美国SpaceX公司快速发展因素剖析及有关启示
来源:尖兵之翼
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作者:孙冀伟 景旭华 黄 超 尚 炜 李 喆
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发布时间: 2020-09-01
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本文在对SpaceX公司快速发展内外部因素系统分析的基础上，对我国航天高质量发展提出了一些建议，希望有一定的借鉴意义...
近年来，国外商业航天公司发展迅猛，尤以美国SpaceX公司为代表，其在短短的十几年时间里，设计和生产了Falcon1火箭、Falcon9系列火箭、Falcon重型火箭以及“龙”飞船等宇航产品，并已开展星链的组网部署，引起了整个行业的高度关注。本文在对SpaceX公司快速发展内外部因素系统分析的基础上，对我国航天高质量发展提出了一些建议，希望有一定的借鉴意义。
进入21世纪以来，以美国为首的世界航天强国逐步调整自身的航天政策，强调扩大国际合作、增强空间安全及发展商业航天。2010年6月28日，美国总统奥巴马颁布了新版《国家航天政策》，其中特别提到，“美国将遵循并建议其他国家也认可并遵循以下原则：具有竞争力的商业航天活动对于航天的可持续发展十分重要。美国政府将致力于鼓励并推动美国商业航天的发展，满足美国自身的需要，形成全球竞争力，加强美国在新兴市场和创新驱动型企业中的领导地位”。
在此背景下，互联网项目PayPal的联合创始人艾伦·马斯克于2002年创立了SpaceX公司，一家以提供航天发射与运输服务为主的私营宇航公司。在成立后的十几年时间里，其设计和生产的Falcon1火箭、Falcon9系列火箭、Falcon重型火箭以及“龙”飞船等宇航产品相继投入使用，并逐步跻身国际航天运输市场的先进行列，引起了整个行业的关注。以Falcon9火箭为例，其标准发射费用为6200万美元，相比美国联合发射联盟（ULA）的德尔塔4重型火箭4.35亿美元的发射费用低很多（Falcon9火箭具备发射能力后，联合发射联盟迫于压力将价格降至2.7亿美元左右），其低成本的运营模式对世界范围内的传统宇航领域企业发射服务市场形成了一定程度的冲击。
SpaceX公司的主要产品
Falcon9火箭。Falcon9火箭是一款中型、低成本、两级构型全液体运载火箭，其主要执行近地轨道空间站货运/载人、高轨通信商业卫星、太阳同步轨道侦察卫星等多种载荷发射任务。Falcon9火箭研制时间为4年半，研制费用约3亿美元。自2010年首飞到2020年5月已完成85次发射，发射成功率达97%。
Falcon重型火箭。Falcon重型火箭的芯级模块和二级模块与Falcon9火箭的一级、二级基本相同。每个通用芯级采用9台Merlin发动机，二子级采用1台大喷管的Merlin-1D真空型发动机。Falcon重型火箭的研制费用约为5亿美元，发射费用为9000万美元，其近地轨道运载能力可以达到63.8吨，GTO运载能达到26.7吨。
星舰。从2016起，马斯克宣布了其火星移民计划及对应的运载器BFR（Big Falcon Rocket，后改名Starship星舰），其一、二级均可垂直着陆并可重复使用，计划2022年发射登陆火星的货运飞船，2024年发射登陆火星的载人飞船。该系统由助推级（火箭）部分和飞船部分构成，整个系统LEO运载能力达150吨左右。
“龙”飞船。“龙”飞船是NASA为满足航天飞机退役之后，定期向“国际空间站”运送货物的需求，支持发展的商业货运飞船，据估算单次任务费用约1.2亿美元。“龙”飞船的最大特点是可重复使用，任务结束后在海面上回收，是目前唯一能够实现回收的货运飞船。“龙”飞船最大可上行载荷6000千克，下行载荷3000千克。
“载人龙”飞船。“载人龙”飞船是SpaceX公司研制的新一代载人飞船，具有可重复使用、乘员运输能力强、内部空间大、操作友好等特点，能够执行低成本、业务化的载人航天飞行任务。目前，“载人龙”飞船单次任务报价约1.5亿美元，平均每座不到2200万美元。
