卫星互联网星座组网对我国商业火箭发展的影响浅析

subtitle 卫星与网络 10-16 09:25

摘要:近年来,卫星互联网星座发展迅速,多家公司提出了卫星互联网星座计划,并积极进行卫星组网部署。本文分析了卫星互联网星座组网特点及其对我国商业火箭发展的影响,同时给出了相关建议。

卫星互联网星座组网特点

卫星互联网星座作为一项空间通信基础设施,其战略意义重大、经济前景可观,已成为各国关注的焦点。自 2015 年至今,已有美国太空探索技术公司(SpaceX)、英国一网卫星公司(OneWeb)、美国亚马逊公司(Amazon)、加拿大电信卫星公司(Telesat)、美国波音公司及韩国三星公司等多家公司先后加入了互联网星座建设浪潮。国内如中国航天科技集团有限公司、中国航天科工集团有限公司等也相继提出了自己的卫星互联网星座计划。目前,国内外卫星星座计划及卫星组网呈现出如下特点。

(一)卫星小、数量多

各家星座计划各有特点,但为了兼顾全球覆盖和低延时通信两大核心能力,各大公司都很默契地选择了质量在 200kg 左右的小卫星作为组网卫星,这就导致星座规模十分庞大。由图 1 可知,目前已公布星座计划的国外公司中,SpaceX 公司的“星链计划”规模最大,达到 1.2 万颗之多,其他公司的星座规模从几百颗到数千颗卫星不等,各星座卫星数量总和达到了惊人的 2.5 万颗。

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图1 国外卫星互联网星座规模及在轨卫星数量图

国内方面,除上述两大航天集团外,也有诸如银河航天(北京)科技有限公司等民营公司宣布了组建低轨宽带卫星星座的意愿。根据艾瑞咨询研究院发布的统计数据和网络公开信息,国内互联网星座卫星总数已达上千颗。值得注意的是,随着卫星互联网被列入“新基建”发展范畴,很多两会代表也公开呼吁要降低民企准入门槛,相信随着社会关注度的提升和国家政策支持力度的加大,将会有越来越多的企业加入卫星互联网建设的大军中。表 1 为国内卫星互联网星座统计表。

表1 国内卫星互联网星座统计表

(二)组网时间短

按照国际电信联盟的要求,申请卫星频率和轨位资源的公司需要在获得许可后 2 年内完成星座中10% 卫星的部署,5 年内完成星座中 50% 卫星的部署,7 年内完成星座中 100% 卫星的部署。如果无法满足上述要求,将对申报的星座规模进行削减。考虑到卫星频率及轨位资源的稀缺性,不论是国内公司还是国外公司,都将严格遵守国际电信联盟的上述要求。据此计算,未来数年国内将有年均 200 颗卫星的发射需求,而国际市场上卫星发射数量将达到年均 3500 颗。

作为全球通信基础设施,卫星互联网星座是典型的“赢家通吃”型生意,因此,各家公司都会力求在最短的时间内完成组网,以求抢占商业先机。特别是国内互联网星座起步较晚,要想后发制人就必须在组网速度上下功夫。

(三)组网火箭以大、中型为主,小型为辅

目前,进入大规模星座组网阶段的只有 SpaceX公司和 OneWeb 公司。下面以上述 2 家公司星座组网火箭选型为例进行分析,SpaceX 公司在组网时选用了自家公司的“猎鹰”9 运载火箭,该型火箭近地轨道(LEO)运载能力达到 22.8t,属于典型的大型运载火箭,其单次发射可以携带 60 枚星链卫星;OneWeb 公司则分别与欧洲阿里安空间公司和英国维珍银河公司签订了 21 次、39 次发射服务合同,其中阿里安空间公司采用了俄制联盟号 2-1b 型火箭,其 LEO 轨道运载能力为 8t 左右,是典型的中型运载火箭,在近 2 次组网发射中,该火箭每次携带了 34 枚星座卫星,而维珍银河公司则采用“运载一号”(LauncherOne)运载火箭进行发射(尚未执行),该型火箭 LEO 轨道运载能力约为 0.4~0.5t,为典型的小型运载火箭,单次可以携带 2~3 枚星座卫星。可以看出,国外主要的互联网星座组网时以大、中型火箭为主,以保证组网效率;以小型火箭为辅,兼顾组网的灵活性。

虽然目前 OneWeb 公司已申请破产,组网计划被搁置,但其组网火箭的选型方案也值得我们借鉴。

对我国商业火箭发展的影响

(一)星座组网阶段释放大量发射需求

目前来看,国外主要互联网星座已完成火箭选型并进入规模组网阶段,国产火箭承担发射任务的可能性不大,后续商业发射需求主要来源于国内星座组网。从目前对外公布的资料来看,国内星座的具体组网方案尚未明确,本文以星座规模 1000 颗卫星、单星质量 200kg、轨道高度 700km、组网周期5 年为例,对组网发射需求进行计算。星座组网火箭需求表见表 2。

