头图由豆包生成，提示词：穿上宇航服的马斯克
近期，在一次直播活动中，我提到了我的家乡中国山东海阳市的东方航天港建设。但因为时间关系，没有详细展开讲当前商业航天的发展情况，后来有观众对这个话题感兴趣。再加上最近SpaceX第六次试飞星舰，国内的卫星发射频率也在明显加快。所以我写一篇文章，给感兴趣的读者朋友们介绍一下我所了解的商业航天。
商业航天
商业航天肇始于2004年，布什总统暂停美国航天飞机计划，美国宇航局（NASA）通过资助商业公司的形式继续进行太空活动。
在美国这样一个市场发展程度较高的国家，航空航天任务早期也是由NASA和军方这样的国家队主导。但在发展过程中发现，国家队主导的航空航天模式，研发投入和发射成本越来越高，逐渐超出NASA的预算限制，违背了航空航天发展的初衷。
因此，NASA开始尝试采用市场化招投标的形式，将部分任务（主要是近地轨道业务）承包给私营企业。受益于承接官方的商业化任务以及官方提供的部分技术支持，SpaceX、蓝色起源等公司逐渐发展起来。
现阶段，美国在近地轨道的任务，比如卫星发射、空间站航天员运送和货运任务已经基本完全由商业公司实施， *** 主要承担探月、探火等较远的太空探索任务，甚至有的商业公司也开始介入火星探测，比如SpaceX的目标是火星移民，还有的商业公司另辟蹊径，开始探索太空旅游业务，比如蓝色起源。
中国比美国稍晚，在2015年放开民营资本进入商业航天领域，目前也诞生了一批民营火箭和卫星公司。
总结来说，商业航天和国家队主导的航天做的事情大致相同，比如火箭研制和发射、卫星制造和运营、载人航天、太空探索，以及围绕上述活动开展的相关技术服务和应用等等。
商业航天与国家队航天更大的区别在于理念和模式不同，商业航天以市场为主导，要具备商业盈利模式。商业航天的优势，就是在于能够通过充分的竞争，带动行业整体技术水平的提高和成本的降低。
卫星互联网
目前商业航天与普通人的生活最为密切相关的业务是卫星互联网。
我们现在的通信 *** 主要依靠地面基站，但地面基站有三个重要限制：
之一，信号传输效率受各种条件影响。比如，如果想要保障山区的通信，只能跋山涉水到偏远山区修建基站。在城市，建筑物的阻挡也会削弱信号传输效率。
第二，工作频段越高，传播距离相对越短，这就需要增大基站发射功率和分布密度。比如，要保障相同的信号强度和覆盖面积，5G基站的数量就要比4G基站多。
第三，需要铺设大量的线缆，有时候甚至要穿山过海，耗费很大。这也是为什么很多地方没有 *** 覆盖的重要原因。
上述三方面显著影响了通信 *** 的建设成本和服务范围。而卫星通信为解决上述问题提供了潜在方案：
首先，卫星在天上，没有固体遮挡物，信号传输效率的损失较小。
其次，卫星轨道距离地面越远，信号覆盖的范围越广，需要的卫星数量就越少，相对成本就越低。
最后，主要靠空地信号传输，不需要铺设大量线缆。
但卫星通信方案的问题在于：
之一，高轨卫星覆盖面大，3颗高轨卫星就可以覆盖全球，但高轨卫星距地面远，信号传输距离长，面临较长的通信延迟；
第二，高轨卫星要长距离通信，只能选择较低的工作频段，而且要维持较高的发射功率，因此卫星的体积和质量就比较大，发射成本会提升；
第三，降低轨道高度可以降低延迟，但低轨卫星的覆盖面积相对较小，这就需要更多的卫星组网才能覆盖相同的面积。因此，制造成本、发射成本依然会上升。
第四，星间通信技术没有攻克的时候，卫星还是需要依赖地面基站来接收信号，为了保持通信的连续性，一条通信链路需要在多颗卫星之间切换，而低轨卫星相对地面某一点不是固定的，因此地面站必须有复杂的跟踪系统，这也增加了成本。
