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36氪 2022-12-01

中科宇航技术总监史晓宁:探索适合我国市场的民营航天路线

11 月 29 日 -30 日,36 氪 WISE2022 新经济之王大会顺利举办。

今年,36 氪将大会主题定义为 "Long China Long Innovation 守望中国 保持创新 ",大会将聚焦新能源、SmartEV、新消费、投资人、硬核科技、数字化、XR 与元宇宙和机器人八大热门赛道,汇集数字化、企服、新能源、新消费、双碳、二级市场、商学院、创变者等 10 大分会场。重磅推出 "WISE 2022 新经济之王年度人物 "、"WISE 2022 新经济之王年度企业 " "WISE 2022 新经济之王年度焦点产品 " 三大年度名册。全方位展望新经济领域的趋势动向,探索新经济领域新的增长点。

中科宇航技术总监史晓宁

大会上,中科宇航技术总监史晓宁发表了题为《探索适合我国市场的民营航天路线》的主题演讲,史晓宁认为火箭是一个很智能的产品,可以和大数据人工智能进行融合,后面随着技术创新,更多技术创新的模式引入到商业航天的产业中来,将促进商业航天的发展。

以下是史晓宁的演讲内容(经 36 氪编辑发布):

非常高兴也非常荣幸能有这个机会跟行业内的同仁做一个有关于商业航天的分享,先做一下自我介绍,我是中科宇航的技术总监史晓宁,长期从事运载火箭总体设计的工作,也是 " 力箭一号 " 运载火箭主要的技术参与者。

我今天主要分享的题目是从 " 力箭一号 " 首飞成功看商业航天创新与模式的变革,主要是三部分内容。

一、分享一下我对这个行业的观点从美国和 SpaceX 的一些成功的经验跟大家分享什么是商业航天,包括商业航天的一些底层的逻辑。

二、因为今年的 7 月 27 日 " 力箭一号 " 大概 6 颗高价值卫星成功完成首次飞行实验,也是从我们 " 力箭一号 " 的研制的过程,谈一下我们在中科宇航和科学院在火箭研制过程中采用哪些创新的模式。

三、从我个人的观点看一下我国的商业航天的未来是如何发展。

首先是第一部分。

第一部分主要是商业航天与猎鹰火箭。商业航天的底层逻辑到底是什么?商业航天以这个市场为主导,让航天回归工业的本质,因为之前航天都是一个高高在上的一个行业,采用商业模式之后就是以盈利为目标。以市场经济驱动也是航天回归工业本质的一种表现。

商业航天有两个逻辑。

一、底层逻辑,底层逻辑就是回归市场需要具有极高的市场灵敏度,这就需要采用创新。包括技术管理和研制模式的全方位的创新,因为航天是一个高技术集成度的行业,所以只有创新,技术创新,才能推动整个商业的发展。

二、太空产业,回归商业以后,就是整个军民商的一个融合,也是实施制造业的一个升级,能够推动科技创新和军民融合战略的一个重要的抓手。

下面说一下美国商业航天的成功的模式。

首先美国商业航天的驱动力,第一方面就是经济利益的驱动。因为航天的特殊性,航天活动的复杂性包括技术要求的一个特殊性,以及技术发展的一个前沿性,决定了航天的活动需要付出巨额的费用,如果通过民用服务来挖掘市场的潜能可以大大降低军费的开支。

这也是美国发现了商业航天的一个底层的逻辑。因为美国的商业航天起步较早其中最主要的目的就是为了缓解美国军方的一些负担,早期美国制造一颗人造卫星大概需要 2 亿美元,如果有特殊用途的军用卫星采购价格超过 10 亿美元。

发展的商业航天引入了很多民用的一些技术,包括经济以后。在 2012 年美国发射一颗商业卫星搭载费用仅是 2,500 万美元,这也是采用了各种研制模式创新以后在成本上有大大的降低。以火箭发射为例之前美国主要是采购波音和洛马发射联盟的火箭,发射报价大概是 1.5-4 亿美元一枚。

SpaceX 也是研制猎鹰 9 号以后通过采用回收技术,包括这些大量引入一些工业化的器件大大降低了火箭的发射成本。目前 09 号火箭发射报价大概是 6,000 万美元,所以无论从卫星研制还是火箭研制,从美国引入了商业的竞争包括市场化竞争以后可以大大降低军事军费的一些成本。

