低成本航天发展现状与启示

低成本航天发展现状与启示

叶晓滨

航天科工空间工程发展有限公司 北京 100854

一 前言

星链计划不仅创造了新的商业模式，还颠覆了人们对传统航天的认知，让卫星实现了前所未有的低成本、大规模快速制造和发射布署。低成本将成为未来航天发展的一大趋势，如何实现低成本以及如何在高可靠与低成本之间取得合理平衡是低成本航天发展的关键。

二 低成本航天发展现状

综合国内外低成本航天发展现状，本文借鉴蔡瑞林等^[1]构建的低成本创新驱动制造业高端化的路径模型，梳理了低成本航天实施的四个方面，分别为设计环节、制造（技术）环节、市场环节和组织环节。

1. 设计环节

设计环节秉持低成本目标，强调融合简洁、先进、通用、实用的设计理念，主要体现在以下几个方面。

1. 采用成熟低成本技术或产品。如SpaceX公司猎鹰系列火箭的发动机采用了阿波罗计划登月舱下降段发动机的喷管，推进剂使用成本最低的液氧煤油，同时使用了已成熟应用于航天飞机外置燃料箱的2195 铝锂合金。^[2]

2. 新材料、新技术应用。如SpaceX公司自主研发了全新的摩擦搅拌焊接技术及装备，实现火箭箭体巨型金属板材焊接流程的自动化。该公司在Starlink试验卫星上也首次使用氪作为霍尔推力器工质，其价格仅为传统工质氙的1/10左右，显著降低了卫星生产成本。

3. 产品标准化、模块化设计。如SpaceX公司猎鹰系列火箭的一、二子级采用相同的结构设计，实现结构模块标准化。^[2,4] 又如美国作战响应空间－1卫星在硬件方面，采用了模块化卫星平台和通用标准接口；在软件方面，根据不同功能设计不同软件模块，形成软件单元模块库。^[3]

4. 关键产品重复使用。如猎鹰-9火箭第一级重复使用，使火箭的成本降低70%；而回收第一级和第二级，火箭的发射成本将降低98%。^[5]

5. 指标适度设计。根据用户实际指标、空间环境影响等，开展指标和功能适度设计，统筹优化各专业设计余量^[6]，合理设定可靠性要求，降低成本，提高实用性。

6. 星箭一体化设计。如SpaceX公司基于自研的猎鹰9火箭开展一体化设计，将StarLink卫星设计为平板结构，在整流罩内采用每层2颗卫星交错叠压的排布方式，通过新型构型和排布方式，实现卫星在整流罩内的高密度叠放，有效降低了单颗卫星的运载发射成本。

2. 制造环节

1. 识别产品关键特性，进行有效质量管控。辨识和把握产品的关键特性，将成本和质量进行精细化过程控制，从而达到质量管控和成本控制的统一。

2. 产品投产状态整合。通过用部分投产代替全面投产的方式减少产品投产数量和状态^[3]，降低成本。

3. 元器件精准筛选、单机可靠性试验剪裁。结合具体任务的空间环境条件进行精确分析，用仿真分析、相似性验证等方式代替实物验证。^[3]对于生产工艺成熟稳定的元件, 可取消二次筛选。^[7]

4. 适当降低试验标准和剪裁试验。如在卫星研制初期可降低试验标准，考虑采用准鉴定飞行策略，在卫星组网阶段考虑采用抽样方式，裁剪系统对接次数与内容，取消整星级试验，仅开展功能和性能测试。^[3]

5. 利用数字化手段仿真验证。如SpaceX公司在火箭测试方面充分利用已发射的大量测试数据和实际数据，通过大数据处理方式从不同维度检测飞行器的安全性，形成实用完善的测试程序，降低实测成本。

6. 优化生产工艺流程。在SpaceX公司构建卫星产线的过程中，充分借鉴并利用了特斯拉汽车制造产线来实现并改进卫星产线的设计，有效提升了卫星产线的产量和生产效率。

