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科学大家|航天新时代!我国商业航天面临哪些机遇挑战

出品| 新浪科技《科学大家》

撰文| 黄志澄 空气动力学家、航天技术专家,远望智库高级研究员

2016年12月27日国务院新闻办公室发布了《2016中国的航天》白皮书。白皮书提出了中国航天未来发展的愿景:全面建成航天强国,为实现中华民族伟大复兴的中国梦提供强大支撑,为人类文明进步作出积极贡献。这份白皮书提出了为建成航天强国要采取的多项措施,其中最重要的是以下两项:

一是要大幅提升航天创新能力。要推动建设航天领域研究基地,超前部署战略性、基础性、前瞻性科学研究和技术攻关,大幅提升原始创新能力,打造国家科技创新高地。为此,要依托重大工程和重大项目,加强战略科学家、科技领军人才、企业家人才和高技能人才队伍建设。

二是要完善航天多元化投入体系,大力发展商业航天。要鼓励引导民间资本和社会力量有序参与航天科研生产、空间基础设施建设、空间信息产品服务、卫星运营等航天活动。推动政府与社会资本合作,完善政府购买航天产品与服务机制。

由此可见,我国航天未来的发展的关键是提高创新能力和大力发展商业航天。实际上,航天领域包括公共航天、商业航天和军事航天三个部分。商业航天是以市场规则配置技术、资金、人才等资源要素,以盈利为目的、独立的非政府航天活动。公共航天的主要任务是发展面向社会每个成员的公共航天活动,它的发展也必将为商业航天和军事航天提供技术支持。商业航天的发展不仅是太空经济的果实,也是军事航天发展的必然。无疑,商业航天将是军民融合深度发展的突破口。

世界航天进入新时代

当前,世界航天出现了继20世纪载人登月高潮后的第二个新高潮,推动世界航天进入新航天时代。

1957年10月4日,前苏联用弹道式导弹SS-6,成功地发射“人造卫星1号”。1961年4月12日前苏联宇航员加加林(ЮрийАлексеевий Гагарин,1934-1968),首次乘“东方号”飞船环绕地球成功,从而开创了人类的太空时代。

冷战时期航天发展的标志是太空竞赛和太空对抗。第二次世界大战以后,苏美两国在太空展开了一场史无前例的竞赛。在这场竞争中,前苏联开始处于领先地位,接着美苏在太空领域,进行了激烈的竞争,并相应开展了以军事为目的的各种太空活动。。

苏联解体后,航天发展进入了一个转型时期。随着航天基本技术的日臻成熟,世界航天开始从太空竞赛和太空军事化,向全面推动社会经济发展和军民融合发展转型。

新航天时代未来的目标是走向深空。由于航天活动的高风险和高成本,传统航天往往会采用比较保守的技术,以保证其高的可靠性,从而在一定程度上,阻碍了航天的创新步伐,也长期难于突破航天发展的瓶颈。以美国为例,在成功完成阿波罗登月计划之后,政府对航天活动的投入不断减少,现在的投入不及当年的1/8,让其载人航天活动,只能长期局限在地球低轨道之内。近年来,美国为了保持其在航天技术的领先地位,提出了载人火星探索的目标。2015年10月8日,美国宇航局(NASA)公布了《火星之旅:开拓太空探索新篇章》报告,介绍了美国分“三步走”实施载人火星探索系列任务的规划。第一步是整合所有资源,从当前“依赖地球”型载人航天计划起步;第二步是发展地月地空间“试验场”;第三步是形成“摆脱地球”的深空探索能力。特朗普上台后虽然突出了重返月球的设想,但上述NASA走向深空的框架,并无太大变化。

新航天时代的第一个特征是全面商业化。商业化是人类航天事业发展到一定阶段的必然产物,它也必将成为航天事业空前繁荣和发展的新动力。航天商业化必将催生商业航天。虽然美国早在小布什时期就开始鼓励发展商业航天,但奥巴马对发展商业航天更是情有独钟。特朗普则十分强调发展商业航天对美国保持在太空的领导地位所起的关键作用。

