基于專利分析的SpaceX公司發展策略研究

景晨思 佟艷春 曲 晶 馬利娟 董曉軍

北京航天長征科技信息研究所

根據2022 年全球獨角獸榜排名，美國太空探索技術公司（SpaceX）全球排名第二，是美國最大的獨角獸。同時，SpaceX 公司力壓美國其他軍工相關企業及研究機構，僅2021 年就接到美國國家航空航天局（NASA）約29 億美元的訂單。

SpaceX 公司雖然是一家私營企業，但其做到了許多國家都做不到的事情。例如，公司已經累計發射了近2000 顆衛星，打造了一個由低軌道衛星星座組成的全球網絡，開展各種商業或軍事目的的活動。SpaceX公司發展壯大的核心是技術創新，而技術創新的有力后盾就是知識產權保護。其中，專利保護是國際一流企業獲取競爭主動權、占據市場壟斷的有效手段。本文將基于專利的視角①專利數據來源于歐洲專利局世界專利數據庫、美國專利商標數據庫，公開日截至2022 年6 月。，研究SpaceX 公司的市場競爭策略，剖析SpaceX 專利保護與其重點研發項目、人才引進計劃和資本運作的關聯等，供我國商業航天予以借鑒。

一、SpaceX公司重點項目專利保護及應用分析

SpaceX 公司主要針對“獵鷹”系列火箭和“星鏈”計劃等重點項目進行了專利保護。其中，“獵鷹”系列火箭以高可靠性、快速響應等能力，有效保障了SpaceX 公司“星鏈”計劃衛星軌道的部署。通過分析SpaceX 公司在“獵鷹”系列火箭、“星鏈”計劃上應用的專利技術，對其“獵鷹”系列火箭“一箭60 星”的運載能力、“星鏈”計劃的衛星堆疊放置，甚至是星箭電氣接口簡化等設計理念一探究竟。

1. “獵鷹”系列火箭相關專利分析

SpaceX 公司的“獵鷹”系列火箭主要包括“獵鷹”9 火箭和“獵鷹”重型火箭，其中，“獵鷹”9 火箭是SpaceX 公司研發的一款中型、低成本、兩級構型的全液體運載火箭，其設計目標是顯著提升運載火箭的可靠性，降低發射成本?！矮C鷹”9 火箭利用二級發動機多次點火，具備執行多個軌道發射任務的能力，已執行近地軌道空間站貨運/載人、低軌衛星通信星座、中軌全球定位系統（GPS）導航衛星、高軌通信商業衛星、太陽同步軌道遙感、偵察衛星及深空探測器等多種載荷發射任務。

“獵鷹”重型火箭則繼承了“獵鷹”9 火箭的成熟技術，由1 個強化過的“獵鷹”9 中央芯級與2 個“獵鷹”9 第一節捆綁而成，因此推力是“獵鷹”9 火箭的3 倍。用于研制“獵鷹”重型火箭的費用大約為5 億美元，每次的發射費用約為9000 萬美元?！矮C鷹”重型火箭全長70 m，寬12.2 m，質量為1420.8 t，可送入近地軌道的有效載荷高達63.8 t。發射基地為佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地和肯尼迪航天中心，能夠執行星際軌道、地球同步轉移軌道及近地軌道任務?！矮C鷹”重型火箭的運載能力僅次于當年執行“阿波羅”計劃的“土星”5 重型運載火箭，“土星”5 重型運載火箭載荷能力約140 t。截至2023 年5 月，“獵鷹”重型火箭共完成了6 次發射任務。