第二个方面就是美国的商业航天的第二个方面驱动力,就是技术创新的一个驱动,早期都是通过一个大卫星来实现一个集成化的功能,发展到商业以后,近几年美国越来越发现小卫星能够办大事。卫星组网以后通过一些低成本的卫星就能够实现一个大卫星的一些应用。

包括美国的一些 " 鸽群 " 以网公司的一些组网的卫星,包括 SpaceX 提出的星链,大批量卫星的一个组网,低成本大批量的一个组网,这也是逐步的通过卫星行业的技术创新,包括卫星应用,包括火箭发射的技术创新逐步推动产业的变革。把商业包括一些竞争持续的引入到这个行业当中来。

第三个,美国的商业航天的兄弟国家政策的支持和牵引。据不完全统计早在 1984 年美国就颁布了《商业航天的发展法》,在 2003 年颁布了《航天投资法》。从上个世纪 80 年代开始,美国颁布的相关法律有 11 部,后续又陆续颁布了一些航天的政策和指令。主要是简化各类的审批程序让商业不断的进入整个美国航空航天的产业当中来。

另外以 SpaceX 为例,在成立初期 NASA 也是利用了自身的技术优势,对 SpaceX 提供了大量的帮助和支持,包括直接派驻技术人员,通过专利转让的方式让 SpaceX 发展了很多的关键的技术。包括 09 号火箭采用的针栓式的发动机,以及他用土星 5 号的共位等等。都是离不开美国政府的一些支持。

我谈一下从猎鹰火箭的成功。首先猎鹰火箭成功的核心我总结为以下几个方面:

第一个方面就是可维系的一个市场,SpaceX 后期提出了 " 星链计划 ",早期它主要是发射 NASA 的火箭,NASA 给了很多的订单," 星链计划 " 开始之后,右边这个图可以看到猎鹰火箭的发射次数不断增加后期主要是发射自己的火箭,前期也离不开政府的支持。所以有一个可维系的市场是对这个行业是很重要的。

第二个方面,火箭需要有极高的发射成功率,从 2010 年至今猎鹰 9 号火箭完成 151 次发射,成功率高达 98.7%。除去早期的两次发射失败目前已经是 122 发连续成功,只有成功才能增强市场信心,包括投资人的信心,保险公司的一些信心。只有成功才能不断的提高发射的频率和次数。

猎鹰 9 号火箭最短的发射间隔是 15 小时 17 分钟,2021 年单年发射 31 发平均 12 天一发,这都离不开极高的发射成功率。SpaceX 的火箭的发射成功也离不开美国国家的技术支持,包括很多技术都是建立在土星 5 号航天飞机,包括人员、一些技术积累基础上开展实施的。

第三方面,猎鹰火箭的一个成功的核心就是比较强悍的运载效率,包括一些技术的极致。以猎鹰火箭为例,09 号是近地轨道运载能力到 22.8 吨,起飞重量大概是 500 多吨级,运载效率超过 4%,发动机的推力也是达到了 109 吨。

另外的包括结构系数,右边这个图是世界火箭的结构系数,可以看到 09 号的结构系数高达 0.95 也是达到世界顶级的水平,基本上是远远超过其他的同类型的火箭。所以猎鹰火箭是从技术创新上把火箭的构型动力和结构做到了工业的极致。所以才能够作为一个应用很广包括应用很成功的一个商业化的工业产品。

下面分享一下第二大部分的内容。

我从今年我们 7 月份科学院的第一款固体运载火箭,也是国内最大的固体火箭 " 力箭一号 " 的成功谈一下我们 " 力箭一号 " 火箭在整个研制模式过程中的一些创新之道。

首先谈一下 " 力箭一号 " 的国内首次,包括几个方面。

第一个是实验方法的首次,因为固体火箭到了一定的规模以后很多实验现有传统的实验技术包括实验的基础设施无法继承,所以我们在模态实验等等采用了一些创新的方法,包括水平的空气弹簧多点支撑模态实验,大量减少研制周期和研制经费。

第二个就是我们产品体系的创新,我们采用了国内最大整体装药的固体发动机,也是将起飞规模和运载能力大幅度的提高。

第三个就是航电系统,因为航电系统是火箭的大脑,之前的火箭很难跟现在工业化的这些电子企业进行融合,我们是采用目前主流的工业化的电子信息相关的设计理念,包括引入了大量人工智能的判读技术,以及集成化的构建,航电系统的构架。

