商业航天的应用场景有哪些？应该发展商业航天哪些环节？
发布时间：2023-06-15
文章来源：王岩
“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。"——火箭专家、宇宙航行之父齐奥尔科夫斯基”不管地球达到了怎样的繁荣，那些没有太空航行的未来都是暗淡的。”——刘慈欣
一、航天事业的“0”到“1”
航天又称空间飞行、太空飞行、宇宙航行或航天飞行，是指进入、探索、开发和利用太空（即地球大气层以外的宇宙空间，又称外层空间）以及地球以外天体各种活动的总称。航天产业由空间技术、空间应用、空间科学三大领域构成，产业包含利用火箭发动机推进的跨大气层和在太空飞行的飞行器及其所载设备、武器系统、地面设备的制造业、发射服务业和应用产业。
探索茫茫宇宙是人类不懈追求的目标，宇宙中蕴藏着无限的机会，任何不经意间的发现都可能改变人类的命运，这也是航天的魅力所在。然而航天发展的道路无疑是艰巨的，技术难度之高，资源投入之大都是其他行业难以相比的。长久以来各国发展航天事业主要都是依靠国家投入，从空间站建设，以及各种探月探火和深空探测活动，都是国家主导的发展模式，而且发达国家在航天领域的投入远超其他国家。
国家主导，助力航天事业完成了从“0”到“1”的突破，并且验证了大量的关键技术和路线，也促进了相关领域和技术的发展，尤其在通信和军事侦察领域体现出了重要价值。 国家主导模式主要以任务为主，无法使其充分走向市场化和民用化。又由于航天对安全性的高度敏感，各任务的特点又千差万别，无法进行大规模的批产复用，导致项目费用居高不下，无法满足市场化的投入产出要求，这也是航天产业商业化程度较低的主要原因。
二、航天事业“1”到“100”的跨越
商业航天是以获取商业利润为目标而开展的独立、非政府的商业航天活动。与以科研、探索为目的的传统航天相比，商业航天以市场资源为主，在市场机制下运行，产品研发周期缩短，注重技术的多场景应用和商业模式的大规模复制，应用场景更加多元，除通信、导航、遥感外，还包括卫星互联网、太空旅行、太空采矿、深空探测、建设太空基地、火星移民等太空场景的探索。
美国率先开展航天的市场化转变。在nasa的大力扶持下，越来越多的商业航天公司开始承担国家级项目，并探索低成本的商业模式和实现路径。如今spacex和蓝色起源已经在商业卫星发射和商业载人旅行领域实现了一定程度的规模化，实现制造成本和发射成本的双降，带领整个航天产业飞速发展。自2020年以来，全球每年航天发射在载荷数量和质量正在以指数级别增长。
随着航天技术的进一步成熟，航天已在导航、遥感、卫星等领域实现落地应用，切实服务于人类的生产生活。在市场机制的助推下，航天产业迸发出前所未有的勃勃生机。参考其他制造业的成本模型，产量和成本将成绝对的反比例关系，未来整个航天产业的各环节成本将继续大幅度下降，同时也将进一步刺激相关需求的爆发。
美国以spacex为代表的商业航天公司正在快速发展，以高科技技术和高性能产品引领商业航天不断向新的阶段迈进。已经跨越传统航天发展的第一曲线，沿着第二阶段的指数增长曲线高速前进。而我们尚未完成从第一曲线向第二曲线的跨越，而低成本商业运载火箭就是最大的制约因素。未来，当我们建立起自己的低成本运载体系后，更多的空间基础设施需求将被激发，大型星座，空间工厂，太空基地等都将一一实现，航天发展将真正进入新的周期。
1.卫星产业主导的航天产业发展第一阶段
全球航天经济总额在2022年达到4640亿美元，较2021年的3700亿美元增长了25%。欧洲咨询公司预测，预计在十年内全球航天经济总额将超过7370亿美元。据统计（如下图），商业航天经济总额在2022年达到3620亿美元，占航天经济总额的78%，已经成为太空经济的主导领域。
