SpaceX猎鹰火箭低成本探究及启示

李 飞 王郁景 樊晓雨

美国SpaceX以其低廉的发射服务价格、高效的履约能力及先进的公司运作模式，为国际发射服务市场带来了巨大震动，使得传统航天企业不得不审视各自的运载火箭发展路线。我国商业航天服务市场也在蓬勃发展，作为中国航天事业的发祥地，中国运载火箭技术研究院责无旁贷地需要认真分析自身的优势和不足，学习以SpaceX为代表的新兴航天企业的成功之处，不断做优做强自己，提升自身核心竞争力。

世界航天发射市场价格现状

目前，国际地球同步转移轨道的单位载荷发射价格为1至2万美元，近地球轨道的发射价格约1万美元。其中，小型火箭因运载能力较低等原因，单位载荷发射费用普遍偏高。

欧洲的阿里安5火箭几乎占据国际GTO发射市场50%的份额，俄罗斯的质子号火箭价格相对较低，也是国际发射市场的主要竞争者。美国联合发射联盟的德尔塔4和宇宙神5火箭在2016年之前，长期占据美国军方发射市场的垄断地位。SpaceX公司猎鹰9火箭的出现以及连续发射成功，快速抢占大量国际发射市场份额，并以其出色的性能和低廉的价格，成功打破ULA在美国国家安全发射市场的垄断。我国现役火箭（长征三号乙等）的单位载荷发射价格较低，在国际发射市场具有明显的价格优势。我国的运载火箭之所以未能在国际市场占据优势地位，关键原因在于国际武器贸易条例的限制。由SpaceX公司研制的猎鹰9火箭作为后起之秀，是世界范围内同类型运载火箭发射服务价格最低的，其低成本之路值得所有航天企业深入思考。

SpaceX公司特点

SpaceX公司由互联网项目PayPal的联合创始人艾伦·马斯克于2002年创立，是一家以提供商业航天发射与运输服务为主的私营商业宇航公司。该公司采用低成本发射实现盈利的商业模式，利用互联网创业企业的模式进行运作，建设快速产品迭代、扁平企业结构、敏捷项目管理，利用外部投资迅速扩大资本规模，走新企业经济路线的太空创业公司。在短短的十几年时间里，其设计和生产的法尔肯1火箭、法尔肯9系列火箭以及“龙”飞船等宇航产品相继投入使用，通过低廉的发射成本、较高的飞行可靠性、创新的技术和管理模式引起世界航天领域广泛关注，同时也获得了大量的商业发射服务订单，冲击着传统宇航领域企业的发射服务市场。该公司具有明显的特点：

研制任务高度整合。SpaceX公司打破了传统的运载火箭研制任务分工过于分散的模式，一家承担原本不同单位分别承担的大部分研制任务，采用高度集成化的设计模式，完成研制任务的纵向整合，对于自己无法承担或有货架产品的研制任务则直接采购。

高度产品化。公司主力运载火箭法尔肯9芯一级使用9台相同的发动机，二级发动机是在一级发动机基础上的高空改进版，基本相同的发动机给生产带来了极大便利，同时大大降低了生产成本和生产周期。法尔肯重型更是在法尔肯9的基础上，增加两个助推器，助推器与法尔肯9芯级基本相同，仅仅对法尔肯重型芯一级做了结构增强及部分适应性改进，所有27台发动机状态完全一致，其产品化程度推进力度惊人。在箭体设计和导航控制等方面尽量通用，通过火箭部件的标准化和通用化，以批量生产降低分摊的设计费用及生产成本。

突出创新能力。由于法尔肯火箭发动机技术不够先进，该公司在总体方案方面更加注重创新性，以此提高火箭整体性能，降低成本。由于芯一级发动机状态基本一致且数量多达9台，该公司采用故障检测及动力冗余技术，在少数发动机出现故障时，通过实时弹道重构重新规划弹道，完成发射任务，尽最大可能保障发射任务成功，该技术在发射任务中得到验证。公司在自主可控回收与重复使用、快速高效的测发技术、过冷推进剂加注技术、推进剂交叉输送技术等方面均取得重大突破。

重视工艺的可实现性。公司将设计与生产集中在总部，设计部门与生产部门仅一墙之隔，设计人员在设计之初就充分考虑材料和工艺的可实现性，并随时与车间生产人员直接沟通，及时了解产品设计与公司生产资源是否匹配，及时了解生产部门的反馈信息。设计与生产的密切联系，大大提高了工作效率，降低了后续生产过程的更改概率。

