從Space X公司的崛起看美國軍事航天的發展趨勢

張小林，顧黎明，吳獻忠

(中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033)

0 引言

從2002年Space X公司宣告成立后的15年間，這家純民營航天企業創造的一個個航天技術奇跡，拓展的一個個商業航天市場成果，不僅僅是Space X公司順應潮流、勇于探索、大膽創新的結果，美國國家調整戰略思維，給予全方位的政策鼓勵與扶持，更是起到決定性的快速發展推動作用。2017年12月15日，Space X公司利用“二手”獵鷹9火箭發射“二手”“龍”飛船(Dragon)是人類航天史上的第一次，也是載入世界航天發展史冊的里程碑事件，這一定也是美國航天領域軍民融合的具體舉措。

Space X公司從成立之初，就站在巨人的肩膀上，其核心員工主要來自美國NASA和傳統的航天大公司的航天精英，Space X公司的雄心壯志還吸引了許多年輕科技人員，到2015年，公司人員已超過4000人。Space X公司成功崛起的經驗值得總結學習，從中可分析總結美國的軍事航天發展的戰略動向和航天技術的發展趨勢，對我國的航天技術發展有積極的借鑒意義。

1 Space X的主要產品及其特點

Space X公司的產品主要包括“獵鷹”(Falcon)系列運載火箭和“龍”(Dragon)飛船，星鏈(Star link)互聯網星座衛星等。目前研制的“獵鷹”系列運載火箭有“獵鷹”1、“獵鷹”5、“獵鷹”9、“蚱蜢”四個型號?！褒垺憋w船包括正在加緊研制的貨運型號，也包括設想中的載人型號。

1.1 獵鷹”系列產品

“獵鷹”1：“獵鷹”1是一種兩級火箭，采用液氧和火箭級煤油作為推進劑，能夠將幾百千克級的貨物運送至近地軌道。2006年3月第一次發射，現已發射5次，其中前3次發射失敗，后2次發射成功?！矮C鷹”1分為標準型“獵鷹”1和加強型“獵鷹”1e兩個型號。標準型“獵鷹”1火箭長21.3 m，直徑為1.7 m，質量為27.67 t，起飛推力347 kN，低地軌道運載能力470 kg。2010年推出的加強型“獵鷹”1e火箭長24.7 m，直徑1.7 m，質量35.18 t，起飛推力512 kN，185 km低地圓軌道運載能力1010 kg，發射價格1090萬美元。該型號已取代標準型。以下介紹針對的是“獵鷹”1e。

“獵鷹”5：與“獵鷹”1一樣，“獵鷹”5也是一種采用液氧和火箭級煤油(RP-1)作推進劑的兩級運載火箭。它與“獵鷹”1使用基本相同的發動機、結構構造(直徑更大)、宇航電子設備和發射系統。這意味著其所有關鍵組件在首飛之前就將已經是經過飛行驗證的。不過，“獵鷹”5和“獵鷹”9一樣，兩級都可重復使用。這將使它們成為世界上首批可完全重復使用的運載火箭。

“獵鷹”5火箭在可靠性上的重大突破源自其有5臺發動機和單一貯箱的第一級配置。它由此將和“獵鷹”9一起，成為美國自“土星”5之后第一種具有發動機停車可靠性的運載火箭。更重要的是，其第一級可在有多達3臺發動機失效的情況下繼續完成發射任務。

“獵鷹”9：Space X公司在2015年9月宣布研制“獵鷹”9運載火箭的?！矮C鷹”9主要有三項用途：一是為商業和政府用戶向近地轉移軌道發射各種尺寸的衛星；二是發射重型低軌衛星，主要是美國國防部衛星；三是爭取用于國際空間站補給發射，首先是貨物補給，以后還可能用于運送人員。

