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黃志澄:從技術創新看中國民營航天

2023-10-30
作者:遠望智庫 黃志澄
來源:空天大視野

  太空是人類努力開拓的未知疆域,是未來大國競爭的重要高地。世界航天發展已進入以新一代全球星座、常態化載人進出太空、大規模深空探測為代表的新階段。

  中國正在從航天大國走向航天強國。在這個過程中,技術創新將是最重要的驅動力量。為此,我國航天領域正在新型舉國體制下,大力促進技術創新。由此,國營航天企業是航天技術創新的中堅力量,但正在興起的中國民營航天企業,必然成為中國航天技術創新的新生力量。


  1.航天領域的顛覆性創新

  建設航天強國,必須始終堅持創新驅動發展戰略,加強顛覆性技術、新概念技術的研究與儲備。

  1995年,美國哈佛商學院教授克萊頓·克里斯滕森與他的同事在《顛覆性技術的機遇浪潮》一文中,首先提出顛覆性(Disruptive)技術的概念。顛覆性技術是一種另辟蹊徑、對已有傳統或主流技術途徑產生顛覆性效果的技術,可能是全創的新技術,也可能是基于現有技術的跨學科、跨領域的創新應用。顛覆性技術打破了傳統技術的思維和發展路線,是對傳統技術的跨越式發展。例如,數字技術轉移應用到照相領域,顛覆了傳統的基于膠片的照相技術;計算機技術和通信技術的融合,產生的計算機網絡技術,顛覆了傳統的信息傳輸和應用方式。在這基礎上,克里斯滕森于1997年又出版了《創新者的困境》一書,在書中他首先提出了存在兩種創新,即持續性(Sustainning)創新和顛覆性創新。維持性創新是企業沿著既有技術和產品的改進軌跡逐步向前推進;顛覆性創新則是創造與現有技術完全不同的新技術,創造更為簡單、更加便捷與更廉價的產品。

  在航天領域,顛覆性創新遠比克里斯滕森教授所描述的要復雜得多:

  首先,航天是高風險事業。人類的航天活動十分復雜而繁重。由于面臨高風險和高成本,航天任務往往采用比較保守的成熟技術,以保證高的可靠性。對于新興技術的應用,要求在技術的先進性和可靠性、安全性之間進行平衡。

  其次,航天新技術的成熟周期較長。一項新興技術是否是能夠在航天中產生顛覆性創新,要用實效來檢驗。由于航天工程的研制周期長,而且要求進行飛行試驗驗證,因而其成熟周期較長。

  再次,與一般的民用產品不同,航天領域很長時期承擔國家任務,并由政府主導。進入新世紀后各國開始關注市場需求,在完善的市場環境下,企業逐漸成為航天技術創新的主體。

  最后,世界技術的發展是波浪向前推進的。不同技術的發展態勢有很大差別。實際上,在技術的發展中,會不斷出現一些帶頭技術,帶動其他技術的發展。當代,信息技術是一種帶頭技術。利用現代信息技術的成果,包括人工智能、大數據技術等,正在推動航天技術的發展。現代的控制技術、通信技術、遙測技術等,進一步提高了航天運輸系統的性能。由于衛星使用的信息技術的成分比航天運輸系統要多,信息技術對衛星的發展影響更大。航天運輸系統的發展還取決于動力技術和材料技術等的發展。衛星的發展也取決于載荷技術、推進技術和電源技術等的發展。展望未來,在航天領域除了利用信息技術和人工智能技術等成果外,更要在動力技術、材料技術、結構技術、能量轉化技術及綜合它們的總體技術方面,爭取出現顛覆性的創新。

  事實上,發展顛覆性技術固然重要,但更重要的是把顛覆性創新和一般傳統的持續性創新融合起來,既要注意顛覆性的技術出現,同時也要關注那些漸進性的持續創新。因為顛覆性創新往往是在不斷的漸進性創新之后出現的。


  2.航天發展迎來新高潮

  回顧歷史,航天技術在它正式誕生之后,就產生一個發展的高潮,在美國實現“阿波羅”(Apollo)登月計劃時,幾乎到達了航天技術發展頂峰。在這之后航天技術就處于平緩的上升發展期,例如火箭發動機的比沖,在幾十年中雖有提高,但幅度很小。

