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黄志澄:从技术创新看中国民营航天

2023-10-30
作者:远望智库 黄志澄
来源:空天大视野

  太空是人类努力开拓的未知疆域,是未来大国竞争的重要高地。世界航天发展已进入以新一代全球星座、常态化载人进出太空、大规模深空探测为代表的新阶段。

  中国正在从航天大国走向航天强国。在这个过程中,技术创新将是最重要的驱动力量。为此,我国航天领域正在新型举国体制下,大力促进技术创新。由此,国营航天企业是航天技术创新的中坚力量,但正在兴起的中国民营航天企业,必然成为中国航天技术创新的新生力量。


  1.航天领域的颠覆性创新

  建设航天强国,必须始终坚持创新驱动发展战略,加强颠覆性技术、新概念技术的研究与储备。

  1995年,美国哈佛商学院教授克莱顿·克里斯滕森与他的同事在《颠覆性技术的机遇浪潮》一文中,首先提出颠覆性(Disruptive)技术的概念。颠覆性技术是一种另辟蹊径、对已有传统或主流技术途径产生颠覆性效果的技术,可能是全创的新技术,也可能是基于现有技术的跨学科、跨领域的创新应用。颠覆性技术打破了传统技术的思维和发展路线,是对传统技术的跨越式发展。例如,数字技术转移应用到照相领域,颠覆了传统的基于胶片的照相技术;计算机技术和通信技术的融合,产生的计算机网络技术,颠覆了传统的信息传输和应用方式。在这基础上,克里斯滕森于1997年又出版了《创新者的困境》一书,在书中他首先提出了存在两种创新,即持续性(Sustainning)创新和颠覆性创新。维持性创新是企业沿着既有技术和产品的改进轨迹逐步向前推进;颠覆性创新则是创造与现有技术完全不同的新技术,创造更为简单、更加便捷与更廉价的产品。

  在航天领域,颠覆性创新远比克里斯滕森教授所描述的要复杂得多:

  首先,航天是高风险事业。人类的航天活动十分复杂而繁重。由于面临高风险和高成本,航天任务往往采用比较保守的成熟技术,以保证高的可靠性。对于新兴技术的应用,要求在技术的先进性和可靠性、安全性之间进行平衡。

  其次,航天新技术的成熟周期较长。一项新兴技术是否是能够在航天中产生颠覆性创新,要用实效来检验。由于航天工程的研制周期长,而且要求进行飞行试验验证,因而其成熟周期较长。

  再次,与一般的民用产品不同,航天领域很长时期承担国家任务,并由政府主导。进入新世纪后各国开始关注市场需求,在完善的市场环境下,企业逐渐成为航天技术创新的主体。

  最后,世界技术的发展是波浪向前推进的。不同技术的发展态势有很大差别。实际上,在技术的发展中,会不断出现一些带头技术,带动其他技术的发展。当代,信息技术是一种带头技术。利用现代信息技术的成果,包括人工智能、大数据技术等,正在推动航天技术的发展。现代的控制技术、通信技术、遥测技术等,进一步提高了航天运输系统的性能。由于卫星使用的信息技术的成分比航天运输系统要多,信息技术对卫星的发展影响更大。航天运输系统的发展还取决于动力技术和材料技术等的发展。卫星的发展也取决于载荷技术、推进技术和电源技术等的发展。展望未来,在航天领域除了利用信息技术和人工智能技术等成果外,更要在动力技术、材料技术、结构技术、能量转化技术及综合它们的总体技术方面,争取出现颠覆性的创新。

  事实上,发展颠覆性技术固然重要,但更重要的是把颠覆性创新和一般传统的持续性创新融合起来,既要注意颠覆性的技术出现,同时也要关注那些渐进性的持续创新。因为颠覆性创新往往是在不断的渐进性创新之后出现的。


