceX搶占軌道資源進行全球布局；發射下一代全球定位系統衛星GPS-III；以商業合作名義開展月球、行星資源商業開發等。
SpaceX發射GPS-III衛星
當前我國航天商業化發展，要發揮新型舉國體制優勢，一方面要發揮國有企業主力軍的作用，在投入大、風險高、見效慢的深空探索和基礎科學研究領域，需要由國家主導完成；另一方面要注重發揮民營企業“生力軍”的價值，尤其是發揮民營企業自身靈活性優勢。從國家戰略和市場需求出發，將市場良性競爭、優勝劣汰與航天科技政策、技術、資金相結合，在實踐中不斷探索協同創新的路徑和模式。這其中，如何能夠讓體制外優秀的技術、人才、管理、產品服務國家戰略是發展商業航天的關鍵所在。
產業聚集與都會區
帶來的協同效應
技術創新發展離不開集群效應，航天科技作為高度復雜化和規模化的集合，更離不開全產業鏈的高度協同。當前，低軌道衛星星座組網成為商業航天發力重點，未來預計將有上萬顆衛星進入太空，這也意味著衛星制造將從“實驗室定制研發模式”向“工業化批量生產模式”轉變，同時衛星功能將進一步集合通信、導航、遙感能力，人工智能技術、數據處理能力將增強衛星智能化水平。因此，融合創新與工業化生產將推動航天產業向規模化、集群化發展。那些能夠將相關核心產業鏈資源進行整合，形成高密度協同效應的城市群或都會區將成為商業航天快速發展的肥沃土壤。
在產業鏈協同制造方面，強大的航天產業制造基礎是實現商業航天發展的基礎。以美國洛杉磯都會區為例，該區域匯集了強大的航空航天產業鏈，業內熟知的洛克希德·馬丁、波音、雷神等公司在洛杉磯都會區均設有辦公室，航空航天相關就業崗位達到26.8萬，人均工資為10.6萬美元。區域內聚集的金屬部件制造企業、計算機與電子產品制造企業、運載裝備制造企業、機械制造企業、服務支持機構等使得洛杉磯都會區具備商業航天規模化生產制造的堅實基礎。SpaceX雖然實現了運載火箭、航天器、衛星的制造和服務運營，形成較為完備的垂直整合能力和自閉環，但是即便如此還是需要超過3000多家的供應商每周提供上千件零部件。這也是為何SpaceX將總部選定在距離洛杉磯市中心30分鐘的Hawthorne市的關鍵原因之一。
在人才聚集與創新方面，經過幾十年的發展美國洛杉磯都會區逐漸形成了美國航天科技的中心地帶。洛杉磯都會區擁有加州理工學院、南加州大學-維特比工程學院、加州大學洛杉磯分校-亨利·薩穆埃利工程與應用科學學院、加州州立大學北嶺分校等知名高校。NASA負責無人太空探測任務的噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory）由加州理工學院管理。同時，還有許多機構專門為航空航天量身定制課程，如格倫代爾社區學院、峽谷學院、埃爾卡米諾學院、洛杉磯貿易技術學院、洛杉磯谷學院和塞里托斯學院等。不僅僅是航天科技人才的聚集，洛杉磯都會區還有大量電子信息、生物醫藥、媒體、娛樂等各個產業領域人才的匯聚，不同科技領域人才的匯聚意味著可以激發更多技術創新的可能，不斷產生更多乘數效應。尤其是人工智能、生物技術、增材制造等新技術的融合創新，為航天科技產業持續發展提供了有利支撐。
洛杉磯都會區NASA噴氣推進實驗室
聚焦國內，北京、上海、西安等城市已經逐步形成了航天科技產業的初步聚集，這為后續航天商業化發展奠定了堅實產業鏈協同基礎。同時2020年以來，隨著衛星互聯網被納入新基建戰略規劃，我國多個省份和城市相繼出臺了航天商業化政策措施：例如武漢市將打造中國航天“第三極”；浙江省將打造創新型航空航天產業群，北京市將進一步優化和穩定“南箭北星”空間布局；依托廣州、深圳、珠海、惠州等城市，廣東省將打造衛星產業聚集區和產業園區。可以看出各地對航天科技產業聚集、形成產業集群化發展都較為關注，有能力和機會走出高度協同與產業聚集的發展路徑，為今后我國在全球航天商業化中競得一席之地。