2010年6月28日,美国政府公布了新的《美国国家航天政策》,根据新政策,未来美国将致力于航天活动商业化,为商业界提供更多参与航天活动的机会。并承诺政府部门与商业部门是合作的关系,不是竞争关系,同时提出将实施各种刺激机制鼓励航天活动商业化的发展。

美国政府认为,处在自由竞争市场中的商业公司比政府机构更有效。在减少政府投入、提高效益的需求驱动下,美国政府期望NASA通过商业航天,能从技术相对成熟、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和载人深空探测。NASA为推动载人航天领域商业运输发展,提出了多个商业运输计划,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,以及给予商业航天公司以相应的启动资金支持。这种模式给商业航天公司以更大的自主性和灵活性。

新航天时代的二个特征是创新驱动。技术的持续创新、融合与应用,成为商业航天发展的动力。

在全球新一轮科技革命和产业变革形势下,互联网正在深刻影响世界航天,特别是商业航天的发展。近年来,航天和互联网的跨界融合,已成为商业航天新的发展趋势,互联网正在对航天发展产生颠覆性的影响。主要体现在:运用互联网思维发展商业航天,运用互联网平台提供应用服务,探索建立太空互联网,互联网企业进军航天市场等。展望未来,低成本发射技术、重复使用运载技术、先进推进技术、人工智能技术、机器人技术、大数据技术、微系统技术、3D打印技术和新能源、新材料等,将在航天领域广泛应用,从而带动航天制造、发射、运营服务、卫星应用等商业航天产业不断发展和变革。

由此可见,商业航天的发展,其商业模式固然重要,但它能否突破传统航天的瓶颈,关键还是能否在航天领域,选准和培育颠覆性技术,有效地进行持续创新。

新航天时代的第三个特征是军民融合。为满足不断增长的军事航天需求,美国军方在进入太空、利用太空甚至控制太空等多个领域,持续加大利用商业航天资源与服务的力度。随着航天商业化步伐的不断加快,未来商业航天资源和服务,也将不断渗入军用航天领域,为军用航天装备与技术发展提供重要支撑。商业航天已成为军民融合深度发展的突破口。

在进入太空领域,美国商业公司承担了全部军事航天发射任务。太空探索技术公司已获准承担美国军用卫星发射业务,可发射侦察卫星、第三代GPS导航卫星等军用卫星和美国空军的X-37B小型无人航天飞机。在利用太空领域。商业卫星成为美军天基信息支援的重要力量。在卫星遥感方面,商业遥感卫星在支援利比亚战争、监视朝鲜、伊朗的导弹试验以及核设施等行动中,提供了大量高分辨目标图像,为美军提高定点打击效率及争取外交主动权提供了重要支撑。在卫星通信方面,商业卫星通信占美军在海湾战争中卫星通信的20%,占美军在伊拉克战争中卫星通信的80%。在控制太空方面,商业公司利用开发大数据管理软件方面的优势,为军方和政府部门,提供太空态势感知服务,有效弥补美国空军在太空态势感知能力方面的不足。美军借助商业卫星搭载军用载荷,已成为美国实施“弹性与分散式太空系统体系结构”的重要途径,将有效提升美军太空系统安全和抗毁性。

外国经验教训值得借鉴

商业化是人类航天事业发展到一定阶段的必然产物,它也必将成为航天事业空前繁荣和发展的新的动力。美国力图在航天领域实现政府和市场双轮驱动,强化颠覆性技术创新,找到一条低成本、低风险的通向太空之路。

商业航天的蓬勃发展以及基本的航天技术日益成熟,给了众多创业者以机遇。目前,在航天的各个领域如航天运输系统、卫星及其应用、空间站、太空旅游、深空探测和太空资源开发等出现了一大批创业公司。当前,航天成为继互联网之后,最活跃和最有希望的创业领域。航天的发展也正在由政府主导走向国家队和商业航天公司共同发展的新航天时代。

美国的商业航天处于世界领先地位。美国在发展商业航天方面的经验教训,值得我们借鉴。

1。实现政府与市场双轮驱动

美国政府实施鼓励、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》等,均从国家发展战略的高度,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,并要求政府最大限度地采购商业航天产品与服务,以满足政府和社会的各种需求。