  2.航天发展迎来新高潮

  回顾历史,航天技术在它正式诞生之后,就产生一个发展的高潮,在美国实现“阿波罗”(Apollo)登月计划时,几乎到达了航天技术发展顶峰。在这之后航天技术就处于平缓的上升发展期,例如火箭发动机的比冲,在几十年中虽有提高,但幅度很小。

  当今,信息技术的迅猛发展,正在推动航天技术的发展。目前,人工智能技术、核技术、增材制造技术、量子技术、电推进技术、纳米材料等新材料技术、激光等定向能技术等,正在快速发展,必将推动推动航天技术发生革命性的变化。作为对经济和安全有重大影响的航天领域,就像地球发生地震一样,在较长时期积累能量以后,总会出现突破。我们期望这个日子能早日到来。

  美国SpaceX公司自2002年成立以来,已经发展了多项颠覆性的航天技术,如低成本高可靠的火箭重复使用技术、火箭垂直回收技术,超大规模的低轨卫星的设计技术,卫星的成批制造和发射技术等,为SpaceX公司取得成功奠定了技术基础。SpaceX的火箭回收技术,大大地降低了火箭发射的成本。SpaceX的超大规模的低轨道的卫星技术,使得公司实现赢利。

  SpaceX公司发展的颠覆性技术,带动了整个航天领域的技术创新。在信息技术方面,人工智能技术将应用到整个航天领域。特别是通信遥感一体化必须要利用人工智能技术。人工智能能够很快的完成遥感数据的处理,这样才能够很快地通过通信转发到地面上来。在动力技术方面,开始利用甲烷作为火箭发动机的,它在发动机燃料后的结焦很少,且很容易清洗掉,所以很多未来重复使用的火箭发动机大多采用甲烷作为燃料,而且甲烷很便宜。为了充分利用空气中的氧气,正在发展火箭发动机和吸气式发动机组合起来的组合发动机。现在由于核能安全技术的发展,已经可以启动核火箭的研制了。卫星的动力系统发展也很快,各种电推进技术,包括霍尔效应的电推进系统也取得了成功,已经出现全部使用电推进的卫星。在材料和制造技术方面,先进材料和3D打印等先进的制造技术发展很快。这些技术的发展,可在一个月生产几百颗卫星,并全部在在地面完成测试好。当然,航天领域还会涌现许多其他方面的技术创新。

  由于技术创新的推动,在商业航天领域出现了许多新热点:

  1) 低轨互联网星座。要让全球航天经济总量在本世纪40年代达到上万亿美元,需要出现“转折点”,需要让太空经济的推动力有根本改变。卫星互联网是最可能的风口。卫星互联网是继有线互联、无线互联之后的第三代互联网基础设施,以SpaceX公司的“星链(Starlink)”计划和一网公司的“一网(Oneweb)”系统为代表。发展卫星互联网将实现全球互联网无缝链接服务,成为满足目前还未入网这部分人的经济、高效解决方案,有着广阔的市场前景。国外在建的互联网星座,正在加紧频率资源争夺。Ku频率资源已基本被瓜分殆尽;Ka频率资源虽已有低轨星座系统规划,但尚无实际卫星应用;V频率资源已成为多个星座系统作为规模扩展阶段拟申报的储备。目前低轨宽带星座,正在努力攻克高效接入(直接联通手机)、星间链路组网、物联网应用、大规模干扰规避等关键技术,并向通信和遥感一体化的方向发展。

  2)新一代航天运载系统。新一代航天运载系统是低成本且运营灵活方便的运载系统。它们包括重复使用的运载火箭、飞船、航天飞机和空天飞机等。SpaceX公司正在研制的新型垂直起降运输系统“星舰”,既可望出现一个跨星球的运输系统,又可能实现地球上的快速运输。为了实现航班化运输,成本更低机动性更高的空天飞机也许是一种长远的选择。发展重复使用的航天运载系统,首先要解决能重复使用的动力系统。对于单纯使用火箭发动机或使用组合发动机,需要攻克一系列不同的关键技术,后者由于要发展适合在宽域内稳定燃烧的发动机和发动机与机体一体化设计技术,其难题更多。当然,两者还有许多共性的关键技术,如防热材料和结构、人工智能的控制系统、先进的故障诊断技术等。