打破常規倒逼技術路線革新
傳統航天科技的思路主要集中在運載火箭運力和發動機性能的提高上，一次性使用的運載火箭成為業內默認共識。但要推動航天科技發展與普及，關鍵在于將運載火箭打造成能夠可重復使用的運載工具，在成本和效率的大前提下實現產品規模化、可重復利用、通用性，推動航天科技從更加“親民“的路徑進行升級創新。
在運載火箭發動機方面：可重復使用運載火箭對發動機有著較高要求：一是需要具有實力強大的矢量發動機（Thrust vector control engine），為了適應火箭返回過程中復雜姿態調整控制的要求，發動機需要具被向不同方向偏轉產生推力，同時矢量發動機的響應必須快速和準確；二是具有深度調節能力，為了適應運載火箭返回過程中不同階段的減速要求，發動機需要精準的深度節流能力，且推力調節要非常精準；三是發動機具備多次啟動能力，針對火箭返回過程中需要減速的要求，發動機需要多次啟動，尤其是中央發動機在每次發射和回收的過程中需要多次可靠點火，關鍵技術之一就是在超聲速環境下點火反推的能力。從Merlin（代號“梅林”）到Raptor（代號“猛禽”），較強的發動機研發能力成為SpaceX可重復使用火箭的關鍵。在經濟效益上，火箭的重復使用大大降低了發射費用。截至目前，獵鷹-9號火箭多次復用后，向低軌道（Low Earth Orbit Satellite，LEO）發射有效載荷的費用已經降低到1200/(美元·kg)左右。依靠技術創新，SpaceX在全球衛星發射市場份額從2013年的7%增加到目前的65%。
圖片來源：《航天發射運輸系統進入新周期，我國應直面短板、摒棄彎道超車》，文 |朱雄峰、程洪瑋、劉陽、劉鷹、譚云濤、周城宏，論文全文發表于《科技導報》2021年第11期
在衛星互聯網星座方面：衛星寬帶服務作為低軌道衛星發揮價值的重要抓手，目前已經基本具備商業化的能力。星鏈作為衛星互聯網星座的典型代表，目標是將4.2萬顆衛星送入軌道，組成星鏈網絡，從而為用戶提供太空高速互聯網服務。星鏈在布局方面有以下三個特點：一是衛星數量多傳輸容量提升。一期部署4408顆衛星，二期部署7518顆衛星，三期部署30000顆衛星，衛星數量增加代表著系統傳輸容量不斷提升。二是使用頻率較高提前戰略卡位。一期使用Ka、Ku頻段，二期使用V波段，三期計劃使用E波段。頻段資源較為稀缺，星鏈此舉可對頻段資源進行有效卡位。三是衛星軌道較低降低傳輸時延。一期發射的衛星軌道從1100-1325千米降低至540-570千米，二期衛星運行軌道僅為340千米。衛星運行軌道降低可以獲得更低的網絡傳輸時延。
根據測速網站Okal報告顯示，2021年二季度星鏈衛星下行下載速度可以達到108Mbps，時延在37ms，而美國當前固定寬帶的平均下載速率為115Mbps，兩者已經相差不大。截至2021年9月底，星鏈已經為16個國家超過10萬用戶提供互聯網服務，有望成為SpaceX的Golden Ticket。
需要指出的是，美國商業航天企業在一開始就站在巨人的肩膀上，NASA在半個多世紀的發展過程中，積累了大量的先進技術，包括火箭液體發動機、防熱材料、仿真軟件等，持續不斷地將相關技術轉化給民營企業。先進的航天科技技術與較完備的商業化市場程度，兩者的結合推動了民營企業要想實現盈利，就必須對技術創新保持一種本能的追求。除了SpaceX在商業航天領域的突破以外，3D打印技術、太空加油技術等也成為民營企業技術創新的關鍵領域：和傳統火箭制造技術相比，3D打印火箭在零件數量上減少上百倍，生產時間節省超過10倍，同時可以明顯減少交貨時間、簡化供應鏈并提高整個系統可靠性，相關領域Relativity Space等初創公司已經開展布局。同時，太空加油技術也已進入實質應用階段，美國Orbit Fab在近地軌道運營了首個“太空加油站”，為需要加油的衛星攜帶燃料。