  當今,信息技術的迅猛發展,正在推動航天技術的發展。目前,人工智能技術、核技術、增材制造技術、量子技術、電推進技術、納米材料等新材料技術、激光等定向能技術等,正在快速發展,必將推動推動航天技術發生革命性的變化。作為對經濟和安全有重大影響的航天領域,就像地球發生地震一樣,在較長時期積累能量以后,總會出現突破。我們期望這個日子能早日到來。

  美國SpaceX公司自2002年成立以來,已經發展了多項顛覆性的航天技術,如低成本高可靠的火箭重復使用技術、火箭垂直回收技術,超大規模的低軌衛星的設計技術,衛星的成批制造和發射技術等,為SpaceX公司取得成功奠定了技術基礎。SpaceX的火箭回收技術,大大地降低了火箭發射的成本。SpaceX的超大規模的低軌道的衛星技術,使得公司實現贏利。

  SpaceX公司發展的顛覆性技術,帶動了整個航天領域的技術創新。在信息技術方面,人工智能技術將應用到整個航天領域。特別是通信遙感一體化必須要利用人工智能技術。人工智能能夠很快的完成遙感數據的處理,這樣才能夠很快地通過通信轉發到地面上來。在動力技術方面,開始利用甲烷作為火箭發動機的,它在發動機燃料后的結焦很少,且很容易清洗掉,所以很多未來重復使用的火箭發動機大多采用甲烷作為燃料,而且甲烷很便宜。為了充分利用空氣中的氧氣,正在發展火箭發動機和吸氣式發動機組合起來的組合發動機。現在由于核能安全技術的發展,已經可以啟動核火箭的研制了。衛星的動力系統發展也很快,各種電推進技術,包括霍爾效應的電推進系統也取得了成功,已經出現全部使用電推進的衛星。在材料和制造技術方面,先進材料和3D打印等先進的制造技術發展很快。這些技術的發展,可在一個月生產幾百顆衛星,并全部在在地面完成測試好。當然,航天領域還會涌現許多其他方面的技術創新。

  由于技術創新的推動,在商業航天領域出現了許多新熱點:

  1) 低軌互聯網星座。要讓全球航天經濟總量在本世紀40年代達到上萬億美元,需要出現“轉折點”,需要讓太空經濟的推動力有根本改變。衛星互聯網是最可能的風口。衛星互聯網是繼有線互聯、無線互聯之后的第三代互聯網基礎設施,以SpaceX公司的“星鏈(Starlink)”計劃和一網公司的“一網(Oneweb)”系統為代表。發展衛星互聯網將實現全球互聯網無縫鏈接服務,成為滿足目前還未入網這部分人的經濟、高效解決方案,有著廣闊的市場前景。國外在建的互聯網星座,正在加緊頻率資源爭奪。Ku頻率資源已基本被瓜分殆盡;Ka頻率資源雖已有低軌星座系統規劃,但尚無實際衛星應用;V頻率資源已成為多個星座系統作為規模擴展階段擬申報的儲備。目前低軌寬帶星座,正在努力攻克高效接入(直接聯通手機)、星間鏈路組網、物聯網應用、大規模干擾規避等關鍵技術,并向通信和遙感一體化的方向發展。

  2)新一代航天運載系統。新一代航天運載系統是低成本且運營靈活方便的運載系統。它們包括重復使用的運載火箭、飛船、航天飛機和空天飛機等。SpaceX公司正在研制的新型垂直起降運輸系統“星艦”,既可望出現一個跨星球的運輸系統,又可能實現地球上的快速運輸。為了實現航班化運輸,成本更低機動性更高的空天飛機也許是一種長遠的選擇。發展重復使用的航天運載系統,首先要解決能重復使用的動力系統。對于單純使用火箭發動機或使用組合發動機,需要攻克一系列不同的關鍵技術,后者由于要發展適合在寬域內穩定燃燒的發動機和發動機與機體一體化設計技術,其難題更多。當然,兩者還有許多共性的關鍵技術,如防熱材料和結構、人工智能的控制系統、先進的故障診斷技術等。