  3)太空旅游。2001年4月28日,由美国太空探险公司用俄罗斯的联盟号飞船,将美国商人丹尼斯·蒂托送入国际空间站。2021年维珍银河公司和蓝色起源公司相继实现了亚轨道旅游。2021年9月16日,SpaceX公司实现了首次“全平民”太空旅游,将4名太空游客带到距离地面550公里环绕地球飞行,进行为期3天的太空旅游观光。今后,随着航天运输费用的下降和商业空间站的建成,太空旅游将有广阔的前景。随着太空旅游的发展,对航天运输系统的可靠性和安全性会提出更高的要求,为此要发展新一代的太空救生技术。

  4)现代航天制造业。现代航天公司正在将飞机和导弹的批量制造经验,融合到卫星、火箭和地面设备的制造中,并希望应用3D打印,人工智能、物联网等前沿技术,增加使用商用工业级器件的比例,通过标准化、模块化以实现批量生产,以缩减研制成本和研制周期。

  5)在轨服务。包括对航天器的轨道加注(燃料和能量)、轨道维修、轨道加工和轨道碎片清理等。在轨服务的发展,呈现出从低轨到高轨再到深空的渐进式发展态势。星座的发展,大大增加了在轨服务对象的数量和类型,需要采用更经济、更高效的在轨服务方式。太空机器人技术是在轨服务的核心技术,他包括目标捕获跟踪与测量技术、太空平台技术、太空机械手技术、遥操作技术等。

  6)太空采矿。行星、卫星和小行星等天体具有丰富的太空资源,包括金属、水、氢、氧和稀有矿物等,这些资源在地球上存量有限,而在宇宙中十分丰富并可持续利用。要早日实现太空采矿,需要攻克太空资源勘探与采选、太空导航定位与信息感知、太空采矿智能装备、太空资源就地加工与原位利用、太空资源快速运输等一系列技术难题。


  3.中国民营商业航天的创新

  1)中国民营商业航天的兴起

  中国的商业航天与美国商业航天全由民营企业承担的有所不同。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,除了承担繁重的国家任务外,仍然是发展商业航天的主力。同时也有多种类型的企业,(包括其他国营企业、混合制企业和民营企业),参与发展我国的商业航天。

  2014年的11月,国务院发布的《国务院关于创新重点领域投融资机制鼓励社会投资的指导意见》中,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。自此,我国开启了民间资本参与国家民用空间基础设施的大门,拉开了中国民营商业航天的序幕。至今为止,航天创企超过400家,总共获得的融资额大概有500亿元人民币。目前这些创业公司的产品已经覆盖了从运载系统、卫星平台、载荷及其地面应用,以及发射、测控等航天产业链。这些民营航天公司弥补了国企在开拓市场和创新能力方面的不足,促进了国企的改革,形成了多种所有制共存合作的局面;调动了地方政府和社会资本的积极性,通过政企合作,与区域经济结合,成为地区经济增长的新动力。在世界商业航天领域,我国已处于仅次于美国的世界第二的位置。

  2)民营商业火箭公司的创新

  在商业火箭领域目前已有五家非国有的火箭公司,已将商业火箭发射入轨。这些公司为星际荣耀、星河动力、中科宇航、天兵和蓝箭航天。估计后续还有几家民营火箭公司将发射火箭入轨。特别是星河动力连续完成8次成功发射,并曾在一个月内完成两次发射,将单个火箭制造与发射,扩展到批量制造与发射。蓝箭的“朱雀二号”运载火箭发射成功,成为全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭。这些成就,都是在民营火箭技术创新的标志性事件。这些民营火箭公司有的采用“先固后液”的技术路线,有的“直接攻液”。而在发展液体发动机方面,有的选择煤油,有的选择甲烷。总之,这些民营公司实现了差异化竞争。有些公司也在火箭回收技术方面开展了预先研究。总之,它们并没有照抄国企的成果,而十分注重技术创新。