同“獵鷹”1和“獵鷹”5一樣，獵鷹”9也采用液氧和RP-1煤油作推進劑的兩級運載火箭，而且發動機、結構構造(直徑加大)、航電設備和發射系統也與“獵鷹”1基本相同。該火箭已在2010年進行了兩次試射，均取得了成功。2016年發射7次，成功回收5次，先后實現低軌任務的陸地回收以及高軌任務的海上回收?！矮C鷹”9現分為1型和2型。2型“獵鷹”9全長54.9 m，直徑3.6 m，質量333.4 t(低地軌道，5.2 m整流罩)或332.8 t(近地轉移軌道，5.2 m整流罩)，起飛推力約5 MN。

1.2 “蚱蜢”火箭

2013年10月19日，美國Space X公司研發的“蚱蜢”火箭完成了“第八跳”，火箭在點火發射升空到744 m的高空后，又垂直準確降落到發射臺上。整個試驗過程持續78.8 s，火箭降回地面后外觀完好。與傳統運載火箭相比，“蚱蜢”外形上最大不同是帶有四條鋼鋁結構的“腿”，它們帶有液壓減震器，使火箭能抵御垂直落回地面的巨大沖擊而不致嚴重損壞。

“蚱蜢”火箭使用了全新的垂直起飛垂直降落概念，Space X公司希望憑借該技術打造出可重復使用的火箭系統，這樣在運載火箭發射后就可以自動降落在預訂場地上，不需要從海洋中人工打撈火箭助推器或者其他部件。這項技術有助于降低運載火箭的發射成本，使火箭不再是一次使用的消耗品。本次“蚱蜢”試驗是公司研發垂直起降、完全可重復使用運載火箭的“關鍵一步”，希望將垂直起飛垂直降落技術安裝到下一代的“獵鷹”火箭上。該公司已用“獵鷹”9系列運載火箭承攬衛星發射任務，并與NASA簽訂合同，向“國際空間站”運送航天員和物資。

1.3 “龍”飛船

“龍”飛船是Space X公司設計的為軌道接收目標運送貨物和航天員的空間自由飛行航天器。它作為公司的內部項目于2005年啟動，擬用于向低地軌道運送增壓和不增壓貨物，并考慮發展載人型號。飛船由三大部分組成。頭錐部分用于在上升飛行過程中保護飛船和對接適配器。飛船本體部分用于乘坐人員和裝載增壓貨物，并設有裝納航電設備、反推控制系統、降落傘和其它保障設備的服務艙。筒形軀干部分用于裝載不增壓貨物，并支撐飛船的太陽能電池陣和散熱器。

NASA于2008年底宣布選用“獵鷹”9火箭和“龍”飛船來執行航天飛機退役后國際空間站的貨運補給飛行任務。2011年4月18日，NASA宣布同4家公司簽訂了“商業機組發展”計劃第二輪(CCDev-2)下的協議，將向這幾家公司提供共計2.693億美元的經費資助，以扶持研制以商業方式運營的人員運輸系統，Space X公司獲得了其中的7500萬美元。2017年6月1日Space X公司從NASA肯尼迪航天中心向國際空間站發射“龍”航天器，執行第11次商業補給任務?！褒垺睂⒂伞矮C鷹”9火箭發射，為國際空間站的工作人員運送生活補給和科研物資，包括用于研究中子星的科研設備、太陽能電池板、地球觀測工具等。

1.4 星鏈衛星(Star Link)

2019年5月23日，Space X公司使用“獵鷹”9運載火箭在卡納維拉爾角空軍站發射了的60顆星鏈低軌寬帶衛星。本次發射的這些衛星每顆質量約為227 kg，總質量13.62 t。星鏈衛星采用新型平板式設計，配備氪燃料等離子體推力器、大功率天線和防撞預警相機。星上配備多部高通量天線和單一太陽能電池陣。衛星采用利用電和氪氣來產生沖量的霍爾推力器來開展在軌機動、姿態保持和任務末期的再入引導。

