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全球商业航天观察:“星舰”密集测试;中国多地政策加码

过去几个月,全球看:1)我们注意到全球卫星互联网建设正在加速,如“starlink”已经发射第23批卫星,而Oneweb经历破产风波后今年也再次发射36颗星,韩国著名公司韩华集团也加入卫星互联网阵营。卫星互联网行业的竞争正变得更加激烈但格局整体未变。2)备受世界关注的马斯克“Starship星舰”飞行器密集试验,虽仍未成功但进展迅速。3)今年3月份,苏伊士运河发生堵塞事件,卫星遥感在此事件中发挥了及时、直观的态势感知作用,进一步证明了遥感卫星在商业应用中的价值。

国内看:商业航天领域取得可喜突破,如:1)星河动力“谷神星一号”成功入轨太阳同步轨道,是中国民营商业火箭首次;2)星河动力、星际荣耀和蓝箭航天的液体火箭发动机取得进展;3)海南、浙江等地政府在“十四五”规划中对商业航天支持力度加大。卫星互联网在2020年被纳入国家“新基建”范畴之后,一直未有实质性进展,我们预计今年在规划论证等方面将取得阶段性成果。“十四五”期间的发展仍然值得期待

摘要

“星链”建设加速,领跑卫星组网竞赛。1)3月24日,SpaceX公司第23组60颗“星链”宽带卫星成功发射,总发射数量已达1385颗;3月25日,OneWeb的36颗卫星宽带组网卫星成功发射,这是该公司走出破产保护后的第2次组网发射,目前在轨卫星数量已达146颗;韩华集团也提出了发展宽带卫星网络的计划。2)根据ITU 2020年报告,截至2019年末,全球正在申报和已投入使用的非对地静止卫星网络共计1144个。我们认为,Starlink、OneWeb、亚马逊、韩华等国外科技巨头星座部署计划加速,卫星轨道和频率资源更为稀缺。

“星舰”密集测试,技术快速迭代。3月30日,SpaceX的Starship星舰SN11原型机在进行了10km高度飞行测试时失败。而在此之前已经经历了SN8~SN10的多次失败。回顾星舰计划的发展历程,我们认为SpaceX公司采用“测试-分析-改进”的模式实现了产品的快速迭代,这种模式的核心思想包括:1)模块化增添部件,逐次测试更多功能;2)从失败中不断改进设计;3)严格控制物料成本,我们测算一艘“星舰”原型机的物料成本被控制在千万美元量级。

政策加码,中国商业航天“十四五”迎来新机遇。1)政策层面,4月8日,国家发改委、商务部发布文件,支持海南依托自贸港优势发展商业航天产业;浙江颁布十四五规划征求意见稿,提出在宁波打造商业航天发射中心。2)企业层面,我们看到星际荣耀、星河动力、零壹空间、蓝箭航天等商业火箭公司取得技术突破。我们认为,“十四五”期间商业航天得到的政策支持有望不断加大,同时随着我国低轨卫星网络的发展、北斗应用下游需求的释放以及国内商业火箭的逐渐成熟,中国商业航天将迎来高速发展期。

风险

低轨卫星星座商业化进程不及预期;商业发射进展不及预期。   

正文

全球卫星观察:卫星互联网热度不减;遥感应用受到关注

卫星互联网建设加速,科技巨头争夺频谱与轨道资源

2020年以来全球卫星互联网产业进入高速发展阶段,标志性事件包括Starlink开始商用运营、亚马逊的“Kuiper”通信星座获得美国政府批准等,科技巨头间低轨卫星系统的竞争加速,轨道与频率资源的争夺更加激烈。

今年以来,我们观察到SpaceX继续保持着在组网密度(存量)与发射频率(增量)上的绝对优势,同时“行业龙二”OneWeb在经历破产重组后发展步入正轨,亚马逊、韩华等多家企业也在加快推进自身的卫星互联网星座计划。

► SpaceX:“星链”单月发射四次,已发射近1400颗。2021年3月24日,SpaceX公司第23组60颗“星链”宽带卫星成功发射。“星链”在3月已进行4次发射,共计240颗卫星被SpaceX的猎鹰火箭送入轨道。目前,星链发射数量已达1385颗。2015年1月,SpaceX提出“星链”(Starlink)项目,计划将约1.2万颗通信卫星发射到轨道,其中1584颗将部署在地球上空550千米处的近地轨道,并在2024年3月之前启动全面运营。目前,星链宽带在北美已开始正式商用化,并计划在今年将网络服务拓展至葡萄牙等多个国家与地区。