“星链”低轨通信星座。SpaceX公司的低轨互联网星座项目最早于2015年提出，原计划建设一个由近1.2万颗卫星组成的卫星星座，致力于利用大规模低轨卫星提供全球高速宽带接入服务。不过根据SpaceX公司最新提交给FCC的备案，其计划额外再增加3万颗卫星，最终总数将达到4.2万颗。截至目前，卫星在轨数量已达422颗。
SpaceX公司估值与任务情况
2008年，SpaceX公司Falcon1火箭在第四次飞行成功后，NASA给予了其第一阶段CRS合同（16亿），这也是SpaceX公司前期得到的最大一笔外部资金，为其后续快速成长奠定了基础。
2012年，SpaceX公司“龙”飞船成功完成首次货运任务，并获得商业乘员研发合同，公司估值大幅增长至45亿美元。
2013年底，SpaceX公司Falcon9首次成功完成GTO轨道任务，2014年发布载人型“龙”飞船，并获得NASA授予的商业乘员运输能力合同，同期获得10亿美元融资，公司估值推升至120亿美元。
2015—2016年，SpaceX公司相继获得第一阶段CRS补充合同和第二阶段CRS合同，合同金额超过20亿美元，公司估值增长至149亿美元。
2018年，SpaceX公司Falcon重型运载火箭成功首飞，2019年第二次发射成功，公司估值一年内从215亿美元增至305亿美元。
SpaceX公司快速发展过程剖析
政府搭台，企业唱戏。20世纪80年代到90年代末，美国政府出台了多个政策和法案支持发展商业航天。1984年美国政府颁布了《商业航天发射法案》，通过简化保险政策和商业发射许可制度，以及鼓励开放政府航天技术和设施，来促进美国私营部门参与商业航天发射活动，提供发射服务。1988年，美国政府更新了《国家航天政策》，将航天分为“军事航天”“民用航天”和“商业航天”三部分，并将这种分类沿用至今。1990年实施了《发射服务购买法案》、1994年实施《商业遥感法案》、1998年实施《商业空间法》。在2006和2010年又分别更新《国家航天政策》，并在2013年发布新版《国家航天运输政策》，这些政策中最实质性要求就是让NASA将发展核心转向科学研究和深空探测领域，将近地轨道业务交由商业公司竞争。
公私合作，采购服务。NASA2005年开始执行的“商业轨道运输服务”（COTS）计划，是利用商业公司研制的近地轨道运输系统为国际空间站提供货物补给服务。该计划在以往“政府主导，服务专用”的模式上进行了创新，采用了新型的“公私合作”方式。NASA为参与项目的商业公司提供部分固定规模的研制资金，并减少履约过程中的干预和监管，后期通过评估合同内的里程碑节点绩效确定进一步资金投入计划。如商业公司顺利完成研制任务，NASA将采购其发射服务。最终的成果属于商业公司，商业公司可以同时为政府和市场提供服务。
鼓励创新、宽容失败。航天发展的定义是由失败、风险、创新三者之间的关系决定的。2008年之前，Falcon1火箭连续失利了三次；2015年6月28日，Falcon9火箭执行CRS-7任务在空中解体爆炸。可重复使用技术，也经历了8次“蚱蜢”试验，和7次Falcon9的回收试验，才实现陆上回收的成功。NASA并没有因为Falcon9的失利而中止合同，SpaceX公司也没有因为回收的失败而中止逐梦的步伐。应该说，美国鼓励创新、宽容失败的创新氛围，对SpaceX公司成长和发展起到了非常积极的作用。
大力扶持、无偿给予。SpaceX公司的主流运载火箭Falcon9火箭采用的“Merlin”发动机，其性能稳定，结构简单，能够实现大范围的推力调节，发动机性能遥遥领先同类产品。其原型机就是美国“阿波罗”计划的登月飞行器下降级发动机，NASA对SpaceX公司进行了技术转让，更重要的是，这种技术转让几乎是无偿的，同时允许该发动机总设计师入职SpaceX公司，这对SpaceX的快速成长起到了至关重要的作用。