我國航天科技集團研發的“太空油罐車”同樣具備燃料補加能力，可為在軌衛星長期運營提供能源保障：對于一顆急需救助的衛星，只要補充50千克燃料，就可以延長大約1年的使用壽命。補加飛行器一次可攜帶1.3噸燃料，超過其自身重量的一半。相比于重新發射一顆靜止地球衛星相比，成本降低35%。2017年天舟一號貨運飛船與天宮二號空間實驗室成功對接，首次完成了推進劑的在軌補加時延，意味著我國已經成為突破在軌空間燃料補加技術，繼美俄之后第三個國家。
利益驅動催生
航天商業化發展新模式
對于太空的探索不僅僅是實現星辰大海夢想的手段，還在于商業航天領域目前仍處于一片藍海，是由有冒險精神的開拓者大顯身手從而實現更多商業價值。也正是看到了太空夢想與商業利益結合的巨大可能，以及技術創新本身帶來的豐厚利潤回報，從而激發了更多人關注并參與到商業航天的創新當中。
商業模式的可靠與可執性，決定了航天商業化進程能否順利發展。以“銥星”為例，1987年摩托羅拉開啟“銥星”衛星通信網絡設想與建設，經過11年耗資50億美元之后，在1998年宣告組網完畢并啟動商業化運營。但由于昂貴的終端成本、笨重的接受裝備以及無法在室內使用等硬傷，在正式運營15個月之后，“銥星”就宣告破產。因此，商業航天若想健康發展，良好的商業和盈利模式必不可少。
為此，當前諸多商業航天公司通過技術創新來降低成本，從而增加企業盈利的厚度。在火箭箭體及推進器材料方面，SpaceX放棄使用碳纖維材料，轉而使用不銹鋼為原材料。這里面有兩個主要考慮因素：一方面碳纖維在考慮報廢率后，成本在200美金/公斤，而不銹鋼的成本不超過5美金/公斤，可以極大降低使用成本；另一方面創新技術保證材料的可靠性和安全性，經過研發和驗證，金屬鉻和金屬鎳含量高的不銹鋼原材料，強度更高、韌性更強，符合火箭制造和使用的要求。即使是傳統航天科技，在過去幾十年中也非常注重技術轉化和商業價值衍生。據統計，基于美國載人航天技術衍生出來的技術，催生出超過3萬多種民營科技產品誕生，航天技術衍生出的民用產品，包括圓珠筆、不粘鍋、人工心臟、透析機等已經在我們日常生活中得到廣泛應用。
在國內以北斗衛星導航系統為例，目前在軌服務衛星總計45顆，其中北斗二號衛星15顆，北斗三號衛星30顆。目前北斗系統已經在交通、金融、電力、農業等領域開展服務。具有被動定位功能的終端產品社會總保有量超過10億臺/套，包括700萬輛道路運營車輛、4.5萬臺套農機自動駕駛系統、3.6萬輛郵政快遞車輛等。2020年我國衛星導航與位置服務產業總體產值達到4033億元，同比增長16.9%。另外華為、蘋果等國內外主流智能終端均支持北斗。2021年一季度申請入網支持北斗定位的智能手機占比達到79%。
同時，也需要看到在尋找可行商業模式的過程中，國家和行業對失敗的寬容度，決定了商業航天企業發展的腳步。傳統航天大國對失敗的容忍度較低，一方面傳統發射成本較高，動輒幾十億上百億資金的投入；另一方面航天發射經常與一國綜合實力與民族凝聚力掛鉤，導致一旦發射失敗，將承受較大的社會輿論壓力甚至政治壓力。因此，追求成功率，甚至是100%成功率成為傳統航天發射不成文的規定。雖然SpaceX有很多次成功發射，但也有很多次發射失敗，包括可重復火箭也是經歷了多次失敗，甚至是現場直播的失敗。正式這種容忍失敗的良好氛圍，激發了更大的創新激情。