這次發射的衛星型號屬于0.9版，沒有配置星間鏈路，但能利用地面站作為中繼通道。星鏈的用戶終端采用相控陣電掃天線，同傳統碟形天線相比，電掃系統能同時跟蹤多顆衛星。

Space X公司最終計劃發射和運營多達4409顆Ku和Ka波段衛星，7518顆V波段衛星組成的一個網絡，這將使Space X公司低軌寬帶星座衛星數量達到11927顆。

Space X公司的星鏈計劃準備三步走搭建：

第一步：用1600顆衛星完成初步覆蓋。其中，前800顆衛星滿足美國、加拿大和波多黎各等國的天基高速互聯網的需求。這1600顆衛星分布在32條軌道上，每條軌道50顆衛星。軌道高度1150 km，軌道傾角53°。

第二步：用2825顆衛星完成全球組網。這2825顆衛星分為4組。第1組由1600顆衛星組成，布于32條軌道上，每條軌道50顆，軌道高度為1110 km，軌道傾角為53.8°；第2組由400顆衛星組成，分布在8條軌道上，每條軌道50顆，軌道高度1130 km，軌道傾角為74°；第3組由375顆衛星組成，分布在5條軌道上，每條軌道75顆，軌道高度1275 km，軌道傾角為81°；第4組由450顆衛星組成，分布在6條軌道上，每條軌道75顆，軌道高度1325 km，軌道傾角為70°。前兩步的衛星總數量為4425顆，這些衛星工作在較為傳統的Ka波段和Ku波段，力爭以量取勝。

第三步：用7518顆衛星組成更為激進的低軌星座。這些衛星的運行軌道比第一步和第二步的4425顆衛星的1110～1325 km軌道高度要更低，為340 km高度附近。而且，第三步的7518顆衛星將工作在40～75 GHz之間V波段。

星鏈計劃的三步走完成后，就在近地軌道組成了兩層龐大的衛星星座，內層340 km軌道高度的7518顆衛星與外層的1000多千米軌道高度的4425顆衛星組成的11943顆衛星星座。2018年11月12日，Space X公司對星鏈進行了修訂，旨在減少龐大數量的衛星對近地空間造成的影響。此次修訂只針對第一批發射計劃中第一階段發射的衛星數量。

星鏈第一批發射計劃原包括4425顆衛星，其中第一階段包括1600顆衛星，在距地面高度為1150 km的軌道上運行。修訂后，該階段待發射的衛星總數減少至1584顆，運行高度降低到550 km，衛星的運行方式也做出了相應調整，如表1所示。

表1 第一批衛星布置調整

星座的通信架構部署將分兩階段進行。第一階段，Space X將使用Ku波段頻譜進行衛星與網關和用戶終端之間的通信，同時在地面站安裝拋物面天線。第二階段共計劃發射7518顆衛星，隨著衛星數量的增加，Space X將結合Ku/Ka雙波段芯片組和其他支持技術，逐步轉向使用Ka波段頻譜進行網關通信；隨著系統的發展，逐步引入相控陣天線。這2個階段的數據鏈路頻率如表2所示。

表2 工作頻率范圍

2 Space X公司成功崛起的原因分析

2.1 經營理念先進

Space X公司的企業使命是：發展宇宙空間探測火箭和飛行器，持續提高航天運輸系統的可靠性和成本效率，鑄就世界領先的航天服務公司。為了實現企業使命，該公司先進的經營理念是：簡單、可靠、低成本。

作為新興的私營航天企業，為了與壟斷美國政府發射市場的聯合發射聯盟公司競爭，Space X公司制勝的關鍵就是低成本。其降低發射成本的主要秘訣集中在降低間接費用、動力系統、箭體結構、電子系統和發射操作等方面。

