头图是豆宝生成的，提示词是：穿着太空服的马斯克。
最近，我在一次直播中提到了我的家乡中国山东海阳的东方航天港建设。不过由于时间关系，我们没有详细介绍目前商业航天的发展情况。后来，一些观众对这个话题产生了兴趣。再加上近期星舰第六次试飞，国内卫星发射的频率也明显加快。所以我写了一篇文章向感兴趣的读者介绍我对商业航天的了解。
商业航空航天
商业航天始于2004年。布什总统暂停了美国航天飞机计划，NASA通过资助商业公司继续开展太空活动。
在美国这样市场发展水平较高的国家，航天任务早期也是由NASA和军方等国家队主导。但在研制过程中却发现，国家队主导的航天模式，研发投入和发射成本越来越高，逐渐超出NASA的预算限制，与航天发展的初衷背道而驰。
因此，NASA开始尝试采用市场化招标的方式，将部分任务（主要是近地轨道作业）承包给私营公司。受益于承担官方商业化任务以及政府提供一些技术支持，蓝色起源、蓝色起源等公司逐渐发展起来。
现阶段，美国的近地轨道任务，如卫星发射、空间站宇航员运输、货运任务等基本完全由商业公司执行。政府主要负责探月、探火等遥远的太空探索任务，甚至一些商业公司也开始涉足火星探索，比如目标是火星移民，一些商业公司就采取了不同的方式并开始探索太空旅游业务，例如蓝色起源。
中国比美国晚一点。 2015年放开民间资本进入商业航天领域，一批民营火箭、卫星公司也诞生了。
综上所述，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的相关技术服务和应用等。
商业航天与国家队航天最大的区别在于理念和模式的不同。商业航天以市场为导向，必须有商业盈利模式。商业航天的优势在于能够通过充分竞争提高行业整体技术水平、降低行业成本。
卫星互联网
目前，与商业航天和老百姓生活关系最密切的业务就是卫星互联网。
我们当前的通信网络主要依赖地面基站，但地面基站有三个重要的局限性：
首先，信号传输效率受多种条件影响。比如，想要保证山区的通信，就只能翻山越岭，到偏远山区建设基站。在城市中，建筑物的遮挡也会削弱信号传输效率。
其次，工作频段越高，传播距离越短，这就需要增加基站发射功率和分布密度。例如，为了保证相同的信号强度和覆盖面积，5G基站的数量必须大于4G基站的数量。
第三，需要铺设大量电缆，有时甚至跨越山脉和海洋，成本非常高。这也是很多地方没有网络覆盖的重要原因。
以上三个方面都显着影响了通信网络的建设成本和服务范围。卫星通信为上述问题提供了潜在的解决方案：
首先，卫星在天空中，没有固体障碍物，因此信号传输效率的损失很小。
其次，卫星轨道距离地面越远，信号覆盖范围越广，所需卫星数量越少，相对成本也越低。
最后，主要依靠空对地信号传输，不需要铺设大量电缆。
但卫星通信解决方案的问题是：
首先，高轨卫星覆盖范围大。三颗高轨卫星就可以覆盖整个世界。但高轨卫星距离地面较远，信号传输距离较远，面临通信时延较长；
其次，高轨卫星需要远距离通信，因此只能选择较低的工作频段并保持较高的发射功率。因此，卫星的尺寸和质量会比较大，发射成本也会增加；
第三，降低轨道高度可以减少时延，但低轨卫星的覆盖面积相对较小，需要更多的卫星网络才能覆盖同一区域。因此，制造成本和发射成本仍将增加。
第四，在星间通信技术不攻克的情况下，卫星仍然需要依靠地面基站来接收信号。为了保持通信连续性，需要在多颗卫星之间切换通信链路，而低轨卫星距离地面某个点比较近。它不是固定的，因此地面站必须有复杂的跟踪系统，这也增加了成本。
第五，卫星制造成本较高。以前国产单颗卫星的成本在3000万元左右，现在已经大幅下降，在可预见的将来应该能够降到1000万元以下。
第六，在火箭可回收技术开发出来之前，卫星发射成本较高，每公斤约6万至15万。
如果能够克服上述问题，卫星通信解决方案就有完全替代地面通信系统的潜力，其商业价值不可估量。因此，作为一种潜在的技术方案，很多企业都进行了尝试。
例如，1990年摩托罗拉提出的“铱卫星计划”、1991年劳拉和高通提出的“全球星”系统、1995年推出的“轨道通信计划”等等。
但无一例外的是，由于技术限制、成本控制、市场定位等问题，上述计划均已宣告破产或重组，仅因军方需要而保留了少量业务。
打破局面
很多企业都曾尝试过，但没有一家取得突破性进展，直到取得突破。
对商业航空航天的重要性在于：
首先，创新材料显着降低了火箭制造成本。火箭本体的主要材料是不锈钢。据马斯克介绍，每公斤的成本仅为3美元。传统火箭体碳纤维材料成本高达每公斤135美元，而碳纤维在切割过程中面临约35%的损耗，因此实际成本接近200美元/公斤。