随着全球航天经济的不断发展，在国家政策和技术进步的双重驱动下，商业航天将成为航天经济中重要的组成部分。太空技术作为最先进的科学分支，为探索的投资者提供了各种机会，商业航天产业发展通过科技进步促进社会和经济发展，涉及领域包括但不限于：推进系统研制和制造，宇航员药物研制，发动机研制，生产特定材料，发射系统的软件和硬件开发空间技术开发与应用，以通信、导航、遥感为核心的卫星应用等。根据统计全球共有20个行业，超过12000家公司涉及航天科技产业。导航与地图，云技术和制造业是参与公司最多的三个行业，还有大量不同的其他行业推动着航天科技发展。
卫星导航领域，全球gnss市场服务总收入已达到2000亿欧元，市场集中在美国，欧洲，日本，中国。我国卫星导航与位置服务产业总体产值已达约4700亿元；截至今年1月，北斗时空智能服务的全球累计接入智能设备超15亿台；北斗高精度时空服务月调用次数超过1700亿次，服务覆盖全球超230个国家和地区；北斗成为智能手机、可穿戴设备等的“标配”，高德地图调用北斗卫星日定位量超3000亿次。2030年全球gnss设备接入将超过100亿台，汽车、农业、海事、无人机等设备接入数量将大幅提升。
卫星通信领域，低轨卫星具备：传输时延小、链路损耗低、发射灵活、应用场景丰富、制造成本低、可通过提升卫星数量来提高系统容量等优势，适合卫星互联网业务的发展。目前，互联网卫星数量已经占据所有在轨卫星数量的一半以上，同时全球互联网卫星规划数量超7万，未来多国都将建设自己的互联网星座。
从国务院发布的《2021中国的航天》白皮书中，明确指出中国始终把发展航天事业作为国家整体发展战略的重要组成部分，并提出了未来五年研制构建包括多种通信、导航以及遥感卫星空间基础设施，同时持续完善卫星通信、导航、遥感地面系统。白皮书中，也特别提出了关于“推动构建高低轨协同的卫星通信系统，开展新型通信卫星技术验证与商业应用”的规划。
卫星遥感领域：遥感是指不直接接触物体，利用传感器对远距离目标辐射或反射的电磁波信息进行获取的方式。依托卫星等天基平台位置优势，利用基于卫星平台的遥感传感器可不受领土、领空限制对地球、其他星球或空间物体进行观测，实现对其识别、综合探测和应用，是全球变化监测、区域监视等的重要信息获取方式。
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识别、理解和预测变化，在这个全球快速变化的时代，我们需要新的方法来识别、监测和理解变化对环境和人类动态（如经济、健康和社会政治稳定）的影响。ai 遥感的功能可帮助客户以前所未有的速度和规模绘制、检测、解决和预测变化。通过结合多源数据和应用人工智能、机器学习和丰富的领域知识，实现洞察即服务。
2.空间基础设施建设和太空经济为主导的航天产业发展第二阶段
随着成本的下降和商业供应体系的健全，更多更大胆的新型空间经济模式也将出现，比如通导遥一体化的新一代高性能卫星，商业空间站，空间旅行，空间太阳能电站等。
迈向商业化的空间站
2023年6月5日，spacex使用猎鹰9号运载火箭和一个“四手”龙飞船实施了面向nasa的第28次商业航天国际空间站补给任务（crs-28），将两个新的柔性太阳能电池板以及一些科学调查物资等运抵国际空间站，载荷重量超过3.3吨。根据前期合同签署情况，此次任务应该属于nasa空间站补给第二阶段任务，约为2.25亿美金。距离spacex首次载人飞行三年，已经帮助38个宇航员进入轨道，包括nasa的人员，以及商业太空旅行的项目。迄今为止，spacex在空间站补给和载人方面已经从nasa获得了超过50亿美金的合同额，据悉，nasa空间站的补给任务的预算超过140亿美金。商业航天激活了美国航天技术的飞速发展，同时，政策也反哺了商业航天的发展。
与此同时，中国以及欧洲航天局也开始促进商业航天参与空间站系统建设，并出台相应有利政策。2023年5月16日，中国载人航天凯发k8一触即发官网发布《关于征集空间站低成本货物运输系统总体方案的公告》，公告指出，“为进一步降低空间站上行货物运输成本，增强上行货物运输的灵活性，探索发展商业航天模式，现面向全社会发布公告，征集空间站低成本货物运输系统总体方案。后续我办将根据方案征集情况，组织择优并开展低成本货物运输系统研制及飞行验证，市场化采购低成本货物运输服务，最终构建安全可靠、形式多样、效益突出的空间站天地货物运输体系”，并列出了相关的条件，主要是具有相应的技术及人才和资金的储备，可以支持相关任务的完成。