2.2 技術特點突出

Space X公司在技術上體現出技術成熟與持續創新的特點。一方面，Space X公司十分注重使用成熟技術與成熟產品，將成熟技術、成熟產品運用到極致?！矮C鷹”系列火箭的灰背隼發動機采用了“阿波羅”計劃登月艙下降段發動機的噴管；“獵鷹”系列火箭使用了2195鋁鋰合金材料和攪拌摩擦焊技術，因為2195鋁鋰合金材料早已用于航天飛機的外置燃料箱，攪拌摩擦焊技術也是如此，所以，不需再研發工藝。沿用成熟技術和成熟產品在很大程度上降低了火箭的研制費用，提高了可靠性。

另一方面，Space X公司高度重視技術創新，堅持擁有自己的核心技術，自主研制了“獵鷹”系列火箭的主發動機、上面級發動機、低溫貯箱結構和制導系統等關鍵產品。

2.3 管理架構扁平

傳統的航天公司多以大團隊協同的工作模式研制火箭，如波音公司在研制“德爾它”4火箭時投人了近千名工程師。而Space X公司采用了扁平化的管理架構，公司內部沒有通常意義上的部門劃分，各領域的員工平等地參加技術研討、開發、設計、生產等工作。

扁平化的組織結構，能夠將創新的想法和概念及時傳送到決策層，也能夠使相關決策及時傳遞到基層并實施，同時還使設計與生產的聯系更為緊密。研發人員在考慮材料和工藝的可實現性時，可隨時到生產車間與生產人員直接溝通，以便及時發現這項技術是否具備投入生產的條件。事實證明，扁平化的管理保證了整個研發工作團隊的效率，節約了管理成本。

2.4 美國政府的扶植

美國政府積極扶持商業航天企業，營造有利于新興航天企業發展的環境。在市場準入上，美國聯邦航空管理局(FAA)2011年授予Space X公司飛行器再入軌道許可證書。

除了美國國家頂層的航天政策，美國還制定了一系列促進商業航天發展的配套法律，包括《零重力零稅收法》、《航天現代投資法》、《商業航天法》、《商業航天發射法》等，這些政策、法規的出臺，有力地推動了美國商業航天的發展，使得美國航天工業的產業結構從過去的軍、民的結構向軍、民、商業航天三足鼎立的結構發展。

3 美國軍事航天的發展趨勢

近年來，隨著對太空威脅認識的不斷深化和自身對太空能力需求的不斷增長，美國將太空安全視為核心利益，重視把開發太空資源與維護太空安全統一起來，深度推進太空領域軍民融合，軍民融合的范圍不斷拓展、模式持續創新。

3.1 新型太空體系結構牽引美國航天領域軍民融合深度發展

面對日益復雜的太空環境，美軍積極推動太空力量轉型，強調增強太空體系結構的可恢復性、防護性和重構能力。美空軍航天司令部謀劃發展分散式太空系統體系結構，通過將太空能力“分散”到多個平臺或系統(包括民用/商業)上，提高太空系統的生存能力，增加對手實施攻擊決策的困難，為威脅環境下的能力重構、恢復或運行提供保障。2016年4月，美空軍航天司令部發布“太空企業級構想”，謀求構建富有彈性的國家安全太空體系，通過體系對抗增強太空系統生存能力，提升國家太空安全。

2017年4月，美空軍航天司令部制定“太空作戰架構”(SWC)，指導未來太空力量體系發展，其中特別強調軍民商伙伴關系的重要支撐作用，這意味著軍民商融合是美國未來太空力量體系的重要基礎之一。未來，美國將通過合理調配軍民商太空資源，建設一個更加富有彈性和靈活性的太空力量體系架構，能夠對太空作戰做出快速反應，在充滿對抗、沖突的太空環境中贏得作戰，維持21世紀的太空優勢。

3.2 立足維護太空安全不斷拓展軍民融合的范圍

美國認為，當前的太空安全環境日益呈現“擁擠、對抗、競爭”的局面，俄、中太空對抗能力的發展，對美國太空系統構成嚴重威脅。美國的太空資源不再處于絕對安全區，每個軌道上的美國衛星都受到威脅，太空帶給美國的戰略和戰術優勢不再是理所當然的事情。