3. 市场环节

1. 拓展低成本航天供应链。现有供应链主要为传统航天配套，价格昂贵，生产周期长，面向低成本航天供应链体系尚未完备，需筛选优质供应厂商，逐步培育新的低成本供应链。

2. 拓展产品体系，纳入商用货架产品（COTS）。目前工业电子技术发展迅猛，很多产品已可适应短周期航天任务需求，如猎鹰-9火箭和龙飞船主控系统的设计中，SpaceX公司采用价格低廉的商用现货Intel双核的x86处理器，操作系统选用开源的Linux操作系统。又如开拓-1卫星使用了工业级太阳电池片、18650工业标准单体成组的锂离子电池、工业级板卡、工业相机及光纤陀螺等国产非宇航级产品，并已实现在轨运行稳定。^[8]

3. 批量采购。通过批量采购/联合集采等方式整体降低产品采购成本。

4. 选择合适的航天器发射方式。选择合适发射方式可直接降低发射成本。

4. 组织环节

1. 企业组织架构扁平化。如SpaceX公司内部没有通常意义上的部门划分，员工可参与技术研讨、设计、开发等工作。^[2]扁平化的管理模式，不仅能简化决策制定和传递的流程，还能有效降低人员费用成本。

2. 创新经营模式。航天器从早期的单件少量生产逐渐转变为批量生产，企业需根据生产模式变化，创新自己的经营模式和管理模式，促进自身业务良性发展。同时可通过共同经营，联合开发方式，分别发挥总体和分系统、产品研制方的优势，共同研制符合低成本航天器要求的产品。^[3]

3. 简化管理环节，优化工作流程。简化工作流程，保证各岗位人员高效工作，及时进行信息共享，技术共享，人员协同。

4. 合理配置优秀人才。如SpaceX公司一方面充分吸纳美国航空航天工业中的优秀人才，另一方面通过打造高配比技术人员的小型精英团队实现系统高效运转。

三 发展启示

1. 科学创新设计理念，提升竞争力

将低成本贯穿系统设计全流程，尊重科学客观规律，创新系统设计理念，精准把握需求，以简洁、先进、通用、实用为应用目标，实施适度设计和一体化设计，准确把控系统设计路线，切实高效提升系统性价比。

2. 改善制造方式方法，有效降低费用

以高效、简化方法实施产品制造，重点把控关键产品特性和技术途径，以精准需求分析为基础，合理实施产品状态整合、试验裁剪和试验标准降低，并利用数字化仿真手段，有效降低制造费用。

3. 拓宽采购思路，完善供应体系

以成本为约束，创新产品采购思路，拓宽采购路径，充分吸收和利用商业航天和先进工业电子技术成果，完善产品采购发射供应体系。

4. 优化组织结构，创新经营管理模式

合理创新企业、项目经营管理模式，探索联合经营、一体化垂直管理等新形式，通过简化审批程序、缩短管理链条等方式优化管理流程，同时配备小型精英人才队伍，全方位保证系统工作高效运行，降低生产经营成本，打造低成本航天组织管理发展新模式。

参考文献

[1]蔡瑞林,陈万明,陈圻.低成本创新驱动制造业高端化的路径研究[J].科学学研究,2014,32(3)

[2]单文杰.SpaceX公司“低成本、高可靠”理念引发的联想[J].航天工业管理,2012,(1)

[3]罗渠,邱亮,刘畅.低成本航天器 研制模式研究[J].国际太空,2018,(4)

[4]袁宇.低成本、高可靠、可重复使用--Space X公司产品技术特点分析[J].太空探索,2014,(7)

[5]未名.国际空间站经营模式转变:商业化低成本航天时代来临[J].卫星与网络,2017,(4)

[6]罗恒,陈海鹏,褚洪杰.面向产品的低成本快速设计制造技术研究[J].航天工业管理,2016,(4)

[7]张颖,曹德峰,李志勇等.低成本商业卫星用元器件补充筛选技术条件探讨[J].电子产品可靠性与环境试验,2018,36(2)

[8]姜焱.低成本高性能技术路线的开拓者—开拓-1卫星[J].国际太空,2015,(10)

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