完善的立法为商业航天提供了法律保障。美国政府在商业航天的各个领域,都制定了较完善的法规,让商业航天公司有法可依。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;并在实施过程中,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。

另一方面,发展商业航天还必须充分发挥市场的作用。NASA在执行“商业轨道运输”、“商业乘员开发”等多个顶目时,都是选择多家商业航天公司进行竞争。在激烈的竞争中,SpaceX公司依靠自己的创新能力,才能脱颖而出。

繁荣的资本市场为商业航天发展提供了雄厚的资金支持。项目早期由硅谷风险资金介入,中期引进战略投资者,后期在资本市场融资,都对商业航天的成功,起到了巨大的推动作用。如数字地球公司的“WorldView2”卫星,就顺利通过私募股权,筹集资金完成了研制发射。

2。鼓励创新和创业

未来的航天任务充满挑战和风险,只有努力强化颠覆性技术创新,才可能找到低成本和低风险的通向太空之路。发展商业航天促使航天领域向社会开放,以集思广益,共同加速颠覆性航天技术的创新。商业航天的灵魂是创新。新航天与传统航天相比,其优势就是能够充分发挥企业家的创新精神。

SpaceX公司、蓝色起源等公司的成功经验也告诉我们,商业航天发展也需要企业家的远大理想、探索热情、不怕失败和贵在坚持的精神。如SpaceX公司的创建及发展,源于马斯克火星移民的梦想;蓝色起源公司的创建及发展,也源于贝佐斯的一个环保梦想,即把地球上对环境造成严重负担的化工厂、水泥厂、钢铁厂等重工业移到太空中,解决污染排放问题。

美国的大学和NASA的研究中心,也涌现出一批创业者。例如从斯坦福大学走出来的SkyboX公司, 从NASA的Ames研究中心走出来的Planetlab公司,在卫星遥感方面都有创新。也许我国要照搬SpaceX的创业模式困难较多,所以SkyboX和Planetlab的创业模式,对我们更有参考价值。

我们一是要鼓励有远大航天梦想和开拓精神的企业家,勇于尝试,并持之以恒地坚持下去,通过在许多次失败中不断总结和实践,将梦想变为现实。二是要引导企业家和投资者理性看待成败,倡导专注精神。要善于把失败当作教训去反思,把成功当作经验去采纳吸收,沿着自己的梦想坚持前行。

3。推进军民融合深度发展

美国许多商业航天项目如高分辨率遥感卫星,实际上与保障美国国家安全和美国军方密切相关,但美国却并未因此裹足不前,而是通过制定法规和加强监管,让这些商业航天项目成为军民深度融合的范例。

SpaceX公司于2015年5月终获美国国家安全载荷发射资质,并于2017年5月用“猎鹰9”火箭成功执行了首次军用侦察卫星的发射任务,打破了联合发射联盟公司对美国政府有效载荷发射服务的长期垄断,成为第一家打入美国军用航天发射市场的商业航天公司。后来,SpaceX公司的“猎鹰9”火箭还发射了美国 空军的X-37B小型航天飞机。

4。发挥国家航天中心的作用

在美国发展商业航天的过程中,担负发展公共航天重任的美国宇航局(NASA),发挥了不可替代的重要作用。 

首先,它通过多项商业航天计划,为商业航天公司注入项目的起动资金,并用预付服务合同费用,支持商业航天公司的运营。

为了提高颠覆性技术创新能力的需求,NASA首先在内部进行了体制创新,成立了一个新的部门——“太空技术任务部”(STMD),其任务是向社会广泛投资,以发展NASA所不能解决的“大胆的、广泛适用的颠覆性技术”。

NASA为了加速成果转化,向多家新兴航天公司提供了技术支持。SpaceX公司的“猎鹰”火箭使用的梅林(Merlin)火箭发动机的关键技术,就源于NASA上世纪60年代开发的登月轨道舱的煤油液氧燃料火箭发动机。梅林发动经过该公司多次改进后,最新版的发动机已达到了很高的工作效率。毕格罗公司的可扩性膨胀居住舱技术,也曾是NASA试验了多年的技术。 内华达山脉公司的“追梦者”小型航天飞机采用的构型,就是NASA在多年积累的升力体技术上研发出的HL-20升力体构型。