  3)太空旅游。2001年4月28日,由美國太空探險公司用俄羅斯的聯盟號飛船,將美國商人丹尼斯·蒂托送入國際空間站。2021年維珍銀河公司和藍色起源公司相繼實現了亞軌道旅游。2021年9月16日,SpaceX公司實現了首次“全平民”太空旅游,將4名太空游客帶到距離地面550公里環繞地球飛行,進行為期3天的太空旅游觀光。今后,隨著航天運輸費用的下降和商業空間站的建成,太空旅游將有廣闊的前景。隨著太空旅游的發展,對航天運輸系統的可靠性和安全性會提出更高的要求,為此要發展新一代的太空救生技術。

  4)現代航天制造業。現代航天公司正在將飛機和導彈的批量制造經驗,融合到衛星、火箭和地面設備的制造中,并希望應用3D打印,人工智能、物聯網等前沿技術,增加使用商用工業級器件的比例,通過標準化、模塊化以實現批量生產,以縮減研制成本和研制周期。

  5)在軌服務。包括對航天器的軌道加注(燃料和能量)、軌道維修、軌道加工和軌道碎片清理等。在軌服務的發展,呈現出從低軌到高軌再到深空的漸進式發展態勢。星座的發展,大大增加了在軌服務對象的數量和類型,需要采用更經濟、更高效的在軌服務方式。太空機器人技術是在軌服務的核心技術,他包括目標捕獲跟蹤與測量技術、太空平臺技術、太空機械手技術、遙操作技術等。

  6)太空采礦。行星、衛星和小行星等天體具有豐富的太空資源,包括金屬、水、氫、氧和稀有礦物等,這些資源在地球上存量有限,而在宇宙中十分豐富并可持續利用。要早日實現太空采礦,需要攻克太空資源勘探與采選、太空導航定位與信息感知、太空采礦智能裝備、太空資源就地加工與原位利用、太空資源快速運輸等一系列技術難題。


  3.中國民營商業航天的創新

  1)中國民營商業航天的興起

  中國的商業航天與美國商業航天全由民營企業承擔的有所不同。我國國營的中國航天科技集團公司和中國航天科工集團公司,除了承擔繁重的國家任務外,仍然是發展商業航天的主力。同時也有多種類型的企業,(包括其他國營企業、混合制企業和民營企業),參與發展我國的商業航天。

  2014年的11月,國務院發布的《國務院關于創新重點領域投融資機制鼓勵社會投資的指導意見》中,鼓勵民間資本參與國家民用空間基礎設施建設。完善民用遙感衛星數據政策,加強政府采購服務,鼓勵民間資本研制、發射和運營商業遙感衛星,提供市場化、專業化服務。引導民間資本參與衛星導航地面應用系統建設。自此,我國開啟了民間資本參與國家民用空間基礎設施的大門,拉開了中國民營商業航天的序幕。至今為止,航天創企超過400家,總共獲得的融資額大概有500億元人民幣。目前這些創業公司的產品已經覆蓋了從運載系統、衛星平臺、載荷及其地面應用,以及發射、測控等航天產業鏈。這些民營航天公司彌補了國企在開拓市場和創新能力方面的不足,促進了國企的改革,形成了多種所有制共存合作的局面;調動了地方政府和社會資本的積極性,通過政企合作,與區域經濟結合,成為地區經濟增長的新動力。在世界商業航天領域,我國已處于僅次于美國的世界第二的位置。

  2)民營商業火箭公司的創新

  在商業火箭領域目前已有五家非國有的火箭公司,已將商業火箭發射入軌。這些公司為星際榮耀、星河動力、中科宇航、天兵和藍箭航天。估計后續還有幾家民營火箭公司將發射火箭入軌。特別是星河動力連續完成8次成功發射,并曾在一個月內完成兩次發射,將單個火箭制造與發射,擴展到批量制造與發射。藍箭的“朱雀二號”運載火箭發射成功,成為全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭。這些成就,都是在民營火箭技術創新的標志性事件。這些民營火箭公司有的采用“先固后液”的技術路線,有的“直接攻液”。而在發展液體發動機方面,有的選擇煤油,有的選擇甲烷。總之,這些民營公司實現了差異化競爭。有些公司也在火箭回收技術方面開展了預先研究。總之,它們并沒有照抄國企的成果,而十分注重技術創新。