“獵鷹”系列火箭相關專利主要分布在火箭的推進器領域、材料領域以及電源系統。重點專利技術對應“獵鷹”系列火箭的技術分布如圖1 所示。

在推進器技術領域，SpaceX 公司只對軸針式噴嘴的冷卻技術進行了保護。軸針式噴嘴主要應用于液體或混合發動機，而SpaceX 公司“獵鷹”系列火箭的“梅林”發動機是唯一還在運行中的軸針式噴嘴發動機。SpaceX 公司一直沿用軸針式噴嘴發動機，這種發動機燃燒效率高，容易控制流量，結構簡單、穩定。然而該發動機也存在缺陷，例如，燃料混合不充分會產生熱能，因此會造成噴嘴下方燒蝕材料的侵蝕和碳化，在使用后必須更換，不能重復使用。

公開號US7503511B2 的專利解決了相關問題，具體內容如下：雙推進劑火箭發動機包括在中心通道中流動的主推進劑、與中心通道大致同軸的第二通道中流動的第二推進劑和與主通道同軸并圍繞中心室的軸針尖端，中心室側壁具有穿過其中的多個孔，使得一些主推進劑橫向流動于第二推進劑之間，離開中心室。所述的軸針尖端具有比主室側壁厚的次室側壁，圍繞主室下游的次室，并與主室流體連通。次室側壁具有穿過次室側壁的多個孔，使得一些主推進劑橫向流動于次通道中，與次推進劑一同流出次室。軸針尖端用于混合主推進劑和第二推進劑。公開號US7503511B2專利如圖2 所示。

在材料技術領域，SpaceX 公司對激光穿孔金屬蜂窩材料及其制造方法進行了專利保護（公開號US1048638982），技術方案如下：用黏合劑打印金屬箔卷；對金屬箔卷進行激光打孔，使金屬箔卷具有多個孔；將多個打印和穿孔的金屬箔卷壓片成為堆疊片材；將金屬箔片層壓成蜂窩狀。在公開的另一個實施例中，穿孔金屬蜂窩結構包括多個激光穿孔的金屬蜂窩結構，其中多個孔的孔間尺寸、形狀和間隔是不均勻的。公開號US10486389B2 專利如圖3 所示。

圖3 激光穿孔金屬蜂窩材料圖

在電源技術領域，SpaceX 公司對預先分配航天器電池電量儲存進行了專利保護（公開號US20200361637A1），對火箭進行電源管理，具體技術方案如下：航天器從運載火箭上發射之后，可自主從節電狀態轉變為耗電狀態。公開號US20200361637A1專利如圖4 所示。

圖4 航天器電池儲能示意圖

2. “星鏈”計劃相關專利分析

2015 年，SpaceX 公司開始實施“星鏈”計劃，致力于提供一個全球覆蓋、高速度、大容量和低時延的天基全球通信系統，“星鏈”計劃的目的是主導全球衛星互聯網通信系統，同時“星鏈”計劃是美國太空戰略計劃的重中之重。此外，“星鏈”計劃將對全球5G通信技術產生重大的影響，無論是在商業領域還是美國軍方都具有較高的應用前景。

“星鏈”計劃主要為低軌道衛星星座的全球覆蓋，其衛星星座構建主要分為3 個階段。第一階段，發射的衛星數量為1584 顆，完成除南北極以外的絕大部分地區的衛星覆蓋；第二階段，發射的衛星數量為2825顆，完成全球衛星覆蓋；第三階段，發射衛星數量為7518 顆，降低通信延時并提供更有針對性的服務。目前能夠通過公開報道獲取的相關數據以及資料僅僅是3 個階段衛星的軌道參數、衛星組合體照片以及星箭分離實況錄像等，關于如何實現“一箭60 星”等核心技術的報道并不多見。因此，通過分析SpaceX 公司申請的相關專利，可以獲得更為具體的技術信息。