其次，可回收技术大大降低了发射成本。一枚新的猎鹰9号火箭的成本约为5000万美元，重复使用的次数越多，成本就越低。根据每次发射的有效载荷，一次新火箭发射的毛利润约为1200万美元，而多次发射的毛利润则超过3000万美元。目前已知火箭最大重复使用次数超过18次（猎鹰9号于2024年3月31日发射）。
依靠上述两项技术和大推力发动机，每公斤发射成本从6万元、15万元降低到2万元。未来目标是进一步降低成本至每公斤1000元左右。
最后，也是最重要的，它颠覆了卫星的制造方法和开发理念，其对技术创新的追求也令人耳目一新。
首先，我们过去限制了卫星发射的数量和频率，几乎每颗卫星都有不同的设计功能。因此，传统的卫星制造方式采用“定站”生产，由多名工程师共同完成一颗卫星的整个制造过程。从设计、组装、测试到上线，整个过程需要8个多月的时间。
不过，星链计划了4.2万颗相对标准化的卫星，因此可以而且确实需要进行大规模生产。由此可以引入装配线、模块化和3D打印，大大提高效率并降低成本。 2023年3月发布的一份报告称，他们每天可以制造6颗星链V2.0 Mini卫星。
第二，过去由于制造和发射成本较高，我们的卫星发射理念追求高成功率和高可靠性，卫星的设计寿命也比较长。这导致我们优先考虑高端耐用组件。例如，相控阵芯片一般采用抗辐射专用芯片，这显着增加了卫星制造成本。
不过，考虑到卫星属于“消费产品”，星链卫星的设计寿命只有5年。 5年后，它们将脱离轨道进入大气层并燃烧。一方面，这使得需要不断制造和发射卫星。另一方面，也为星链技术的不断升级提供了条件。星链的第一代卫星相对传统。此后发射的卫星逐渐增加了星间通信、空间变轨、手机直连等功能。
三是科技创新追求令人大开眼界。
一是创新卫星外观。我们印象中卫星的主流形状是“一个球体+两个翅膀”。机翼是太阳能电池板，球体集成了各种功能负载。不过，为了提高单箭的发射能力，制作了“立方体”折叠卫星。早期版本长约4米，宽约1.7米，后期版本长约4.1米，宽约2.7米，厚度在1米以内。
随着技术越来越先进，卫星变得越来越大、越来越重，显然配备了更多的功能。单枚火箭发射的最大卫星记录为143颗，但根据火箭容量和卫星型号的不同，单枚火箭发射的卫星数量也不确定。目前主流火箭有猎鹰9号（最大运载能力22.8吨）和猎鹰重型火箭（最大运载能力64吨）。预计“星舰”很快就会投入使用，最大设计运载能力为150吨。
二是实行成本优先。我们传统的卫星发射方式是“直接发射入轨”。卫星本身只具有轨道维持功能，不具备在太空变轨的能力。因为在过去燃油推进的技术水平下，比冲较低。如果想让卫星获得推力，就必须携带更多的燃料，这就增加了卫星的尺寸和重量。所得大于损失。
霍尔电推进器的工作原理是通过电场和磁场的相互作用，加速并喷射电离的气体离子，从而获得推力。不同的气体有不同的电离难度。先后采用氙、氪、氩作为推进剂，推力更大，成本更低。例如，一公斤氩气的成本为500至1500美元，氪气的成本为3000至10000美元。因此，卫星只能送入440公里的轨道，然后可以利用推进器将其缓慢推至550公里的轨道，节省火箭推进燃料。
空间竞争
星链计划了两个星座。第一阶段将发射1.2万颗卫星，第二阶段计划发射3万颗卫星。这些卫星将在低轨道联网，可为地面用户提供高带宽、低延迟的互联网通信服务。
目前星链卫星主要有V0.9、V1.0、V1.5、V2.0 mini等型号。 V2.0的几个衍生版本也正在被送入轨道。据说V3.0版本也已经开始设计了。目前正在开发两个版本：1.0 和 1.5。 1.0不具备星间激光通信能力，更多依赖地面测控网络。从1.5版本开始，星链卫星已配备星间激光通信设备，具备星间通信能力。随着新版本卫星数量的不断增加，旧版本将逐渐被淘汰。
虽然之前的型号还需要接地端子，但最新的V2.0 mini D2C版本已经支持手机直接连接。公开资料显示，截至11月，星链共有6764颗在轨卫星，占全球在轨活跃卫星的60%以上。其中，运营中的有6290个，具有手机直连功能的有336个。成为全球拥有手机卫星直连能力的在轨卫星数量最多的公司，基本实现了中低纬度地区的初步通信覆盖能力。
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。据计算，300~300米的低轨空间总共可容纳约5.8万颗卫星。预计2029年部署卫星约5.7万颗。一族申请了4.2万颗卫星，占比72%以上，其余均与其他国家竞争。
其次，频段资源也有限。目前主流频段有L、S、C、Ku、Ka、Q、V、E等，L、S、C基本已经用完，Ku、Ka所剩无几，星链占据了大部分其中。新发射卫星的频段主要集中在Q、V、E频段。
我国提出了三个“万星星座”计划，包括1.3万颗“GW星座”、1.5万颗“千帆星座”、1万颗“洪湖三号星座”。这三个星座的具体计划目前还不得而知。其轨道面分布和频段情况，可能要面临直接竞争。