采用流水线生产模式。公司据称具备年产40枚法尔肯9的生产能力，公司内部建设了三条平行的法尔肯9生产线，具备24个梅林发动机装配工位。火箭制造过程类似汽车和飞机的生产，实现了火箭的流水线大规模生产，火箭不再是高不可攀的高科技顶尖产品，而是工业时代的工业品。

猎鹰火箭低成本原因

外部环境有利于商业航天企业成长。SpaceX公司的成功，与美国政府的支持密不可分。2004年，美国国家航空航天局退出地球轨道发射任务，全面转向深空，将地球轨道发射任务转交给商业公司，为以SpaceX公司为代表的私营公司创造了发展空间。美国还通过制定和颁布一系列政策法规来规范和调整商业航天活动，引导NASA拓展商业航天市场，鼓励商业发射，在加快技术创新、提高任务效率、降低成本、促进市场竞争等方面起到积极作用。

NASA为鼓励私营企业参与轨道空间运输服务竞争，降低近地轨道探索活动成本，陆续出台种类繁多的资助项目，包括商业轨道运输服务、商业补给服务等，SpaceX公司积极参与竞争，并陆续取得巨额订单，获得大量资金支持。在技术层面，SpaceX公司直接接受NASA的技术转让，如猎鹰火箭的梅林发动机直接来源于阿波罗计划中的登月舱下降发动机；或租或借或无偿使用大量基础实验设施，如发动机测试台架、发射场以及总装测试车间等，节省了大批基础设施建设费用。美国对航天工业投以巨资，长期积累造就了世界上最尖端的技术和最完备的产业链，培养了一大批经验丰富的航天工程师。这些都为SpaceX公司成功研制猎鹰火箭、实现低成本提供了坚实的基础。

敢于突破现有航天企业的传统桎梏。市场竞争的压力是SpaceX公司成本控制成功的重要因素。SpaceX的产品规划、技术发展方向、组织结构等都是按照适应市场需求、快速反应、降低成本的方向制定的。面对波音、洛克希德•马丁这些实力强劲的对手，唯有高可靠、低成本才是生存之道。

开发新产品和消减成本都需要创新思维、创造性解决问题的能力、长远思考及整体策略能力，创新是SpaceX公司的核心竞争力，SpaceX将其从简单的降低成本发展成为成本创新理念。SpaceX技术团队的冒险精神与创新理念无处不在，如开展蚱蜢重复使用验证试验，探索重复使用火箭，实现一子级海上平台回收；颠覆一定数量以上小发动机并联不可靠的理念；突破火箭“要保证控制系统稳定、长细比不能大于16”的常规思路，提供了构建“大火箭”结构的另一种路径。

既有创新的激情，也有遵循研制规律的冷静。作为看重成本的商业公司，SpaceX对于可控回收这一攻坚克难的领域，很好地遵守了循序渐进的研制规律，坦然面对多次回收失败，不断积累重复使用运载技术相关经验，持续推进可重复使用技术的研制进程，运载火箭回收日趋完善和成熟。

成功的内部管理。一是简单可靠的低成本设计理念。猎鹰火箭的研制充分贯彻了SpaceX公司“简单、低成本、高可靠”的设计理念，在技术和管理方面双管齐下。在工程设计上，充分践行“通用化、系列化、模块化”的思想，采用迭代开发的过程实现多型号任务间部件的复用，既节省成本，又缩短开发和生产周期，如猎鹰火箭都采用相似的整体结构、同源进化的软件和电子设备、相似的发射着陆指令，以及几乎相同的发动机等。

二是扁平化的公司管理。公司采用扁平化的管理架构，马斯克是首席运营官兼首席技术官，1名总裁负责行政工作，9名副总裁分别负责相关技术或业务领域工作，另外还有1名首席财务官、1名首席信息官和1名电子、制导与控制总工程师。公司内部没有通常意义上的部门划分，甚至没有组织机构图。各领域的员工平等地参与技术研讨、设计和开发等工作。公司除去发射场的员工外，大多数员工在同一层楼办公，以硅谷的开放式办公环境降低了信息交互成本。

三是自主化的生产模式。在制造方面，公司拥有年产40枚猎鹰9火箭的能力，箭上产品的自产率高达80%；既充分利用搅拌摩擦焊等成熟的工业技术生产贮箱，也利用3D打印等新型技术生产阀门。在测试方面，拥有242公顷的推进及结构测试试验厂房，可以随时进行测试，不需要租用测试设施。在发射场方面，除现有的三个发射工位外，还在美国境内寻求其他的用于商业航天的发射场，不单纯依赖空军发射场，以实现发射任务的快速周转。