在天線技術領域，公開號US20210070477A1 專利對衛星星座構型進行了保護。該專利提供了一種與低軌通信衛星星座通信的方法，包括提供配置用于與衛星星座通信的地面終端以及在地面終端和非地球同步衛星星座之間建立通信。通過將分析說明書的實施例與已知的軌道參數等進行比對，推測該專利用于“星鏈”計劃第三階段衛星星座構型的可能性較高。第一組衛星以第一傾角軌道運行，其中，第一組衛星中的每一顆衛星處于離散的軌道平面，且第一顆衛星與最后一顆衛星首尾相鄰接，形成圍繞地球運動的第一組“蛇形”衛星，所述的“蛇形”衛星包括相鄰軌道上具有相鄰上升結點衛星；各衛星組相對赤道以同速率漂移，從星座看向地球，各衛星組彼此鎖定、整體相對地球不動或以固定速度轉動。此方案對2000 km 高度以下衛星星座均可應用。公開號US20210070477A1 專利如圖5 所示。

圖5 衛星星座構型圖

公開號US20200361637A1 專利不但用于“獵鷹”系列火箭，也是星箭分離的基本方案，火箭在發射之后自主地將航天器從節電狀態轉變為耗電狀態?；鸺鶖y帶的衛星則分成兩堆堆疊排列，衛星不再與火箭連接以獲得供電，而是使用真空檢測裝置；當檢測裝置檢測到衛星到達一定高度后，衛星自主供配電系統激活，由節電狀態轉入為耗電狀態；火箭到達衛星分離位置后，由解鎖裝置釋放衛星。

該專利技術方案采用新型鎖定結構，分層堆疊排列衛星，相比于傳統筒形衛星適配器壁掛衛星的方式，充分利用了整流罩內的空間。星箭電氣接口充分簡化，取消星箭間的供電包帶，利用低成本真空檢測裝置實現衛星供配電系統的自主激活，降低了射前衛星測試組裝的成本和復性，也降低了多星分離相互干擾的風險。

該專利解決了以下技術問題：取消了火箭和衛星之間供電連接的困難，簡化了星箭電氣接口，在沒有包帶連接的情況下，衛星保持在低功耗狀態；由于傳統上使用包帶連接來檢測部署，而本專利使用真空檢測裝置系統，使得衛星保持節電狀態直到展開，降低了星箭分離前衛星測試系統的成本，有序的衛星排列方式也降低了多星分離相互干擾的風險。公開號US20200361637A1 專利如圖6 所示。

圖6 星箭分離圖

二、SpaceX公司專利轉讓情況分析

SpaceX 公司對其擁有的46 件專利申請進行了轉讓，轉讓專利數占SpaceX 公司專利申請總數的一半，具體情況如圖7 所示。專利申請的受讓人包括銀行與技術類公司，其中，美國銀行作為專利受讓人接收了SpaceX 公司的34 件轉讓專利，美國高盛銀行作為專利受讓人接收了SpaceX 公司的2 件專利，法意半導體集團作為專利受讓人接收了SpaceX 公司的10 件專利。

圖7 SpaceX公司專利轉讓圖

SpaceX 公司專利轉讓的目的主要有兩個：一是將專利申請從無形資產轉化為有形資產，為公司進一步研發進行融資；二是單純的技術轉讓，授權研發或生產相關技術及產品。

SpaceX 公司主要業務包括“獵鷹”系列火箭、“龍”飛船、“星鏈”計劃以及星箭，發展這4 項業務需要大量的資金。SpaceX 公司通過融資獲得了部分資金，融資來源包括權益融資、合同融資以及債務融資。2018年，SpaceX 公司與銀行就一筆7.5 億美元的貸款達成了協議，后又將金額降低至2.5 億美元。通過分析SpaceX公司專利的轉讓情況可知，2018 年其轉讓了7 件專利申請，以公開號US10486389B2、US20180241122A1為代表的專利被SpaceX 公司辦理了質押手續，轉讓給美國銀行，這與公司和銀行達成貸款的協議相吻合。2019 年12 月，SpaceX 公司向美國銀行清還了債務。2020 年2 月，SpaceX 公司再次將專利轉讓給了美國銀行。這表明SpaceX 公司專利價值度以及利用率很高。