  3)民營商業衛星公司的創新

  商業衛星領域已有多家商業遙感衛星公司已取得了重大創新成果。其中長春的長光衛星科技公司已經發發射了109顆吉林一號衛星,可以對世界各地每天拍攝18次。這家公司突破了一系列關鍵技術,包括星載一體化整星設計制造技術、先進光電成像技術、超大規模星座智能運管技術、遙感影像快速自動化生產技術、海量遙感大數據智能解譯技術等,實現了遙感衛星技術的飛躍,大幅降低了成本,提升了性能和服務能力。珠海的上市公司歐比特發射并運營的商業遙感微納衛星星座“珠海一號”(已發射成功4顆視頻衛星和8顆高光譜衛星),填補了我國高光譜遙感領域的空白。這家公司致力于遙感數據地面系統與人工智能處理技術的結合,引導衛星大數據行業的創新發展。微小衛星已成為商業衛星發展的主流,已涌現出天儀研究院、微納星空、九天微星、零重力實驗室等一大批研制微小衛星的民營公司。其中天儀研究院借助互聯網思維推行快速迭代,已經發射了包括SAR衛星在內的25顆小衛星。許多公司專注研發衛星分系統,例如研發電推進系統的傲天科技,也已取得了許多成果。

  衛星通信是太空經濟的主力和核心。我國應盡快建設一個具有中國特色的,由政府組織協調、企業分工合作的大型衛星互聯網系統,將具有重要的戰略價值。2020年4月20日國家發改委首次明確將衛星互聯網列入新型基礎設施的范圍。2021 年4月,星網集團在河北雄安揭牌,成為我國第97家央企。

  2020年1月16日,銀河航天的首發星搭載科工火箭旗下的“快舟一號甲”運載火箭發射成功,成為中國首顆通信能力達10Gbps的低軌寬帶通信衛星。2022年3月,由長征2號丙火箭成功發射了銀河航天的6顆低軌寬帶通信衛星,它們與首發星共同組成了低軌寬帶通信試驗星座,并構建起星地融合的5G試驗網絡。2023年7月23日,銀河航天又成功發射了我國首款柔性太陽翼通信衛星“銀河航天靈犀03星”。吉利汽車旗下的時空道宇公司,在2022年6月2日將“吉利未來出行星座”首批九顆星成功發射入軌,開啟了“天地一體化高精時空信息系統”空間段的建設。據悉,“吉利未來出行星座”計劃由240顆衛星組成,以提供自動駕駛、物流運輸、無人機導航、遙感測繪等多領域服務。此外,國電高科正在建設“天啟”物聯網星座,即將建成投入使用。

  4)我國民營商業航天面臨的挑戰

  總之,我國民營商業航天的發展已經取得了巨大成績,促進了航天直接為社會和經濟發展服務;降低了航天發展的成本,并為持續發展積累資金;促進了航天技術的創新;鼓勵了更多年青人投身于航天事業。另一方面,我國商業航天的發展,也存在一些問題,如缺乏較長遠的統籌規劃,項目的低水平重復較多;缺乏原始的技術創新,特別是顛覆式創新等。

  結束語:寄語航天創業者

  現在,世界航天已經發展到了一個新技術革命的前夜,未來十年將是航天發展的黃金時代。當前有許多創意的新思想層出不窮,包括像軌道服務和維修、核動力火箭、太空天梯、太空太陽能電站、太空采礦、太空制造、太空酒店、太空旅游等,這些想法都需要人用技術創新去實現。

  未來,將有更多的創業者投身于航天事業。我們期望他們:首先要有獻身于中國航天的理想。從事航天行業,必須有一個長期默默貢獻的信念。其次,創業若想成功,需要有人才和團隊,人才是創新的前提,創始人的品德是團隊能否合作的關鍵。最后,航天領域的創業者,千萬不要害怕失敗,航天技術的高度復雜性就意味著高風險,萬一創業受到挫折,一定要堅持而挺過去。


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