表2 星座组网火箭需求表

由表 2 可知,星座组网如果选用小型运载火箭则所需发射次数过多,组网效率较低,而选用大型运载火箭虽然组网效率最高,但生产和测发周期较长,因此从工程实施层面出发,采用大型和中型运载火箭组网、小型运载火箭补网发射的可能性较大。该组网方案与上文提到的国外主要卫星互联网星座组网火箭的选择大致相同。以采用一发大型火箭发射 50 颗卫星、六发中型火箭发射 150 颗卫星、两发小型火箭补网发射 4 颗卫星进行计算,全年需完成9 次发射。上述计算均以质量作为依据,如考虑到卫星包络对整流罩内布局的影响,则对火箭的需求还会有所增加,有望达到 10~12 次 / 年。

2019 年,我国作为全球火箭发射次数最多的国家,全年共发射火箭 34 次,未来国内发射需求还将有巨大涨幅。而面对庞大的发射需求,解决好火箭产能和发射场资源问题就显得尤为重要。

(二)商业化的运营模式加剧价格竞争

卫星互联网星座的规模较大,其建设费用将达数百亿元;而互联网星座一般选用小卫星作为组网卫星,虽然利于成本控制及快速部署,但使用寿命较短,一般在 5 年左右,后续星座维护成本较高。由此可知,高昂的建设和维护费用将对互联网星座未来的商业竞争力产生不利影响,尤其是面对来自 5G 网络的竞争压力,通过商业化运作来严格控制成本将是卫星互联网星座的唯一出路。

2020 年 3 月,OneWeb 公司正式递交破产申请。有分析称,由于成本控制不力,OneWeb 公司的卫星制造成本较预期翻倍,而作为其发射服务商的阿里安空间公司则成为其破产后的最大债务人。有了 OneWeb 公司的前车之鉴,相信国内的相关公司更会视组网成本为生命线,在组网火箭的选择上,也必将更看重价格因素,市场竞争态势可想而知。

(三)竞争结果加速行业整合及市场出清

考虑到卫星互联网星座的建设规模及战略影响力,随着其组网实施,取得较大市场份额的竞争者无疑会借助订单优势获得资本青睐,提升品牌价值,提高研制生产能力。而市场份额较小或无法参与组网建设的竞争者则可能面临市场出清局面,最终难逃被合并或破产的命运。毫不夸张地说,卫星互联网星座的市场争夺战将推动商业航天行业大洗牌,这里不仅包括卫星制造商、发射服务商,甚至会波及整条产业链的上下游单位。

有关建议

(一)利用社会资本和资源完善商业火箭产业链,增强发射能力

卫星互联网星座发射需求庞大,其首要问题是解决商业火箭产能问题。这就需要利用好商业航天的平台融资及整合能力,通过引入产业资本的方式完善商业火箭产业链条,以资本为纽带快速聚集社会资源,补足产能短板,形成批产能力。同时,利用好海上发射资源,突破发射场资源瓶颈,以有效保障星座组网的可实施性。

(二)运用创新举措,打破固有思维,降低商业火箭研制成本

如上文所述,成本因素已成为互联网星座组网时最为关注的要素之一。以星链星座组网发射为例,“猎鹰”9 运载火箭每次携带 60 枚卫星,按照“猎鹰”9运载火箭的市场售价为 6000 万美元计算,单颗卫星的发射成本为 100 万美元,而 SpaceX 公司之前公布其单星制造成本为 50 万美元左右,仅为发射成本的一半。如果要完成 1.2 万颗卫星的组网,仅火箭开支一项就将达到 120 亿美元。但 SpaceX 公司 CEO埃隆 · 马斯克透露,在复用一级火箭和整流罩的乐观状态下,单次发射成本有望降至 1500 万美元,即发射成本降至为原来的 1/4。

因此,传统意义上的压缩成本已无法解决互联网星座庞大的组网需求与严苛的成本控制要求之间的矛盾,只有突破原有思维模式,通过不断创新才有可能解决这一问题。这里的创新既包括加大研发力度和资金投入,开发火箭重复使用功能的技术创新;还包括转变设计理念,简化流程的研制模式创新;同时,摒弃“圈子”文化,以开放心态优化产品配套的管理创新也必不可少。只有多管齐下、齐头并进才能实现控制成本、提升效率的目的,最终才能赢得商业火箭市场竞争。

(三)采用产业联盟的方式,携手上下游企业,共同开拓市场

卫星互联网星座作为庞大、复杂的系统工程,很难仅凭一两家单位就完成组网工作,所以,未来星座组网阶段一定是由多家单位协同配合完成的。因此,商业火箭公司需要与卫星方、网络运营方、资本方开展深入合作,结成产业联盟,一同开拓市场。这种互通有无、无缝对接的合作关系,不仅有利于技术方案的快速迭代,更能充分发挥联盟内各单位的特长,有助于形成合力,凸显联盟的竞争优势。同时,这种方式也可作为商业模式来进行探索,为后续“抱团出海”开拓国际市场积累经验。

结 语

以“星链”为代表的国际互联网星座已进入快速组网阶段,国内互联网星座组网也在紧锣密鼓地推进,庞大的市场规模和激烈的竞争对我国商业火箭来说既是挑战更是机遇。只有克服困难,抓住机遇,打造出符合市场需求的高性价比产品,才能为我国商业火箭发展开拓更广阔的天地。

本文转载自“ 钱学森智库”,原标题《卫星互联网星座组网对我国商业火箭发展的影响浅析》,作者 | 中国运载火箭技术研究院 李喆、孙冀伟、尚炜、李京京

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