由于SpaceX 公司沒有自己的終端生產線，要將“星鏈”計劃的客戶連接到其衛星網絡，因此，SpaceX 公司只能將自己的專利技術轉讓給法意半導體集團，并以每臺終端2400 美元的價格，支付給法意半導體集團一筆不小的終端制造費。法意半導體集團幫助SpaceX公司定制生產了終端處理器、GPS 接收機和射頻組件等元器件。

三、人才引進與專利分析

SpaceX 公司引進了大批成熟人才，包括2002 年公司成立之初加入的克里斯·湯普森和托馬斯·穆勒，還包括來自微軟技術許可有限責任公司同一團隊的馬漢法爾·阿里雷扎和阿帕丁·尼勒。這些優秀人才的聚集，使得SpaceX 在較短的時間里形成了強大的研發能力，大大縮短了技術研發的周期。

其中，托馬斯·穆勒在美國最大的發動機制造商天合汽車集團（TRW）就職15 年，曾參與主持TR-106 發動機研發，是推進系統的核心設計師。2002 年穆勒入職SpaceX 公司后，主要對“獵鷹”系列火箭使用的“梅林”發動機進行了研制，2003 年10 月首次試車失敗后，經過15 個月的改進，迎來了試驗成功。此后，“梅林”發動機用于“獵鷹”1、“獵鷹”9 以及“獵鷹”重型火箭，具有較高的可靠性。托馬斯·穆勒在2005 年申請了名稱為“軸針式噴嘴冷卻技術”的專利，獲得授權后，轉讓給了SpaceX 公司。

在上述成熟人才中，馬漢法爾·阿里雷扎申請的專利最多，為19 件；阿帕丁·尼勒以及羅德里格斯·德·路易斯申請了13 件專利，專利申請方向為天線技術領域或通信技術領域；托馬斯·穆勒申請了1件專利。分析發現，這些核心技術人員在入職SpaceX公司之前，未進行專利申請，也沒有發現相關專利發明人跳槽至其他公司并申請專利的情況。這充分表明SpaceX 公司科研人才隊伍穩定，人才流失較少，有效減少了技術秘密外泄的風險。

四、建議及啟示

SpaceX 公司作為新興的私營航天公司，經過20余年的發展，成功研發了“獵鷹”系列火箭、“星鏈”計劃等優勢產品，在低成本、高可靠航天發射等方面形成了絕對優勢。在專利保護方面，SpaceX 公司并不是為了保護而保護，而是有思考、有針對性地保護創新技術，對其重點創新技術及項目達到保護的同時，也創造了商業價值。

SpaceX 公司核心技術成員比較穩定，為創新技術的保護提供了有利的環境。2002 年埃隆·馬斯克集結了克里斯·湯普森和托馬斯·穆勒等技術骨干，開啟了SpaceX 公司的冒險之旅。這些技術骨干匯集了波音公司、洛克希德·馬丁公司、諾斯羅普·格魯門公司等傳統航天巨頭的精英，無論是在之前任職的公司還是在SpaceX 公司，都扮演著舉足輕重的角色，創造并掌握了核心技術。

SpaceX 公司專利申請不多，但是其布局的每一件專利價值度都很高，針對核心技術逐步形成專利儲備、構建技術壁壘。有些重點專利，如“星鏈”計劃相關專利，擴展同族數量幾十個，在SpaceX 公司的合作國家和區域都進行了保護，包括德國、英國、日本以及中國臺灣等，這說明其專利技術可轉化程度高，技術成熟度較高，可有效地將專利從無形資產轉化為有形資產。

綜上，我國商業航天企業應當進一步加強專利布局，積極地對創新成果進行知識產權保護。一方面，專利布局有利于相關產品及技術更好地適應市場發展；另一方面，對專利進行布局，可促進專利轉化，使其成為商業航天的有形資產；另外，不斷完善對核心技術人員的創新激勵，也是提升知識產權質量及數量的先期條件，只有擁有穩定的人員構成以及處于領域前端的核心技術，才是商業航天的生存根本。