星链计划背后的“埃隆·马斯克式”的产业创新带来的启示

  智造部落        2020-06-02 17:06:46

本报记者


编者按:北京时间5月31日22点30分,SpaceX用自己的猎鹰9火箭成功将二代龙飞船送上了太空。这一举动,让埃隆·马斯克创造了历史。而此前的特斯拉,已经让他一举成名。随之而来的星链计划、脑机对接又让他站在全球风口浪尖。是什么让这个技术“狂人”一次又一次突破思维桎梏,敢想又敢干?他的做法给国内企业开拓创新之路带来哪些启示?本报将分三期详细解读“埃隆·马斯克式”创新模式,以飨读者。


5月31日凌晨,SpaceX载人龙飞船的首次载人飞船成功发射,让SpaceX再度迎来高光时刻,埃隆·马斯克的每一举动皆充斥着极客精神和梦想家的颠覆性色彩。但要说SpaceX公司中最具梦想色彩和颠覆性质的规划,当属星链计划。


2019以来,埃隆·马斯克屡屡站到了聚光灯下,不是因为特斯拉,而是因为他的另一家公司SpaceX。从猎鹰9号火箭成功回收,到猎鹰重载火箭“一箭60星”,“狂人”马斯克的SpaceX在一个又一个领域充当了“引领者”。


按照马斯克的规划,SpaceX预计将发射4.2万颗低轨运行卫星,以形成一个庞大的太空互联网络,并向地面提供互联网接入服务。值得一提的是,在此之前,全人类经过半个多世纪努力,目前在轨运行的卫星总数也才2000颗左右。尽管在提出以来的5年中,星链计划的进度只有1%,但SpaceX似乎一次次向人们证明,这一规划并不是马斯克又一次挥金如土般的冒险,而是很可能改变整个通信业的一次革命。虽然无法断言其商业成功,但星链计划背后的“埃隆·马斯克式”的产业创新却值得我们思考。


星链计划规模庞大


马斯克底气何在?


2015年1月,马斯克宣布SpaceX将开始进行一项低轨卫星星座工程——星链计划。2018年,猎鹰九号火箭在一次常规发射任务中搭载了2颗小卫星,展开对地通信测试。2019年5月,SpaceX用猎鹰9号火箭首次一次性发射了60颗卫星。2019年10月,SpaceX又增加申报了3万颗卫星,“星链计划”总规模将达4.2万颗卫星。


在此之前,全人类经过半个多世纪努力,目前在轨运行的卫星数量也才2000颗左右,对比就知道星链计划有多么宏伟和疯狂。


但是,马斯克虽疯狂但不癫狂,正是有了前期深厚的技术储备并找到了落地的根基,他才有底气宣布“疯狂”的计划。而他的底气来自于SpaceX自身先进的发射技术以及其公司背后美国官方的支持。虽然星链计划的商业模式尚需验证,但星链计划自身运用的技术和成长环境值得人们学习和思考。


一是先进的火箭发射和卫星技术。其中,“一箭60星”技术最具突破意义。正弦空间公司创始人、原中国空间技术研究院研究员、原北斗三号卫星主任设计师何善宝对《中国电子报》记者说:“‘一箭60星’与‘一箭10星’在技术上并无本质性区别,只是‘星箭分离’的载荷更多,但却是别国难以突破的技术门槛之一。”“一箭60星”正是依托SpaceX自主研发的猎鹰重载火箭实现的。据了解,猎鹰重载火箭由三个猎鹰9号引擎核心组成,搭载了27个SpaceX自主开发的梅林引擎,发射时27个引擎可共同产生超过500万磅的推力,相当于大约18架747飞机产生的推力。送60颗单星质量为230公斤的卫星入轨,仅卫星重量就已经达到了13.8吨。此前SpaceX公司能够掌握的最大单个航天器的运载能力是12.055吨重的载人版龙飞船。星链计划可以说是在碰触工程师们目前的工程实践的极限了。


此外,星链计划卫星采用“轻质化”设计,有助于将失效后的卫星自动推入大气层烧毁,帮助迭代。高层大气阻力作用明显,轨道高度550公里的卫星失效后将在5年内进入大气烧毁,340公里的卫星则只需数十天。在此基础上,卫星都提前设计了自毁程序,在寿命末期即自主离轨,并预留机动能力,避免与其他目标相撞。550公里的卫星将使用推进器反推主动降低轨道高度,缩短自毁时间。


二是美国官方的支持。在何善宝看来,SpaceX这类民营企业之所以能在走向太空商业时代的路上大踏步前进,离不开美国开放的商业土壤和有关部门的资金支持。美国国家航空航天局(NASA)对SpaceX的资金支持始于2008年,公司同时承担着猎鹰9号、龙飞船的研发,在经历了前三枚火箭发射失败后,马斯克的个人资产几乎到了山穷水尽的地步。此时,SpaceX迎来了NASA向国际空间站提供12次补给服务的大订单,合约金额高达16亿美元,依靠这笔交易,马斯克成功度过了财务危机。2019年,NASA又和SpaceX签订了5亿美元的发射合约。