综合来讲，猎鹰火箭的成本控制主要体现在五大系统上：动力、结构、航电设备、发射设施和管理。对于动力、结构、航电设备的成本控制，公司通过“自下而上”的设计模式，搭建了一个完整的设计平台。通过改进发射流程设计，极大地缩减了发射成本。在管理上吸取硅谷高技术企业的经验，采用扁平化管理结构，在管理成本上节约了大笔资金。

对我国航天事业的启示

着力优化科研管理模式，构建扁平化管理架构。我国航天事业起步初期，生产力极为落后，发展航天事业的主要矛盾集中在发展生产力方面，主要资源投入在提高技术水平方面。发展到21世纪，已经基本形成了完善的科研布局，具备自主研制运载火箭能力。随着社会进步和航天强国战略实施，当前的主要矛盾演变为生产能力无法适应高强密度发射常态化需求，核心在于相对落后的科研生产管理模式在一定程度上制约了生产力水平的持续提高。在国家深化改革背景下，我们更应该找准限制生产力充分发挥的症结所在，切中要害精准发力，从根本上提高运载火箭科研生产管理水平，构建扁平高效的管理架构，以管理能力提升和生产力提升双管齐下，支撑航天强国战略。

鼓励创新，制定具体鼓励办法和措施，营造开放融合氛围。为了在市场竞争中取得生存发展的优势，SpaceX为实现低成本的目标开展了多项技术、管理方面的创新，并在不断探索中寻求到了强大自身的正确道路。创新是必由之路。在国家层面实施的“创新驱动发展战略”指引下，相关主管机关、企业自身都要制定详细落地的鼓励科技工作者和管理者开展创新的具体措施和方法，投入支持资金，打造创新平台，从一点一滴的实处打造良好的创新氛围。同时，任何创新都不是一蹴而就的，在遭遇挫折乃至失败的情况下，还要允许试错，坚持创新，不断积累技术开发经验和管理经验，不断改进发展，从而实现创新目标。

从技术和管理两个方面持续开展工作，不断推进成本优化和竞争力提升。我国的运载火箭研制可以充分借鉴SpaceX公司所采用的一些成功的技术和管理方法，结合自身的特点，在这两个方面持续开展工作。我国的运载火箭研制正在开展基于伞降和垂直回收等多种技术途径的子级回收技术攻关，并充分继承既有型号的模块化组合，快速形成能力达标、成本低廉的运载火箭总体方案，不断采用新技术，改进和提升地面测试流程，探索采用商船的海上发射模式等，这些技术的探索和应用，都使我国的运载火箭有了进一步优化和降低成本的资本。同时，在新型运载火箭的研制过程中，充分探索和实践项目制和商业市场配套等管理措施，也在通过管理途径降低成本方面进行了不懈的努力。

大力推进运载火箭产品化和产业化。实现运载火箭低成本，除了管理模式创新、采用低成本设计之外，还需要大力推进产品化和产业化。我国运载火箭型谱较多，以3.35米芯一级为例，有CZ-3A系列、CZ-7、CZ-8等多种型号，不同型号间状态差距较大，很难实现批量生产，使得单发成本居高不下。建议深入推进产品化工作，进一步优化不同型号的产品状态，做到相同直径部段的通用化设计，最大程度为产业化生产创造条件，以利于大幅降低生产成本，增强我国运载火箭的核心竞争力。

运载火箭的低成本是企业发展的重要前提，为了实现运载火箭的低成本，应该在管理、设计、生产等诸多环节共同发力系统解决。运载火箭低成本的意义不仅可以推进技术进步，提高运载火箭在发射服务市场的竞争力，还能显著提高运载火箭企业的生产经营状况，提高盈利能力，进而促进运载火箭研制企业的研发能力。但也应该正确看待运载火箭低成本的实际状况，不能一味追求低成本而忽视运载火箭的可靠性和技术先进性。

随着卫星等有效载荷的技术发展，载荷的成本越来越高，以法尔肯9的运载载荷为例，其成本普遍在数亿美元，相对来说，在发射服务费用方面降低几千万美元，对于运载火箭的选择并没有那么敏感，发射可靠性才是载荷选择运载火箭的首要考虑因素。所以，运载火箭研制企业实现运载火箭低成本应该更加重视发射可靠性，而不是以低成本作为打发射服务价格战的基础。