低轨星座组网加速 商业发射资源和成本是关键
第一财经 2024-09-02 15:21

作为不可再生的资源,卫星频段、轨道资源有限且有优劣之分,供需矛盾日益突出。

为了争取近地轨道资源,我国已经向联合国的国际电信联盟(ITU)申报了多个互联网星座计划,预计将发射包括“GW星座”、“G60星链”在内约4万颗卫星。要力争在最短时间内完成卫星组网,中国卫星发射任务紧、难度大,同时从商业角度来看,又必须兼顾成本可控。商业航天发展对保频占轨意义重大。

一位参与过国家重大航天项目的专家在接受第一财经采访时表示,从技术上看,商业通信卫星大规模量产降本的难度不大,目前主要问题仍在于火箭发射成本,火箭回收技术仍需要突破。

同时,我国发射场发射工位数量有限,商业化使用程度较低,与低轨星座组网带来的大量发射需求存在明显的供需不匹配。

商业发射工位紧缺,发射场扩容迫在眉睫

如果将卫星比做要发往太空的“货物”,运载火箭就是“运输工具”,发射场就是“货运码头”。发射场设有运载火箭发射所需的基础设施和设备,是航天活动的先行基础设施。

目前,我国共设有酒泉卫星发射中心、太原卫星发射中心、西昌卫星发射中心、文昌航天发射场、海阳东方航天港5个发射场。随着各大低轨星座进入密集组网阶段,火箭发射次数将显著增长。根据《中国航天科技活动蓝皮书(2023年)》数据,中国航天2023年实施67次发射任务,其中民营发射商完成13次发射,较2022年的5次大幅提升。

由于航天发射活动具备军民两用属性,发射场一般由军方管理,发射任务需要申请国家机构审批以获取发射许可。某卫星制造及运营企业在接受第一财经采访时表示,目前我国发射场主要以执行国家航天任务为主,商业化发射工位供给稀缺,申请难度大排队时间长。

美国目前共有8个发射场,凭借较高的商业化程度,发射能力领先世界。2023年,美国共发射火箭116次,其中98次都来自马斯克创立的商业航天公司SpaceX。

根据ITU商业卫星“先登先占永得”规定,企业需要在获得许可后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,才能获得该频率的使用权。

我国已申报的互联网星座计划需要在7年内发射约万颗卫星,仅G60星链每年就需要发射近2000颗小卫星。目前国内发射能力严重不足,我国发射场扩容升级迫在眉睫,一方面通过新建发射场和扩大现有发射场规模增加发射工位,另外一方面通过提高发射效率。

我国首个商业发射场“海南商业航天发射场”于2022年7月开建,目前一号发射工位已竣工,有望在年内实现常态化发射,全部建成后将具备一年32发的能力。目前,二号发射工位也在加紧建设中。除了海南,位于浙江省宁波市象山县的“宁波国际商业航天发射中心”也在规划中。

此外,酒泉卫星发射基地也在规划商业航天发射示范区,未来将为商业发射公司提供更多通用工位,还有一些头部企业已获批建设自己的独立工位,如中科宇航、蓝箭航天、天兵科技等公司在酒泉拥有或在建商业发射工位。

同时,我国发射工位周转效率仍需提升。SpaceX目前单个工位最快周转时间为3天,通过工位的交替使用可实现一周4次发射,我国目前发射工位周转时间为2周到1个月。

单次发射成本待降,关注火箭回收技术

成本可控是商业行为的底层逻辑。SpaceX的“星链”卫星单位发射成本为3000美元/千克,我国低轨卫星发射成本约2万美元/千克,发射成本存在明显差距。目前国内发射一颗卫星的价格甚至比制造一颗卫星的价格还贵。

商业航天发射成本高昂,主要原因是运载火箭成本高。商业运载火箭本质是“太空物流”,按运送重量每公斤收费,在保证“货物”安全入轨的前提下,需要尽可能降本增效。目前各国主要通过增大运载能力摊薄单位发射成本,同时通过“可回收技术”降低火箭发射成本。

在一次性使用的火箭中,发动机成本占比高达54.3%,火箭回收和重复使用已成为降低成本的必然选择,通过火箭回收,将高昂的硬件成本分摊到多次发射上,从而降低单次发射的成本。

SpaceX主要通过火箭回收降低发射成本,其猎鹰-9火箭是中型两级火箭,该火箭一级具备垂直降落回收能力,可重复使用最多10次。猎鹰-9全新火箭的成本约为5000万美元,在火箭一级回收和复用下,猎鹰-9火箭复用成本仅1500万美元,单次降本近70%。随着SpaceX不断探索火箭二级的可回收技术,预计未来火箭的单次发射成本将进一步降低。

目前,我国商业火箭公司在火箭回收技术方面持续研发并取得一定突破。2022年5月7日,深蓝航天完成公里级VTVL垂直回收飞行试验,成为国内第一个、全世界第二个(第一个为SpaceX)完成公里级VTVL回收试验的企业。2024年1月19日,蓝箭航天的朱雀三号VTVL-1可重复使用垂直起降回收验证火箭(简称“VTVL-1试验箭”)在酒泉卫星发射中心成功完成了首次大型垂直起降飞行试验任务。

编辑/范辉

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