我们目前是采用远程笔记本式的一键测发技术,最少 4 个人就可以发射火箭,这都离不开我们航电系统大量的技术创新。包括很多远程智能判读、大数据人工智能等等。

下面一方面是引入了一些部件级的创新,包括第一个就是我们采用了国内第一次大分类无污染的分离能源,这也是借鉴了国外 SpaceX 的一些创新的技术。另外采用了固液融合的一些低成本的结构设计,都是为了通过技术创新降低成本。

下面一方面我们目前是可以实现高精度的入轨,采用了很多算法的创新,首飞也是实现了百米级的入轨精度。另外一些地面设备的创新,我们是用了一个可移动的组装式的厂房,这个厂房可以在发热场,包括我们实验场地都可以提供环境的保障,把地面设备的经费降低到原来的 1/10。

下面说一下 " 力箭一号 " 的创新之道。

第一个就是技术创新,我们是通过技术创新在可靠性和成本之间找到了一个平衡,像刚才说的 10 余项的创新的技术,包括国内的首次,通过技术创新我们实现了三个方面提升。

一个是运载系数的提升,运载系数超过 1%,也是国内固体火箭最高,将固体火箭的运载能力超过了一吨,突破了我们国内的固体火箭运载能力的极限。第二个就是发热成本,目前我们可以把发热成本降低至 1 万美元,尽量的和美国 SpaceX 进行竞争。

下面第二方面就是混合所有制在我们研制模式中发挥了重要的作用,众所周知航天有它的行业特殊性,基本上航天发射还是国家和政府主导的。所以纯的商业模式目前来看做大的火箭,包括一些重型的火箭、一些大的航天发射项目还是存在比较大的困难。我们是采用科学院混合所有制的一个体制,科学院提供了很多的技术包括这个项目的一些支持,在整个研制过程中也是起到了举足轻重的作用。

下面第三个方面,我们也是在 " 力箭一号 " 的研制过程中,采用了研制模式的创新我们一改原来的分系统向单机的研制模式,提出面向单机的总体金融优化模式。将研制周期从原来的十年缩短为 3 年,这也是我们目前固体火箭最短的研制周期。

下面一个方面我们生产模式的创新,我们提出了去任务化的总装集成测试,为了后续大批量的火箭生产提供了一种集成式的 AIT 的模式,这也是参考了猎鹰火箭,包括空客的一些生产线这也是引入了一些工业化的一些生产技术。

所以纵观我们 " 力箭一号 " 的研制模式,我们引入了很多包括工业化、其他行业一些新式的生产模式、产品模式、技术模式,在整个研制过程中大量采用了新技术、新方法、新模式,将火箭的整个性能进行大幅度的提高。

下面分享一下第三方面的内容,我主要是从个人的观点谈一下中国商业航天的未来。

首先第一个就是我觉得中国的商业航天未来可期,首先的一个观点就是卫星的轨道和频率目前是竞争很激烈的,因为 SpaceX 提出了大量的星链,组网发射,包括 12,000 颗卫星的发射,都对卫星的轨道和频率产生了很大的压倒式的一个竞争。

所以我们急需要通过大型运载火箭的发射,包括大型空间任务的发射来竞争,抢占空间的轨道和资源。

第二个方面就是目前低轨卫星市场呈爆炸式的一个增长,因为现在小卫星都是采用这种卫星小型化低成本,一个方面需要大量的组网发射,另外在轨的时间会尽量的短,然后需要大量的补网。

所以从目前的发射趋势来看,因为小卫星的发射对后续的低轨卫星组网,对后续的 5G 兼容到 6G 的融合,是主要的一个趋势。因为现在通信行业也是快速的发展,从最早的 3G 的图像到 4G 的视频到目前 5g 的万物互联,到后续的 6G 都需要低轨星座的一个支持。所以这也是商业航天发展很大的应用需求。

下一个方面就是技术发展向智能化低成本快速响应发展,这个也是目前商业航天都提出包括 SpaceX 是一个先驱,他提出很多新的技术,包括低成本重复使用的火箭,包括目前很多行业都提出故障诊断是人工智能。

因为火箭是一个很智能的产品,所以很好的可以和大数据人工智能进行融合,后面随着技术创新,更多创新的技术创新的模式引入到航天的产业中来促进了商业航天的发展。

我的分享就这么多,感谢各位同仁。

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