卫星频段资源主要由国际电信联盟（ITU）管理和分配。目前的原则是“先到先得”。不过，为了提高频段资源分配的有效性，防止过度占用，ITU还规定，首颗卫星必须在提交申请后7年内发射，其中10%的卫星必须在2年内发射监督使用期结束后。 5年内推出50%，推出后7年内完成全部部署。若未按时满足要求，则视为放弃相应资源所有权。换句话说，所有发射必须在首次申请后14年内完成。这反过来又对卫星制造和发射能力提出了要求。
两方面都有优势：
首先，卫星发射频率越来越快，2022年平均每10.7天发射一批，2023年缩短到5.8天，2024年缩短到4.1天。
其次，卫星实现标准化，并引入3D打印、模块化和装配线。他们透露，他们每天可以生产6颗V2.0 Mini卫星。
之所以能够如此高频率地发射卫星，除了自身的火箭和卫星生产能力外，还得益于拥有相对充足的发射场资源以及发射装置的维护时间相对较短。
共有4个发射场，极端情况下每月可发射10次以上。第五个发射场也在建设中。
前景
首先，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，展现出多元化的应用潜力。例如，星链目前由通信卫星组成，可以为“星舰”试飞和商业太空行走任务提供通信支持。如有必要，未来还可携带导航、遥感或其他有效载荷，增强光电侦察监视能力、电子干扰能力甚至导弹拦截能力。
其次，星链实现了现金流平衡，用户数量不断增加，服务成本不断降低，卫星互联网商业模式得到验证。 2023年11月，马斯克表示星链业务已实现现金流平衡。
2024年以来，“星链”系统凭借多域覆盖、高质量通信等优势。在完成北美、欧洲、大洋洲市场布局的基础上，进一步拓展亚洲、非洲市场，抢占全球卫星互联网服务先发优势。目前为超过400万用户提供天基通信服务。
那么，中国卫星互联网的前景如何？一言以蔽之，它正在积聚力量，随时可能爆炸。
与高工艺芯片不同，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实现完全的技术自主。当然，我们在某些方面确实有所逊色，但我们也是近十年来爆发式增长的新锐公司。
2015年，中国商业航天产业向民间资本开放。 2020年，卫星互联网被纳入“新基建”范畴，成为国家战略项目。 2021年，长三角“G60星链”产业基地规划，规划卫星产能为每年300颗卫星，并将逐步提高到每年500至600颗卫星。
2023年，重庆两江新区将以“重庆数字创新园”为核心载体，打造国家级卫星互联网产业创新中心，推动卫星互联网产业发展。
事实上，以中国的工业制造能力，增加火箭、卫星产能是比较简单的。假设和对标，目前的不足在于性价比，即卫星制造成本、火箭发射成本和发射频率。
首先，发射频率不受火箭产量的限制，而主要受发射场资源的限制。目前火箭制造主要以按需生产为主，产能远未满负荷，但发射场资源有限。有五个可用的发射场，每三天可进行一次发射。中国的发射场主要是军用发射场。发射器的维护周期大约需要2周，因此发射频率相对较慢。
不过，海南建设的商业发射场已逐步投入使用，海上商业发射场建设也逐步启用。未来，发射资源不足的缺点将得到极大缓解。
其次，火箭发射成本主要受到发动机容量、每枚火箭多颗卫星以及可回收技术的限制。可回收技术的关键点包括发动机二次点火和姿态调整。一级火箭下落过程中，需要采集位置、速度、姿态等信息，实时在线计算发动机所需的推力和作用方向，影响制导算法。要求极高。
蓝箭航天、中科航天、星际荣耀等国内企业正在推动可回收技术的研发。蓝箭航天首次实现垂直起降以及返回火箭在空中二次点火。中国商业航天事业或将在2025年完成首枚可回收火箭送入轨道的首飞。中国已经尝试过使用一箭18星，未来还将探索一箭36星、一箭54星星星甚至更多。
第三，卫星制造成本有望大幅下降，但解决方案仍有优化空间。密集发射带来的规模效应将带来卫星制造成本的大幅降低。但如果想要制造成本与星链相当，就需要在包括相控阵芯片、霍尔电动推杆等重要部件上追求更好的功耗和性价比。
国产高端零部件的成本仍然较高。因此，为了追求更高的利润，国产商业卫星仍然会采用国内外组件的组合。但我相信，大规模制造的需求将倒逼国产零部件的技术升级和成本降低。
总结
综上所述，中国的火箭和卫星可以实现完全的技术自主，但从商业航天逻辑来看，在成本方面还有很大的优化空间。由于未来量产的需求，成本端可能会迎来大幅下降，但想要与之竞争，还需要克服很多技术难题。
需要看到的是，作为规模效应较强的基础设施，卫星互联网领域也可能出现“赢家通吃”的局面。目前该公司已在多个大洲开展业务。国内政策和厂商应形成合力，进一步加快商业航天布局。
/// 结尾 ///