為鞏固太空戰略優勢，2017年6月30日，美國總統特朗普發布行政令，針對美國太空活動日益分化的現實，重建國家航天委員會，將軍民商航天活動統管提升到國家戰略層面，通過統籌協調政策規劃、合理調配資源，把開發太空資源與維護太空安全統一起來，確保每個太空部門都在提升美國利益中扮演適當的角色，確保國家資源都用于實現國家目標。國家航天委員會主席彭斯宣布，將制定綜合性的國家太空政策，以支持美國太空領域的重要利益。國家安全顧問麥克馬斯特表示，正在進行全面戰略評審，制定“太空戰略框架”，并提出幾個重要目標：一是加強太空活動的安全性、穩定性、可持續性以及彈性，在必要時攝止和挫敗敵人針對美國及其盟友的太空威脅；二是強化與商業部門合作，確保美國持續引領航天創新。

事實上，通信、對地觀測、導航等應用衛星不僅在軍事作戰中發揮著重要作用，而且廣泛應用于經濟和社會各領域，成為軍民融合發展的重要領域。隨著民用和商業太空技術的不斷進步和廣泛應用，太空安全領域的軍民融合成為新熱點。

一是軍方重視利用商業太空態勢感知能力。美國已與50多家商業航天公司簽署太空態勢感知數據共享協議，在世界范圍內建成天地一體化太空態勢感知體系。

二是重視發展軍民兩用太空操作技術。美國防部和NASA都在積極開展相關研究太空操控技術，不僅能應用于空間站，也具有重要的軍事應用價值。以該技術為基礎，可以發展對非合作目標的繞飛監視、逼近檢查，以至捕獲、攔截等多種技術。

三是通過商業搭載、分布式手段等將太空能力分散布置在不同軌道的不同平臺上，使太空能力去中心化，以體系能力對抗可能的不對稱打擊。

四是探索在軌裝配、軌道碎片清除等具備多種用途的太空先進技術發展，這些技術的使用目的與界限模糊，其軍事應用前景值得關注。

五是通過深空探索任務牽引，推進先進太空技術創新。在深空探索任務中演示驗證的深空自主控制/探測/跟蹤、在軌機動、與非合作目標交會等技術也是太空攻擊武器的必備技術。

4 對航天技術發展的啟示

航天技術自帶很強的軍民兩用屬性，商業航天的發展不只為國家參與世界航天技術競爭，完善國家航天戰略布局時增加了可選擇的手段和產品，而且其技術發展必將對軍用航天和相關武器裝備的發展提供巨大的支撐作用，并將推進在航天和太空探索、應用領域軍民融合深度發展格局的行程和落地。

過去，我國航天事業的發展主要得益于集中力量辦大事的舉國體制，這種體制在資源籌措和資源投入上有很大的優勢，但是市場機制在資源利用效率上會有更大的優勢，二者并不矛盾，這也是歐美商業航天發展取得成功的主要原因，其中商業航天發展所展現的效率優勢已經令人刮目相看。

一般情況下，在封閉的任務導向型的發展體制下，企業在技術選擇時必然會傾向于選擇既有成熟技術，而放棄創新型技術，以確保任務成功，即使要采取創新技術，也必然要開展大量的驗證性試驗，為了打消各參與方的顧慮，整個驗證過程通常是冗長而低效的，而在市場化的創新型企業中，由于存在市場競爭和資本對投資效果的關注，相關的驗證必然會采取最科學和最具效率的方式，只要取得同專業專家的共識和認可。

5 結束語

Space X公司的成功屬于美國軍民融合發展的一個典范，對我國航天的后續發展有很大的借鑒和參考意義，軍民融合深度發展是要讓技術發展，設施建設兼顧軍民兩方面的需求，從制度設計上讓國家對國防科技工業的扶持和投入可以形成工業能力，同時要在市場規律作用下激發全社會力量的投入到國防科技工業傳統領域提升全行業的能力和效率，只有這樣才能實現一體化國家戰略體系和能力。