3.空间能源开发主导的第三阶段
空间太阳能电站构想最早由美国科学家格拉泽于1968年提出，即在地球轨道上建立太阳能电站，并通过无线传输方式持续向地面提供电力的发电系统。与地面太阳能电站相比，空间太阳能电站不受昼夜、天气等自然因素影响，对太阳能的利用率也更高。2007年，美国五角大楼曾向国家安全太空办公室提交过一份长达75页的研究报告。报告指出，太空太阳能可能成为一种可以利用的新能源。如果能在太空中放置一块“光伏板（一种受阳光照射产生直流电的发电装置）”，一切问题都将迎刃而解。
2023年3月，英国《泰晤士报》发表了一篇文章，其中提到：英国政府正考虑投资160亿英镑（约合1300亿元人民币），在太空建设太阳能电站。该电站直径将达到1.7千米，重约2000吨，计划于2040年建成并投入使用，该计划也被视作是可以帮助英国到2050年实现净零排放的潜在凯发k8一触即发的解决方案。
在空间太阳能电站的研究方面，美国一直走在世界前列。以美国空军研究实验室和诺斯罗普·格鲁曼公司等为主的机构正不断加大在该领域的研发力度，并表示将在2025年前开展关键技术空间验证。据美国宇航局发布的消息称，美国海军研究实验室曾于2020年在太空中测试了一套太阳能模块和电力转换系统，为建造太空太阳能电站迈出关键的一步。2023年5月，美国宇航局发言人表示，将重新开始天基太阳能（即空间太阳能电站）的研究。该发言人称，以前的障碍在于发射成本高，不值得部署这些太空太阳能工厂，现在我们看到发射变得更加容易、成本更低，太空运输不再是限制，这使得太空太阳能发电站的建造成为可能。
欧洲航天局凯发k8一触即发官网信息显示，欧洲从1998年起就开始进行太空太阳能电站的研究工作，并提出了“太阳帆塔”的概念设计，计划将“太阳帆塔”搬上太空，为欧洲源源不断输送清洁电力资源，
日本从上世纪80年代起，就对太空太阳能电站的关键技术进行了广泛研究。在此基础上，日本已将太空太阳能发电列入国家发展计划，提出2050年前建设商业太空太阳能电站的发展路线图。日本计划在地球的静止轨道上，距离地球约3.6万公里，建造一个发电量为10亿千瓦的太空发电站，为此多个机构研究所的研究人员集思广益，提出了多个设计方案。日本宇宙航空研究开发机构的研究院设计的太阳能电池板像是两面巨大的镜子，这两面“镜子”直径为1.25公里，将太阳光聚集到上面后，通过微波传输器将能量传输到地球。
中国的“太空三峡”：2010年，我国12位院士和百余位相关领域专家曾在中国空间技术研究院举办的空间太阳能电站技术研讨会上发布了我国空间太阳能电站发展路线图，提出到2030年建设兆瓦级小型空间太阳能试验电站的“三步走”计划：首先开展关键技术的地面及浮空器试验验证，其次开展高空超高压发电输电验证，最终开展空间无线传能试验。该路线图还提出了到2050年具备建设吉瓦级商业空间太阳能电站能力的目标。
2021年6月18日，中国首个空间太阳能电站实验基地在重庆璧山正式启动，计划在距离地球表面3.6万公里的高空建造“太空三峡”。该基地将重点进行空间太阳能发电站、无线微波传能以及空间信息网等技术的前期演示模拟与验证。同年12月23日，“逐日工程”启动，拉开了“逐日工程”空间太阳能电站的户外地面验证挑战的序幕。
长征九号用于建立空间太阳能电站：龙乐豪院士近日接受采访时表示：长征九号未来的主要任务是建立空间太阳能电站。未来航天技术可以支持建设空间太阳能电站，人们就会有取之不竭用之不尽的，既清洁又安全的能源。
三、航天事业发展阶段升级基础路径
运载之于航天：一夫当关 万夫莫开。低成本、大运力、高频次的发射能力是航天发展的金钥匙。
作者：王岩