5。重视安全不断改进

在发展商业航天的过程中,有许多创业公司都并不都是一帆风顺,常因为设计的缺陷和赶进度,而造成重大事故。这些事故,虽然给公司的发展带来重大影响,但这些公司并没有气馁,而是在失败中吸取教训,重视航天对可靠性和安全性的严格要求。

例如2014年10月28日,美国轨道科学公司发射“安塔瑞斯”运载火箭,在火箭点火升空6秒后却生爆炸,箭船同时炸毁。2014年10月31日,英国维珍银河公司的“太空船2号”由“白骑士2号”搭载,从莫哈维航空航天港起飞。在飞行过程中,由事故导致副驾驶员死亡,驾驶员重伤

2015年6月28日,SpaceX在执行货运龙飞船发射任务时,因氦瓶钢支架存在缺陷,火箭发射139秒后凌空爆炸解体。

2016年9月1日, SpaceX 定于两天后发射的装载了阿莫斯6号通信卫星的猎鹰9号火箭,在卡纳维拉尔角发射场发生爆炸,火箭、卫星和发射台悉数被毁。

事故并未阻挡美国商业航天前进的步伐,但同时它也提供了深刻的教训: 商业航天发展中既要重视创新,又要重视安全性。发展商业航天,必须在成本、进度和质量控制之间达到平衡。

我国商业航天面临哪些机遇和挑战

在世界航天发展的转型时期,由于前苏联和西方国家在转型期产生的阵痛和冷战时期留下的严重后遗症,给了中国航天发展一个战略机遇期。在这个时期内,随着中国的经济的高速发展,我国正确地抓住了发展机遇,在载人航天、北斗卫星系统、高分辨率遥感卫星、月球探测等领域,取得了一系列丰硕的成果,缩短了我国与世界先进水平的差距,也大大增加了我国独立自主发展航天技术的自信心。

当前,我国经济发展进入了新常态,我国航天发展也面临经费增长减缓,成本增加的困难。随着美国和世界航天全面商业化浪潮的到来,我国航天发展将面临新的严峻挑战和新的考验。

2014年11月27日,国务院正式对外公布60号文件,更明确地鼓励民间资本进入航天领域。鼓励民间资本参与国家民用空间基础设施建设。完善民用遥感卫星数据政策,加强政府采购服务,鼓励民间资本研制、发射和运营商业遥感卫星,提供市场化、专业化服务。引导民间资本参与卫星导航地面应用系统建设。

中国的商业航天与美国商业航天全由民营企业承担不同,我国国营的中国航天科技集团公司和中国航天科工集团公司,仍然是发展商业航天的主力。同时将会有多种类型的企业参与发展我国的商业航天。它们包括国营的其它军工企业和民品企业、混合制企业和民营企业等。

目前,中国已经出现了近百家航天创业公司,其业务包括卫星、星座和卫星应用,火箭、测控以及航天基础技术等,并已取得了许多成果,如“吉林一号”遥感卫星、“长征11号”火箭。“快舟1号”火箭等。这些公司中虽然有国企,但也有民企和混合所有制企业。由于航天是一项高技术、高风险的事业,中国航天需要一批勇于创新、善于合作的人才,投身到中国航天创业大潮中来。

为加速我国商业航天的发展,提出如下建议:

1。加快完善商业航天法律法规

我国目前航天领域立法整体欠缺。商业航天要想实现快速发展,政策法规完善已刻不容缓。一是《航天法》编制过程中要关注商业航天需求。《航天法》作为规范国内航天活动的法律,要充分发挥其规范指引作用,厘清政府和市场、不同监管部门之间等的权责边界,保障商业航天活动有序开展。二是立足实际,优先解决重点领域无法可依的问题。

2。鼓励国企与民企相互合作

国有军工集团,特别是航天科技集团和航天科工集团,作为我国航天产业的中坚力量,必须主动改革,打破自我封闭、自成体系的体制,与民营企业开展合作,共同谋求新的利润增长点。