基础扎实、设施开放。美国在20世纪60年代通过阿波罗计划，航天发射能力已经达到了一个很高的水平，强大的基础工业和完善的基础设施为SpaceX公司的快速成长提供了有力保障。例如Falcon9火箭推进剂贮箱由2195铝-锂合金制成，它比传统的铝质推进剂贮箱质量更轻且刚度更强，在美国航天材料领域可以直接采购，很大程度上降低了火箭研制保障费用。Falcon重型火箭发射使用的肯尼迪航天中心的LC-39A工位，就是在土星5号和航天飞机的发射工位上简单改造而成的，NASA以很低的价格租给SpaceX公司，为SpaceX公司节省了大量的研制和建设经费。
SpaceX公司快速发展的内部因素
设计变革、生产集约。SpaceX公司打破了以往发动机、电子设备、导航系统、地面支持设备等分系统由不同研制单位分别承担的模式，采用了纵向整合的高度集成的设计模式，独自承担绝大部分火箭和飞船的设计、生产制造。一级火箭、助推器采用模块化设计思路，均适用多个Merlin发动机并联的构型，可较好实现火箭回收。火箭70%以上的设备由SpaceX公司自己制造，通过采购工业级元器件、货架产品降低成本，并通过冗余设计和在线故障诊断等“软实力”提高产品可靠性。例如Falcon1火箭用的不是价格高达百万美元的航天计算机，而是价值5000美元的普通计算机。
扁平结构、一体管理。传统的宇航公司多是以大团队协同工作的模式研制火箭，如波音公司在研制德尔塔IV型火箭时，以“总体-系统-单机”的团队协作工作模式，团队多、部门多、接口多。SpaceX公司则采用扁平化的管理架构，马斯克是首席运营官兼首席技术官，1名总裁负责行政工作，9名副总裁分别负责相关技术或业务领域工作，下属技术人员直接参与到产品的完成设计和制造中，公司内部没有通常意义上的部门划分，甚至没有组织机构图，各领域的员工平等地参与技术研讨、设计和开发等工作。
尊重规律、注重创新。SpaceX公司深知航天领域技术含量高和风险高的特点，在设计与制造过程中仍然严格遵循宇航型号产品研制中循序渐进的研制流程，在设计完成后通过充分的地面试验考核验证相应设计的正确性。从公开资料获悉的情况来看，Falcon9火箭在研制过程中开展了发动机试车、动力系统试车、结构静力试验、贮箱低温试验、整流罩分离试验等试验验证。同时，为了降低火箭发射服务成本，SpaceX公司一直致力于动力故障诊断及冗余技术等创新技术的研究，为最终实现一子级重复使用进行了大量技术研发和攻关工作，2016年4月8日首次成功实现了一子级模块海上回收，2017年3月30日，其在发射SES-10卫星任务中首次使用前期执行CRS-8任务中回收后的一级箭体模块，实现了技术上的创新和突破。
启 示
SpaceX公司的成功，离不开政府的支持。NASA在SpaceX公司发展过程中扮演了重要角色，其秉承的政府企业合作理念、灵活的合同管理、适度竞争和基于绩效的里程碑风险管理模式等，对于我国推动航天高质量发展，具有一定的借鉴意义。
政企合作理念。商业轨道运输服务项目是NASA与商业航天企业合作的成功案例。NASA主要负责监管和咨询，而不是飞船和运载火箭的实际研发。同时，NASA为相关企业提供资金、技术支持、发射场使用、基础设施租用等条件，支持企业开发自己的技术解决方案，满足NASA以合理的价格采购人员和货物运送需求。一旦新项目经验证确实可行，NASA和其他客户就可以直接以政府购买服务的形式采购商业发射服务。
灵活的合同管理方式。为吸引更多企业参与航天项目，NASA采取了一种不同于传统联邦合同的特殊合同协议。其主要特点是政府与合作伙伴（企业）共同投资，协议兼顾政府利益和商业利益，属于政府和社会资本合作（PPP）的一种典型模式。该模式一方面可以吸引社会资本，控制政府投资，另一方面也可以借助商业力量，促进技术与市场接轨，及时实现技术商业和产业化转移。在后续的重返月球计划中，NASA也继续采取了这种模式。
适度竞争。NASA在空间站服务项目的管理中始终坚持竞争的原则，而且是“双流水”模式。在货运服务项目中SpaceX公司和轨道科学公司竞争；在载人飞船项目中，是SpaceX公司和波音公司竞争。竞争能够激发各类主体的创新活力和发展动力，同时“双流水”的支持模式也能够降低项目的系统性风险。