第五，卫星的制造成本比较高。国产卫星的单颗造价之前在3000万元左右，目前已经有大幅度下降，在可预期的未来应该可以降到1000万以下。
第六，在没有攻克火箭的可回收技术之前，卫星的发射成本比较高，每公斤成本约6～15万。
如果可以攻克上述问题，那卫星通信方案就具备全面替代地面通信系统的潜力，商业价值不可估量。所以作为一种潜在的技术方案，有诸多企业进行了尝试。
比如，1990年摩托罗拉提出的“铱星计划”、1991年劳拉公司和高通公司提出的“全球星”系统、1995年轨道通信公司发起的“轨道通信计划”等等。
但无一例外，由于技术限制、成本控制和市场定位等问题，上述计划先后宣布破产或者重组，只有少部分业务由于军方的需求而得以保留。
破局
诸多企业进行了尝试，但都没有取得突破性进展，直到SpaceX破局。
SpaceX对商业航天的重要意义在于：
首先，创新材料大幅降低了火箭制造成本。SpaceX火箭箭体的主要材料是不锈钢，据马斯克说，每公斤的成本只需要3美元。传统箭体的碳纤维材料每公斤的成本高达135美元，而且碳纤维切割过程中还面临大约35%的耗损，所以实际成本接近200美元/公斤。
其次，可回收技术大幅降低了发射成本。一枚全新猎鹰9号火箭的成本大约为5000万美元，复用次数越多，成本越低。根据每次发射的有效载荷不同，新火箭发射一次的毛利润在1200万美元左右，而复用发射的毛利润超过3000万美元。 目前可知，SpaceX火箭的更大复用次数超过了18次（2024年3月31日发射的猎鹰9号）。
依靠上述两种技术和大推力发动机，SpaceX将每公斤的发射成本从6～15万元人民币降低至2万元，未来的目标是把成本进一步降低到每公斤千元左右。
最后，也最关键的是，SpaceX颠覆了卫星的制造方式和发展理念，对技术创新的追求也令人耳目一新。
之一，我们过去发射卫星的数量和频次有限，几乎每颗卫星的设计功能都不一样，所以传统的卫星制造方式采取“固定站位式”生产，几位工程师共同完成一颗卫星的制造全流程，从设计、组装、测试到发射的耗时要超过8个月。
但星链规划了4.2万颗相对标准化的卫星，所以可以、也确实需要批量化生产，由此可以引入流水线、模块化和3D打印，大幅提高了效率，降低了成本。SpaceX于2023年3月公布的一则报告称他们每天能制造6颗星链V2.0 Mini卫星。
第二，过去由于制造和发射成本高，因此我们的卫星发射理念追求的是高成功率和高可靠性，卫星的设计寿命比较长。这就导致我们会优先选用高端耐用元器件，比如相控阵芯片一般会选用抗辐照专用芯片，这就显著抬高了卫星制造成本。
但SpaceX把卫星看做“消费品”，星链卫星的设计寿命只有5年，5年后就会脱离轨道，进入大气层烧毁。这一方面使得SpaceX必须不断制造和发射卫星，另一方面其实也为星链技术不断更新换代提供了条件。星链的初代星还比较传统，此后发射的卫星逐渐新增了星间通信、空间变轨、手机直连等功能。
第三，SpaceX对技术创新的追求使人大开眼界。
其一，创新卫星外观。我们印象中的卫星的主流形状是“一个球形体+两个翅膀”的样子，翅膀是太阳能电池板，球体集成各种功能载荷。但SpaceX为了提高单箭的发射能力，做了“立方体”折叠卫星，早期版本的长宽约4米*1.7米，后期版本的长宽约4.1米*2.7米，厚度都在1米以内。
在技术更先进的情况下，卫星做得更大更重，显然搭载了更多功能。SpaceX的单箭更大发射记录是一箭143星，但根据火箭运力和卫星型号不同，单箭发射的卫星数量也是不确定的。目前的主流火箭还是猎鹰9号（更大运载能力22.8吨）和猎鹰重型火箭（更大运载能力64吨），预期“星舰”很快将投入使用，设计的更大运载能力是150吨。
