星舰再战苍穹：SpaceX与NASA背后的创新机制为什么行
作者：张浩祥 华略智库新兴产业研究院研究员
来源：上海华略智库（ID: HUALUETT）
2024年3月14日，太空探索技术公司（SpaceX）进行了星舰（Starship）火箭的第三次试验飞行。该试验是星舰开发项目中的关键步骤，旨在为建立完全可重复使用的运输系统进一步验证火箭的性能与可靠性，以支持未来的商业发射任务和太空探索活动。SpaceX这次实验依旧未竟全功，但其所取得的进展仍令各路媒体为之侧目。
2023年，全球有10个国家进行航天发射活动，航天发射次数总计223次，入轨质量共计1481吨。从发射次数看，美国116次，占全球一半以上；中国67次，占比超30%。从发射入轨质量看，美国1244.46吨，占全球总量的84.01%，中国仅123.38吨，占全球总量的8.33%，不到美国的1/10。
表1：2023年全球航天发射情况总览，来源：公开数据
其中，最值得注意的是，SpaceX一家公司在2023年就完成98次火箭发射，占全球总发射数量的43.95%，超过中国31次，这也是近年来，中国航天年度发射数量首次被SpaceX公司超过。根据埃隆·马斯克（Elon Musk）在2024年1月的SpaceX公司年度演讲中所透露的数据，SpaceX在2023年占据了全球发射入轨质量的80%，是美国在该指标独步全球的核心支撑。
截至2023年底，SpaceX星链（Starlink）卫星发射总数已达5650颗，猎鹰九号（Falcon 9）火箭的复用次数纪录达到19次之多，整个猎鹰系列火箭在2023年的回收成功率更是达到100%，星舰巨型火箭的2次实验发射也都取得了里程碑意义的突破。SpaceX作为一家私营企业，凭借一箭多星、火箭循环回收、高功率发动机等核心技术优势，惊人地展现出了“横压一世”的气魄。
过去的一年，一个美国私营企业的火箭发射次数、卫星发射总量和入轨质量，竟远超全球第二大国，确实令我们感到震撼和压力，SpaceX巨大成功背后的因素是什么？本来就领先全球的美国航天为什么能再一次因为公（NASA）私（SpaceX）合作而突飞猛进？
SpaceX的“发家史”在互联网已被演绎过多回，追溯到其发展早期，一般结论是：SpaceX在很大程度上就是依靠美国国家航空航天局（NASA）在技术、人才、资金等全方位支持才能度过重重难关，实现产学研用深度融合，并逐渐发展成为如今全球商业航天第一巨头。
美国为商业航天产业究竟提供了怎样的创新土壤，方能培育出这样一家独步全球的商业航天“巨无霸”企业？
笔者认为可总结为以下三点：
第一，引领性政企合作政策是美国商业航天发展的指路明灯。1984年美国颁布《商业空间发射法案》，规定私营公司可以申请发射火箭，政府会给予一定的资金和技术支持。这是全球第一个鼓励商业航天发展的法律，也是美国乃至世界商业航天发展的起点。2010年，美国发布《美国国家航天政策》，鼓励私营企业开发能够运送货物和人员到国际空间站的飞船和火箭，并由政府购买服务。2013年，美国发布新版《美国国家航天运输政策》，提倡政府与私营企业合作，大力发展低地球轨道商业航天运输能力，并要求最大限度采办商业航天产品与服务。
美国商业航天产业正是在这些政策的支持下集体性崛起，并涌现出SpaceX、蓝色起源（Blue Origin）等一批高科技企业。可以说，具有引领性、开创性的顶层设计是美国传统航天开启商业化的破冰契机，亦是美国政府推进商业航天产业发展进程的有效抓手。
NASA作为美国联邦政府的行政性科研机构，主要负责制定、实施美国的太空计划，自1958年成立以来便与各类航天企业广泛展开商业合作，其商业行为的运行模式完成了从最初的传统承包模式、购买整个产品系统（1958年NASA成立至1984年），到放开火箭发射业务给商业公司模式（1984年《空间商业发射法案》颁布至2003年），再到购买航天服务、扶持商业航天企业、推动航天经济发展模式（2003年《航天投资法》颁布至今）的持续迭代。
此外，NASA还在实施各类航天计划时，将政府出资占比压缩在40%左右，积极撬动社会资本入局投资商业航天企业，以充分发挥政府社会合力，加速航天产业的商业化进程。
2008年以前，SpaceX的“猎鹰1号”三次发射均以失败告终，随后金融危机更是让SpaceX濒临破产。但2008年9月28日“猎鹰1号”第四次发射的成功，帮助其获得NASA价值16亿美元的商业补给服务计划（CRS）服务合同，让SpaceX起死回生，而后一跃成为全球无可比拟的商业航天巨头。
第二，为优质私营企业提供技术支持是美国商业航天高速发展的硬核基础。2015年以来，NASA太空技术任务理事会（STMD）多次发布《合作机会公告》（ACO），与致力于太空技术研发的美国公司（包括小型和大型企业在内的各类企业）合作，共同促进商业航天产业发展，并通过多方向的技术投入为NASA未来的探测任务奠定基础。