一位不愿透露姓名的航空航天专家向记者表示,NASA正是看上了马斯克的“低成本太空发射”策略,因为这与其低成本火箭规划不谋而合。


2019年10月,SpaceX总裁兼COO格温·肖特韦尔表示,他们将美国陆军视为潜在宽带客户,双方签订了研发协议。“事实上,美国军方对SpaceX的支持是各取所需。有着国家有关部门的支持,相信SpaceX在资金方面起码不会有太多的担忧,毕竟从国家战略层面出发做出的研发往往是不计成本的。”该航空航天专家向记者表示,“除了成本更低、拉动经济发展这些‘台面’上的理由,为未来太空竞争做好准备才是更深层次的理由。民营航天规模越大、技术越先进,美国进入太空、开展太空行动的手段就会越多、能力就会越强。因此,民营航天绝不只是民营‘那点事儿’。”


不怕重蹈覆辙


马斯克为何能做?


马斯克在2016年“TED演讲”中谈到,“第一性原则”是他创业至今的“人生信条”,第一性原则即可以将事情归结为基本事实,然后从中推理,成为第一个吃螃蟹的人,而不是进行类比推理。马斯克坚信,新能源、太空和互联网能彻底改变人类世界,且这些领域都能通过“第一原则”理论走下去。


与特斯拉和脑机接口计划不同的是,SpaceX的星链计划并不是低轨卫星互联网星座计划的“第一人”,低轨卫星互联网是一个有着30年发展历程且有前车之鉴的产业,而马斯克是要做低轨卫星星座计划成功的第一人。


1987年,摩托罗拉创始人成立的铱星公司倒闭和2020年一网公司的破产如出一辙,二者由于高昂的运营成本,皆没能逃过失败的厄运。面对此前屡屡失败的卫星互联网计划和商业模式的不确定性,马斯克为何捡起来去做?他究竟看到了什么?


马斯克认为只要他能控制好发射和回收成本,便能避免重蹈覆辙。的确,要研制和发射如此多的卫星,成本控制变得尤其重要,这也是马斯克甩开其他竞争对手的最大优势。赛迪智库无线电管理研究所副研究员周钰哲向《中国电子报》记者表示,SpaceX集卫星、火箭、地面站制造、火箭发射和回收技术,以及卫星运营和服务于一身,掌握了其整条产业链的话语权,有效避免了庞大的供应链、传统的设计、叠加的外包订单厂商等高成本环节。


中国信息通信科技集团副总经理、专家委员会主任,无线移动通信国家重点实验室主任陈山枝指出,星链计划成本控制的核心是利用猎鹰9号可回收火箭。据SpaceX官网描述,猎鹰9号是可重复使用的二级火箭,可再使用性使得SpaceX能够重新组装火箭最昂贵的部分,从而降低进入太空的成本。何善宝也指出,SpaceX具有低成本模块化设计和批量生产卫星的能力,这将大幅降低卫星制造成本。


此外,成本控制同样被用在了卫星设计当中,航空航天领域专家、小火箭创始人邢强曾指出,运载的60颗卫星在很低的轨道高度就和火箭分离,随后完全依靠自身的电推进发动机来完成最终的入轨。在电推进发动机上,SpaceX用氪替代了氙离子霍尔推力器,虽然从效率上不如氙,但前者的成本仅是后者的1/18。


控制好成本后,马斯克看到了不断增长的市场需求及其商业价值。“综观铱星公司和一网公司的破产经历,不难发现,需求和用户群太小是导致破产的关键因素。”何善宝说。而星链计划的布局恰逢其时。


“随着以智能手机为代表的移动终端已经成为人类生活的必需品,无论是发展中国家还是发达国家,在地面通信设施未覆盖区域卫星宽带互联市场增长迅速,这为卫星宽带互联业务创造了广阔的增长空间。”中国航天系统科学与工程研究院战略规划研究部咨询师刘洁对《中国电子报》记者说。


根据世界银行发布的数据,地球上仍有超过70%的地理空间,涉及30亿人口未能实现互联网覆盖。而传统地面通信骨干网在海洋、沙漠及山区等苛刻环境下铺设难度大且运营成本高。数据显示,一条跨太平洋的海底光缆的建设成本超过300亿美元,而SpaceX目前发射单颗卫星的平均成本在150万~200万美元之间,星链项目的总成本可控制在100亿美元左右。


何善宝表示,按用户类型划分,低轨卫星互联网除了能服务行业用户和个人用户,还包括军事用户、政府用户等更为广泛、专业需求性更强的群体。“未来,马斯克极有可能将卫星互联网应用于特斯拉汽车中,进一步产生自己的产业链闭环。”何善宝说。