► OneWeb:破产重组后发展顺利,已在轨146颗。2021年3月25日,OneWeb的36颗卫星宽带组网卫星成功发射,这是OneWeb低轨宽带互联网星座的第4次全面组网发射,也是该公司走出破产保护后的第2次组网发射。截至目前,包括2019年2月发射的最初6颗原型试验卫星,OneWeb公司在轨卫星数量已达146颗。公司预计将通过与阿里安公司签约的总共19次联盟号发射在2022年完成由650颗卫星组网的初期星座部署工作,于2021年底前实现对北极区域的覆盖,于2022年5-6月实现全球覆盖,整个卫星网络计划将在2023年6月之前全面运营。

► 韩华集团:2030年前完成2000颗低轨通信星座建设。韩华集团系统公司计划在2030年前建成由2000颗卫星组网的一个星座,以向城市送货无人机和客机提供连接服务。韩华系统计划在2023年前投入5000亿韩元(4.4亿美元)研发低轨通信卫星、超薄电扫天线和卫星控制系统,计划于2023年启动试用服务,正式服务将在2025年开通,目标是在2030年实现5万亿韩元(44亿美元)的年销售额。通信服务范围2023~2025年计划只限于陆地和海上,2025~2030年将扩大到飞机和城市空中交通,到2030年时将扩展到6G互联网。根据韩华集团披露,子公司韩华Phasor和人造卫星研究中心计划有限公司(SI)将在该项目上发挥重要作用,美国卫星通信公司凯米塔(Kymeta)将会成为推进该项目实施的一个关键企业伙伴。

卫星轨道与频率是稀缺的“不可再生资源”。目前,全世界的卫星的轨道和频率均由联合国的国际电信联盟(ITU)统一管理。企业要想运行商业卫星,必须由所在国家的电信主管部门向ITU提出申请,经ITU审议后再由本国主管部门通知批准发放频谱。根据ITU2020年发布的太空报告数据库,截至2019年末,全球正在申报和已投入使用的非对地静止卫星网络(NGSO, Non-geostationary satellite Network)共计1144个,其中美国272个,排名第一,中国为142个,约为美国的1/2。其中,已投入使用或已确定日期投入使用的NGSO卫星网络665个,美国为157个,中国为81个,法国为75个,前三国家占据了近半数。

卫星遥感大放异彩,多元应用前景广阔

苏伊士运河堵塞事件是卫星遥感应用的一次有力展示。在近期的苏伊士运河堵塞事件中,卫星遥感公司纷纷通过定期更新长赐号货轮在埃及苏伊士运河堵塞的俯视图展示能力。各公司所使用的遥感卫星按传感器采用的成像波段分类,可分为光学影像卫星与合成孔径雷达(SAR)卫星,其中,光学遥感卫星成像分辨率较高,而SAR卫星则包含三维立体信息以及对目标材质类型的识别。

遥感应用走向多元化,商用大数据维度进一步拓展。过去,卫星遥感应用主要集中于国防、气象、科研等领域,未来我们认为卫星遥感数据将赋能百业。根据Euroconsult,2025年全球商业遥感数据及增值服务市场规模预计将达51亿美元。例如,在此次防疫抗疫中,卫星遥感广泛应用于监测港口航迹密度等复工复产指标;遥感数据还被用于探测原油库存数据从而为大宗商品交易提供投资建议等。

全球商业火箭观察:“星舰”项目快速迭代

从“星舰”项目看SpaceX如何用小步快跑方式研制火箭

星舰原型机接连爆炸,但后续迭代马不停蹄。北京时间3月30日晚间21时,美国SpaceX公司Starship星舰SN11原型机在得州博卡奇卡发射场进行了10km高度飞行测试,高空测试飞行的信号在5分49秒时丢失,原型机在空中失联解体。本次测试是“星舰”项目自原型机SN8以来第四次进行10公里高度的飞行尝试。在此之前,SN8和SN9的试飞以着陆失败并发生爆炸而告终,SN10试飞成功实现了着陆,但落地后不到10分钟也发生了爆炸。但是,“星舰”后续原型机的建造并未受到影响,SN15原型机已经组装完毕并有望在本月发射,从发射场堆砌的分段也能看出,后续若干型号也在紧锣密鼓的建设中。

回顾星舰计划的发展历程,SpaceX公司采用“测试-分析-改进”的模式实现产品的快速迭代,这种研发模式的核心思想包括:

► 以模块化、小步快跑的方式增添部件:1)在SN8以前的原型机都只有一台猛禽发动机,SN8开始在原有壳体内将发动机增加至3台,最终星际飞船设计将使用6台猛禽发动机;2)从SN8开始新增了前鼻锥和控制方向的侧翼,而SN10、SN11则对外壳部分材料做了进一步改进。

► 逐次测试更多功能,在失败中不断改进:SN8~SN11箭体结构基本一致,但每次升空都完成了不同的测试内容,尝试了更多功能。回顾SN8~SN11爆炸/解体的原因,有甲烷泄漏、发动机未能点火或未能达到指定工作压力、姿态控制紊乱、着陆架未能正确展开等。每次试验后,在航电设备、软件和发动机控制方面都有数百项设计改进。

► 控制物料成本:截至目前,猛禽发动机价格已低至约200万美元/台;星舰的外壳是304号不锈钢,成本约3300美元/吨(不考虑废钢回收),考虑加工费用后整个外壳成本不超过100万美元;燃料费(甲烷和液氧)合计不到10万美元,考虑“舰载”设备等成本,我们测算一艘“星舰”原型机的物料成本被控制在千万美元量级。

“星舰”相比“龙飞船”有哪些提升

“星舰”相比龙飞船,拥有更强的设计参数与运载能力,以及更佳的成本收益特性:

► “龙飞船”自身高8.1米,可以容纳最多7名人员,内部空间为9.3立方米。龙飞船能够将6吨有效载荷运送到空间站轨道。“龙飞船”需要搭配两级火箭,而火箭的第二级不能重复使用,且根据SpaceX的计划,龙飞船只被安排进行一次载人飞行,此后将其降级为货运职责。每艘龙飞船的发射价格约为1.6亿美元。

► “星舰”自身(不含助推器)高50米,内部容积为1000立方米,可容纳100名乘客。星舰自身推力比猎鹰9号的第一级助推器更大,能够将100吨货物运送到空间站轨道。星舰直接装在第一级火箭(助推器)之上,自身和第一级火箭都可以重复使用,SpaceX预计单艘飞船将能够执行100次飞行任务,SpaceX预计星舰每次发射的成本(考虑重复使用后)仅为200万美元。

维珍银河展示新款亚轨道航天飞机

根据《航天新闻》报道,维珍银河公司3月30日对外展示了其最新款的“太空船三世”(SpaceshipIII)亚轨道航天飞机。“太空船三世”外观与“太空船二号”相近,但结构上有显著改进,有效载荷能力提高,“太空船三世”将能乘坐6人。“太空船三世”的不同部件可并行建造,然后总装到一起,从而可大大提高建造速度和工作效率。本次展示的是“太空船三世”系列的首架飞行器,称为“VSS想像号”(VSS Imagine)。这架飞行器在公司位于加州莫哈韦的设施建造,已为在那里开展地面测试做好准备,飞行测试拟在今年夏天启动。

中国:政府企业共努力,商业航天“十四五”迎来新机遇

政策加码,商业航天成为各地政府“十四五”发展规划的重要组成部分

海南:依托自贸港优势,发展商业航天产业

4月8日,国家发展改革委、商务部发布《关于支持海南自由贸易港建设放宽市场准入若干特别措施的意见》,提出要优化海南商业航天领域市场准入环境,推动实现高质量发展。主要内容包括:

 支持建设融合、开放的文昌航天发射场,打造国际一流、市场化运营的航天发射场系统,统筹建设相关测控系统、地面系统、应用系统,建立符合我国国际商业航天产业发展特点的建设管理运用模式。

 推动卫星遥感、北斗导航、卫星通信、量子卫星、芯片设计、运载火箭、测控等商业航天产业链落地海南。支持在海南开展北斗导航国际应用示范。

 优化航天发射申报、航天发射场协调等事项办理程序,提升运载火箭、发动机及相关产品生产、储存、运输和试验等活动安全监管能力。

 支持商业卫星与载荷领域产学研用国际合作,鼓励开展卫星数据的国际协作开发应用与数据共享服务。

浙江:规划总投资200亿元建设宁波国际商业航天发射中心项目

3月22日,浙江省发布《浙江省重大建设项目“十四五”规划 (征求意见稿)》,规划中提到:将在宁波市象山县开建总投资200亿元的宁波国际商业航天发射中心项目,其中“十四五”期间投资120亿元。项目规划面积约67平方公里,包括航天发射场35平方公里、产业配套区32平方公里,目标是建成年发射规模100枚火箭的商业航天发射基地和千亿元级的商业航天配套产业基地。建设的重点包括:商业航天发射场、总装测试中心、星箭对接中心、指挥控制中心、火箭卫星研发制造基地、商业航天配套产业基地,以及卫星数据应用产业基地等。商业火箭总装测试厂房预计今年7月整体竣工验收。