商业航天仅有国有军工集团参与,是不可能实现跨越式发展的,需要有民营企业参与,并在合作竞争中找准各自定位,实现有序发展。中国的民营航天的发展要立足于中国的国情,不能照抄美国模式。当前中国航天国企、民企虽各有优势,但民企刚刚起步,其整体实力与国企无法相比。两种模式应该取长补短,相互融合。因此,中国商业航天应该走混合所有制的发展模式。如何加强国营航天企业和民营企业的合作,如何对国营企业进行混合制改革,如何从技术、资金、基础设施等多方面支持航天创业,尚待进一步探索。我们相信,中国的航天创业潮,必将推动中国航天事业的发展,将集中力量办大事和大众创新的活力结合起来。

为此,国家要进行引导,鼓励军民协同推进商业航天发展。如尝试将商业卫星纳入国家政府采购范畴,使其与国家投资建设的卫星系统形成有益互补,并为新兴航天企业开展卫星研制、商业发射等业务创造条件,并提供人才、设备设施等方面的支撑。民营航天企业要立足自身优势,树立协同发展理念,通过与高校、研究院所、军工企业合作,实现良性发展。民营企业进军商业航天之前,首先要摸清市场需求和用户需求,以此为导向,找准自身在航天产业链上的定位,然后根据发展需要寻求互补的优势合作单位,共同探索建立可行的、可盈利的、可持续性的商业模式。

3。鼓励社会资本投入

相对于其他行业,航天领域投资具有周期长、资金需求大等特点,吸引社会资本参与,是国际上推动商业航天发展的一条重要经验。一是建议设立国家商业航天产业投资基金。二是建议发挥社会资本对商业航天发展方向的引导作用。

4。逐步建设国家航天研究中心

为了发展商业航天实现航天技术的颠覆性创新,必须由政府和市场双轮驱动。由于目前航天研究所都附属在国营航天企业中,它们不可能对作为竞争对手的民营航天企业,进行充分的技术支持。因此,可在有关的航天专业研究所设立国家重点实验室,由国家航天局和公司进行双重领导。

5。在军民融合的框架下开放航天基础设施

建议在军民融合的框架下,军地协调建设商业发射场或新增发射塔架。商业发射设施的运营,要采用市场模式。建议在军民融合的框架下,军地共同制定商业航天测控规范,鼓励和引导民间资本合法、有序、顺利进入商业卫星的测控领域。

6。培育勇于创新、善于合作的团队

由于我国的商业航天还在起步阶段,和美国的航天创业团队相比,不仅商业经验欠缺,而且其创新能力也嫌不足。有些创业团队急于求成,过多进行商业炒作,并没有在技术创新上狠下功夫。虽然,这是商业航天创业过程中的必然现象,但我国的舆论界,也应给予正确引导。

中国的民营航天的创业者离成功还很远,要有经受曲折和失败的思想准备。不是所有的中国航天创业者都能取得成功,其中只有少数能承受严峻考验的创业者,才能到达成功的顶峰。中国的民营航天企业要在资本的要求和航天发展规律之间取得平衡。要将短期目标和长期规划结合起来,既要细分市场,寻找盈利模式,又必须脚踏实地地进行技术创新。

机不可失,时不再来

展望未来世界航天的发展,对抗与合作并存。一方面,近年来主要航天国家在军事航天领域加速发展,太空军事化进程明显加快,太空对抗和太空威慑日益扩散,引发世界各国对太空安全问题的普遍担忧。另一方面,面对航天事业的高风险和高消耗,世界各国正在以各种方式加强在航天领域的国际合作。既有对抗,又有合作,已成为新航天时代的主旋律。

新时代开启了我国建设航天强国的新征程,也为我国航天发展带来新机遇和新挑战。可以预料,未来中美在太空的博弈,不仅在太空对抗领域,更重要的在是在对未来航天发展和太空安全产生重大影响的商业航天领域。11月21日美国彭博新闻发表的 “美国不会输掉与中国的太空比赛”一文中说,中国的航天部门不太可能容忍来自新兴企业的太多竞争。像SpaceX这样已成熟的私营航天公司,将会在中国政府或其私营企业刚进入这个领域之前,就已经越出了地球轨道。在太空竞赛中,美国可能还会赢。”

由此可见,未来五年将是航天大国争夺商业航天这个航天新高地的决战期。为此,我们应有一种紧迫感,机不可失,时不再来。

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