其二，贯彻成本优先。我们传统的卫星发射方式是“直发入轨”，卫星自身只具备轨道维持，而不具备空间变轨能力。因为在过去使用燃料推进的技术水平下，比冲较低，如果想要使卫星获得推力，则要携带更多的燃料，增加卫星的体积和重量，得不偿失。
SpaceX采用的霍尔电推，其工作原理是通过电场和磁场的相互作用，将电离的气体离子加速喷射出来，从而获得推力。不同气体的电离难度不同，SpaceX先后使用氙、氪、氩气作为推进剂，推力更大、成本更低。比如，一公斤氩的成本是500～1500美元，氪的成本是3000～10000美元。所以SpaceX可以只将卫星送入440km的轨道，然后使用推进器缓慢推升到550km高的轨道，节省了火箭推进燃料。
空间竞争
星链规划了2期星座。一期发射1.2万颗卫星，二期计划发射3万颗，这些卫星在低轨道组网，可以为地面用户提供高带宽和低延时的互联网通信服务。
目前星链卫星主要有V0.9、V1.0、V1.5、V2.0 mini等型号，V2.0的几种衍生版本也在不断入轨，据说V3.0版本也已经启动设计。正在工作的主要是1.0和1.5两个版本。1.0不具备星间激光通信能力，还比较依赖地面测控 *** 。从1.5版本开始，星链卫星即搭载了星间激光通信设备，具备星间通信能力，随着新版本卫星数量的不断增多、旧版本将被逐渐淘汰。
V2mini及之前的型号还需要地面终端，最新的V2.0 mini D2C版本已经支持手机直连。 *** 息显示，截至11月，星链共有6764颗卫星在轨，占全球在轨活跃卫星数量超过60%。其中6290颗正在工作，336颗具备直连手机功能，成为全球在轨拥有手机卫星直连能力卫星最多的公司，并基本具备了对中低纬度区域的初期通信覆盖能力。
近地卫星通信的成功带来的直接问题是近地轨道空间和通信频段资源的竞争。
首先，轨道空间是有限的。根据测算，300～2000km的低轨空间，能够容纳的卫星总量约5.8万颗，2029年预计将部署约5.7万颗，SpaceX一家就申请了4.2万颗，占比将超过72%，剩下的才归其余国家竞争。
其次，频段资源也是有限的。当前的主流频段包括L、S、C、Ku、Ka、Q、V、E等，L、S、C基本已经用完了，Ku和Ka也所剩不多，且星链占用了大部分。新发卫星的频段主要集中在Q、V、E频段。
中国已经提出了三个“万星星座”计划，包括“GW星座”1.3万颗、“千帆星座”1.5万颗、“鸿鹄-3星座”1万颗，目前还不知道这三个星座计划具体的轨道面分布和频段情况，可能要面临与SpaceX的直接竞争。
卫星的频段资源主要由国际电信联盟（ITU）来管理和分配，当前的原则是“先到先得”。但为了提高频段资源分配的有效性，防止过度占用，ITU还规定，在提交申请后的7年内必须发射之一颗卫星，并在投入使用的监管期结束后2年内发射10%的卫星，5年内发射50%，并在首发后的7年内全部部署完成，若未按时达到要求，则被视为放弃相应的资源所有权。也就是说，从首次申请开始，14年内必须全部发射完毕。这又反过来对卫星的制造和发射能力提出了要求。
而SpaceX在这两方面都有优势：
之一，SpaceX的卫星发射频率越来越快，2022年平均每10.7天发射一批，2023年缩短至5.8天，2024年缩短至4.1天。
第二，SpaceX的卫星是标准化的，引入了3D打印、模块化和流水线，SpaceX自己披露，他们每天能制造6颗V2.0 Mini卫星。
SpaceX之所以能如此高频的发射卫星，除了自身的火箭和卫星产能之外，还得益于SpaceX拥有较为充足的发射场资源，而且发射架的维护时间比较短。
SpaceX有4座发射场，极端情况下每个月甚至可以发射10次以上，第5座发射场也正在建设中。
未来前景