宁波何以适合建设发射场?目前我国拥有3个内陆发射场,分别是酒泉发射场、太原发射场和西昌发射场,以及1个沿海发射场即海南文昌发射场。宁波象山所处纬度与西昌卫星发射中心接近,净空条件优秀,火箭残骸的掉落地区是海洋,发射方位角广、交通运输便捷、产业配套齐全、自然条件良好、社会依托充足,因此适合作为航天发射场。目前,宁波航天智慧科技城已落地项目包括中国航天科工所属航天工研院的双创中心项目、星箭航天的星箭航天航空研发制造项目、明腾电子的卫星工厂项目和航天配套社区项目等。

创新驱动,中国商业航天企业快速发展

星河动力:针栓式喷注器推力室试验件已完成装配交付

星河动力液氧/煤油针栓式喷注器推力室试验件完成装配交付,并通过冷态试验考核。这是国内首个50吨级液氧/煤油针栓式喷注器,随后产品将交总装,并于近期开展热试车,考核针栓喷注器的设计方案,获取推力室燃烧性能等参数。

“智神星一号”是星河动力航天自主研制的可重复使用中型液体火箭,其一子级动力系统由七台“苍穹”50吨级的变推力液氧/煤油发动机组成,而针栓式喷注器技术则是这些发动机实现深度变推力的技术关键。星河动力后续将陆续开展"苍穹"液氧/煤油发动机的相关试验,并于年内开展全系统试车,努力打造继SpaceX梅林发动机之后世界第二款、国内首款可重复使用液氧/煤油发动机。

星际荣耀:焦点一号发动机完成垂直起降(VTVL)飞行试验前各项研制工作

2021年4月1日,星际荣耀自主研发的焦点一号可重复使用液氧甲烷发动机(以下简称“焦点一号”)顺利完成500秒模拟飞行变推力试车,发动机在50%至100%推力范围内连续稳定工作。此次试车成功考核了火箭从起飞到着陆过程中焦点一号的变推力调节过程。至此,焦点一号发动机已具备执行垂直起降(VTVL)飞行试验的全部条件。

本次试车是焦点一号本台(第四台)发动机的第五次全系统热试考核,五次试车均围绕星际荣耀今年即将进行的双曲线二号可重复使用运载火箭一子级垂直起降(VTVL)飞行任务开展针对性考核验证,核心囊括了飞行前预冷流程验证、返回时的后处理流程验证、自研测控系统与发动机的匹配性验证、多次点火及可重复使用验证以及模拟飞行推力调节验证等。以上试验的圆满完成,标志着焦点一号发动机已为双曲线二号可重复使用运载火箭一子级垂直起降(VTVL)飞行试验做好了准备。

蓝箭航天:朱雀二号液体火箭一级发动机总装完成

2021年2月3日,蓝箭航天官方发布消息,朱雀二号液体运载火箭首台一级四机发动机装配工作圆满完成。朱雀二号火箭一级发动机由4台“天鹊”80吨液氧甲烷发动机(TQ-12)并联组成,可为火箭提供268吨的起飞推力。各台单机发动机均为单向摇摆,摇摆方向为箭体切向,摇摆角度为±8°,可为火箭飞行提供各方向的姿态控制力。

根据公司披露,四机发动机整体布局及管路设计遵循了统一的模块化设计思路,具备了在各个阶段更换部分产品甚至整台单机的能力,极大提高了发动机的使用维护性能。

国内“北斗”卫星导航已经达到世界领先水平;卫星遥感发展较为迅速;而卫星互联网建设尚处于起步阶段,产业链上游的卫星制造和火箭制造细分领域会先受益。卫星运营及服务,以及衍生的车联网、地面设备等还需要一定的时间。在卫星总装上市公司中,中国卫星是我国小/微卫星的龙头,具有较强的卫星生产制造能力。卫星及火箭配套企业有航天电子(导航、测控、线缆等)、航天电器(连接器、微特电机)、火炬电子/鸿远电子(MLCC)、振华科技(电子元器件)、和而泰(微波射频芯片)、康拓红外(星载计算机)、天银机电(星敏传感器)等。卫星运营公司国内主要是中国卫通,卫星应用服务及通信、导航、遥感数据处理等企业包括航天宏图、中科星图、四维图新等。

文章来源

本文摘自:2021年4月14日已经发布的《全球商业航天观察:“星舰”密集测试;中国多地政策加码

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