  3)民营商业卫星公司的创新

  商业卫星领域已有多家商业遥感卫星公司已取得了重大创新成果。其中长春的长光卫星科技公司已经发发射了109颗吉林一号卫星,可以对世界各地每天拍摄18次。这家公司突破了一系列关键技术,包括星载一体化整星设计制造技术、先进光电成像技术、超大规模星座智能运管技术、遥感影像快速自动化生产技术、海量遥感大数据智能解译技术等,实现了遥感卫星技术的飞跃,大幅降低了成本,提升了性能和服务能力。珠海的上市公司欧比特发射并运营的商业遥感微纳卫星星座“珠海一号”(已发射成功4颗视频卫星和8颗高光谱卫星),填补了我国高光谱遥感领域的空白。这家公司致力于遥感数据地面系统与人工智能处理技术的结合,引导卫星大数据行业的创新发展。微小卫星已成为商业卫星发展的主流,已涌现出天仪研究院、微纳星空、九天微星、零重力实验室等一大批研制微小卫星的民营公司。其中天仪研究院借助互联网思维推行快速迭代,已经发射了包括SAR卫星在内的25颗小卫星。许多公司专注研发卫星分系统,例如研发电推进系统的傲天科技,也已取得了许多成果。

  卫星通信是太空经济的主力和核心。我国应尽快建设一个具有中国特色的,由政府组织协调、企业分工合作的大型卫星互联网系统,将具有重要的战略价值。2020年4月20日国家发改委首次明确将卫星互联网列入新型基础设施的范围。2021 年4月,星网集团在河北雄安揭牌,成为我国第97家央企。

  2020年1月16日,银河航天的首发星搭载科工火箭旗下的“快舟一号甲”运载火箭发射成功,成为中国首颗通信能力达10Gbps的低轨宽带通信卫星。2022年3月,由长征2号丙火箭成功发射了银河航天的6颗低轨宽带通信卫星,它们与首发星共同组成了低轨宽带通信试验星座,并构建起星地融合的5G试验网络。2023年7月23日,银河航天又成功发射了我国首款柔性太阳翼通信卫星“银河航天灵犀03星”。吉利汽车旗下的时空道宇公司,在2022年6月2日将“吉利未来出行星座”首批九颗星成功发射入轨,开启了“天地一体化高精时空信息系统”空间段的建设。据悉,“吉利未来出行星座”计划由240颗卫星组成,以提供自动驾驶、物流运输、无人机导航、遥感测绘等多领域服务。此外,国电高科正在建设“天启”物联网星座,即将建成投入使用。

  4)我国民营商业航天面临的挑战

  总之,我国民营商业航天的发展已经取得了巨大成绩,促进了航天直接为社会和经济发展服务;降低了航天发展的成本,并为持续发展积累资金;促进了航天技术的创新;鼓励了更多年青人投身于航天事业。另一方面,我国商业航天的发展,也存在一些问题,如缺乏较长远的统筹规划,项目的低水平重复较多;缺乏原始的技术创新,特别是颠覆式创新等。

  结束语:寄语航天创业者

  现在,世界航天已经发展到了一个新技术革命的前夜,未来十年将是航天发展的黄金时代。当前有许多创意的新思想层出不穷,包括像轨道服务和维修、核动力火箭、太空天梯、太空太阳能电站、太空采矿、太空制造、太空酒店、太空旅游等,这些想法都需要人用技术创新去实现。

  未来,将有更多的创业者投身于航天事业。我们期望他们:首先要有献身于中国航天的理想。从事航天行业,必须有一个长期默默贡献的信念。其次,创业若想成功,需要有人才和团队,人才是创新的前提,创始人的品德是团队能否合作的关键。最后,航天领域的创业者,千万不要害怕失败,航天技术的高度复杂性就意味着高风险,万一创业受到挫折,一定要坚持而挺过去。


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