其一，星链在俄乌战场上展现了巨大的战略价值，超出了服务普通用户的设计初衷，展现出多元化应用潜质。比如，目前星链由通信卫星组成，可以为“星舰”试飞和商业太空行走任务提供通信支持。如果有必要，未来可以导航、遥感或搭载其它载荷，增加光电侦察监视能力、电子干扰能力甚至导弹拦截能力。
其二，星链已经实现了现金流平衡，且用户数量不断提升，服务成本在不断下降，卫星互联网的商业模式已经得到了验证。2023年11月，马斯克称星链业务已经实现了现金流平衡。
2024年以来，“星链”系统凭借多域覆盖、高质通信等优势，在完成对北美、欧洲及大洋洲市场布局的基础上，进一步拓展亚洲和非洲市场，抢占全球卫星互联网服务先发优势，目前已为超400万用户提供天基通信服务。
那么，中国的卫星互联网前景如何呢？一句话总结，正在蓄力，随时可能爆发。
与高制程芯片不同，作为世界上第五个独立发射卫星的国家，中国在火箭和卫星方面可以做到完全的技术自主。当然，我们在某些方面确实不如SpaceX，但SpaceX也是最近十几年才爆发式成长起来的新锐公司。
2015年，中国商业航天对民营资本开放。2020年，卫星互联网被纳入“新基建”范畴，上升为国家战略性工程。2021年，规划了长三角“G60星链”产业基地，规划卫星产能300颗/年，此后将逐步提升至500～600颗每年。
2023年，重庆两江新区以“重庆数创园”为核心承载体，创建国家级卫星互联网产业创新中心，推进卫星互联网产业发展。
事实上，以中国的工业制造能力，提升火箭产能和卫星产能是一件相对较为简单的事情。假设与SpaceX对标，目前的短板在于性价比，即卫星制造成本、火箭发射成本和发射频率。
之一，发射频率并不受限于火箭生产，而主要受限于发射场资源。当前的火箭制造主要是按需生产，产能远未打满，但发射场资源有限。 SpaceX有五座可用发射场，3天可执行一次发射。中国的发射场主要是军用发射场，发射架的维护周期约需要2周，所以发射频率较慢。
但在海南建设的商业发射场已经逐步投入使用，也在逐步启用海上商业发射场建设，未来发射资源不足的短板会得到较大缓解。
第二，火箭发射成本主要受限于发动机运力、一箭多星和可回收技术。可回收技术的关键点包括发动机二次点火、姿态调整，在一级火箭下落的过程中，需要收集位置、速度、姿态等信息，在线实时计算发动机所需的推力大小和作用方向，对制导算法的要求极高。
国内的蓝箭航天、中科宇航、星际荣耀等公司正在推进可回收技术研发，蓝箭航天首次实现垂直起降返回火箭空中二次点火。中国商业航天在2025年有可能完成首个可回收火箭的入轨首飞。国内已经尝试了一箭18星，未来还将探索一箭36星、一箭54星甚至更多。
第三，卫星制造成本有望迎来大幅下降，但解决方案还有优化空间。密集发射带来的规模化效应将会带来卫星制造成本的大幅下降。但如果希望制造成本能与星链匹敌，则需要在包括相控阵芯片、霍尔电推等重要元器件追求更优的功耗和性价比。
国产化高端元器件的成本还是比较高，因此，为了追求较高的利润，国内的商业化卫星还是会综合混用国内外元器件。不过，我相信批量化的制造需求会倒逼国产化元器件的技术升级和成本压降。
总结
总结来说，中国的火箭和卫星可以做到完全的技术自主，但从商业航天的逻辑来看，在成本方面还有较大的优化空间。由于未来的批量化发射需求，成本端可能会迎来一个较大幅度的下降，但想要与SpaceX匹敌，还需要攻克不少技术难题。
需要注意的是，作为一种规模效应很强的基础设施，卫星互联网领域也可能存在“赢家通吃”的局面，目前SpaceX已经在几大洲开展业务，国内的政策端和厂商应该形成合力，进一步加快商业航天布局。
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