截至2023年底，NASA已支持超过75个ACO项目，在获得ACO支持的企业中，既有波音公司（The Boeing Company）、洛克希德·马丁（Lockheed Martin）等全球行业巨头，也有SpaceX、Blue Origin等高成长性科技企业。NASA通过ACO项目为企业提供包括专业技术资料供给、专家咨询、独有测试设施的使用机会等各类资源支持，为商业航天企业节约了大量研发成本，大幅提升了美国商业航天产业的发展速度。
第三，科学的项目管理是美国航天经费高效使用的良好保障。NASA通过引入多家公司竞争、强调阶段评审、重视风险管控的项目管理办法，成功提高了负责项目的执行效率和资金使用效率。
例如，NASA在商业轨道运输服务（COTS）计划中，给SpaceX等公司在预研、检验生产、飞行展示三个阶段内规定了多个“里程碑”指标，须达到相应指标才会支付合作方对应经费。而在通信服务（CSP）计划中，强调6家获得合同的公司都须在2025年之前完成技术开发和太空演示，以证明其方案具有成本效益和可靠性，以避免项目延期或方案失败。
商业航天企业之所以能在这样一个时代走到台前，一方面是因为航天技术的发展成熟使得商业盈利成为可能，另一方面是因为航天事业需要一批创新更高效、管理更灵活、风险承受度更高的主体来分担政府的部分功能和投入压力。
以SpaceX为例，该公司在研发过程中一方面大量采用已公开的成熟技术，并承接NASA先进技术，以降低自身科研成本；另一方面敢于试错，提高研发路径筛选效率，促进关键核心技术快速迭代。
例如，在开发猎鹰系列火箭的过程中，SpaceX在零部件和工艺设备的应用上，尽可能使用成熟技术和现成设备，并要求尽量做到产品通用化，以降低研发成本、减少重复研发投入，并充分利用NASA为支援美国民间的低成本火箭项目所向公共领域公开的56项技术专利，以实现成本控制。同时，SpaceX布局研究伞降回收、带翼飞回、垂直回收等技术路径，根据实验结果进行主攻方向的筛选。
此外，SpaceX在设立研发目标后快速转向概念设计、台架测试和原型开发环节，进行样机制造和测试，发现漏洞、快速调整、再次测试，在不断试错、及时反馈、敏捷开发的循环中推动火箭快速迭代。
2023年4月17日，星舰首飞失败，火箭升空不久后爆炸，发射证明了大量发动机并联的设计方案、两级超重型运载火箭的设计方案和技术路线的可行性。
2023年11月18日，星舰二次试飞，成功实现一二级分离，此后任务控制中心与“星舰”飞船失去联系，被迫启动自毁系统，但仍成功验证了级间热分离技术、新的发射台冷却系统等的有效性。
2024年3月14日，星舰成功进入太空，虽在重返大气层过程中与地面失去信号链接，任务提前结束，但仍完成了在轨燃料输送和载荷舱门开合等重要实验。
星舰三次试验均未完全成功，但仍能赢得各方掌声和无限期待，一方面是试验的完成度越来越高，另一方面也是SpaceX“快速螺旋开发”的工程方法早得到各方认可。
对于SpaceX来说，商业航天的火箭不必先达到不炸的目标，每一个技术环节都可以缩短概念设计时间，快速进入制造和测试流程，通过实验（或事故）最快、最有效地收集数据，再继续改进完善。同时，即使发射失败，只要能让投资方看到里程碑意义的进步，便可获得新一轮投资。
根据视觉资本（Visual Capitalist）数据显示，凭借火箭垂直回收复用、全流量分级燃烧循环发动机等先进航天技术，目前SpaceX通过猎鹰9号火箭将每千克发射入太空平均成本约为2720美元，NASA也将发射成本降至原有（约20000美元）的13%。而且，据预测，成本还有望在星舰成熟后被压缩到每公斤100美元以下，进一步稳固美国航天在全球的领先地位。
随着航天技术不断突破、社会资本火热入场、发展模式深度变革和产业化进程持续加快，以企业为主体，以盈利为目的，以航天产品开发、系统运营、应用服务为核心的商业航天已成为大国科技博弈和产业竞合的必争之地。
无论是NASA与SpaceX的“公私合作”共赢模式，或是SpaceX企业本身的快速螺旋开发模式，还是以SpaceX为代表的美国商业航天企业的创新创业精神，都值得我们在培育发展未来产业、构筑新质生产力的实践中学习借鉴。
未来，中国应如何通过完善航天政策体系、推动底层技术开放、鼓励人才柔性流通、优化创新资源共享、营造包容性创新生态等，推动商业航天产业成为中国新质生产力的代表和未来产业的新引擎？敬请关注下篇《“十五五”未来产业透视：中国商业航天未来何为？》。
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