星链计划背后的“埃隆·马斯克式”的产业创新带来的启示

马斯克还看到了频谱资源有限且“先占先得”的低地轨道。由于传输时延小、链路损耗低、发射灵活等优势,低地轨道是发展卫星互联网业务最适合的轨道空间。根据赛迪顾问发布的《“新基建”之中国卫星互联网产业发展研究白皮书》,近地轨道可容纳总共约6万颗卫星,而国际电联(ITU)规则规定,轨道星座系统卫星的频率使用遵循“先占先得”的原则,卫星互联资料申报得早就会优先受到保护。可以说卫星互联网不仅有着重要的民用价值,还攸关国家安全的外层空间的主动权。在对轨运行卫星数量限制较大、频谱资源非常有限的低地轨道空间中,马斯克先申报了1.2万颗,后又强势追加到了4.2万颗,欲占足先机。


不全是掌声


星链计划还有多重挑战


尽管马斯克的构想和与美国有关部门的合作正在顺利进行,但也引来了业内专家对于太空环境、卫星日常运维以及商业模式的种种责问。


对于干扰太空观测环境的担忧。智利的一台大型综合巡天望远镜拍摄到的图像大多被卫星所“污染”和干扰。数据显示,30%的拍摄图像中将至少包含一条卫星轨迹。国际天文学联合会在2019年6月发表的一份声明中表达了担忧:“卫星星座可以构成对现有和未来天文设施的重大衰弱和干扰,我们将敦促低轨卫星星座的决策者和设计人员共同解决这一问题。”


对于卫星运维问题,最突出也最不可控的问题就是因卫星失联而造成的太空垃圾和一系列意外。在SpaceX最初发射的60颗卫星通信中,有三颗失联;还有两颗卫星,SpaceX称他们只是想测试脱离轨道的过程,故意启动了它们的机载推进器,目的是将它们撞向地球大气层。但赛迪顾问物联网产业研究中心高级分析师刘暾向《中国电子报》记者表示了担忧:SpaceX无法保证卫星失联的概率,这也就不能支持SpaceX对清洁太空环境的承诺,未来若有上万颗星打上去时,失联的数量将叠加,届时将不可避免地造成严重的太空污染和意外撞击发生。周钰哲也表示,关键的是失联卫星对其他卫星和地面所带来的风险,SpaceX必须精确监控其卫星的运行状态,并能及时进行微调动作和规避动作。


对于商业模式能否盈利的问题,中国科学院国家空间科学中心空间频谱感知技术研究室副主任闫毅在接受《中国电子报》采访时表示,马斯克的初衷是梦想和金钱的交融,提出星链计划的底气,是他在资本市场的号召力以及在美国最高水平航天科学领域的感召力,当然也是梦想加金钱的刺激。但这一刺激和商业模式能否成功关系不大,并且难以预料,就好像特斯拉的商业成功也尚需验证,因此更像一个疯狂的“头脑风暴”。


卫星互联网


中国该如何布局?


SpaceX星链计划正在积极推进中,我们可以从中借鉴到什么?


首先,要抓紧申报以占领空间和频谱资源先机。当前,美国低轨通信卫星布局先拔头筹,SpaceX、一网、Telesat和Amazon三家卫星龙头企业已提出明确部署计划,o3b、波音和三星公司的互联网星座计划也在积极推进中。2029年,上述四家美国企业各自的低轨卫星项目将合计完成4.61万颗卫星的发射工作。中国低轨通信卫星发展布局呈现快速追赶态势,并已取得阶段性成果,但出于国家战略的考虑,中国卫星应用的规划速率依然亟须加强,不能简单看国内有没有商业市场需求。何善宝认为,尽管中国在低轨卫星领域自2015年开始布局,事实上比马斯克的星链计划还要早,但还要引起更高的重视并尽快布局,否则将与经济发展严重脱节。


其次,要补齐技术短板以在国际竞争中获胜。中国信息经济学会副理事长、北京邮电大学经济管理学院教授吕廷杰指出,星链计划对中国的启示作用,更大意义在于揭示了一个经济问题。SpaceX因为其掌握了卫星回收复用和“一箭多星”技术,所以释放通信卫星的成本大幅度降低。


“中国当前仍处于产业成长期,尽管中国是国际上少数能够独立设计、研制大容量通信卫星的国家之一,但在批量、集中生产卫星等方面还需增强来降低卫星运维成本,否则即使出于战略布局发展低轨卫星互联网产业,也难以在国际卫星互联网的商业竞争中获胜。”何善宝说。


最后,要找到最适合中国长期发展的商业模式。“对于他国先进方案,我们要学习但不可盲目跟随。”中国通信广播卫星公司原总工程师闵士权在接受《中国电子报》记者采访时表示,“对于中国的低轨星座产业,要先是从无到有,少到多;后是从多到少,少而精。具体来说,就是先开放政策,鼓励民营企业进入市场,并支持多家企业提出建设方案,构建各自试验网,由国家有关部门组织人员对多家试验网进行测评。然后,集中各家的长处,形成几个先进可行有竞争力建设方案,共建共享。”


对于需求市场,“中国要保证军事用户、政府用户的网络服务质量,但真正的市场在行业用户,涉及到跨国跨地区的行业,比如金融、石油、电力、航空、航海、电信、媒体和互联网公司等。”何善宝说。

来源:中国电子报齐旭刘晶

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