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美國SpaceX公司快速發展因素剖析及有關啟示
來源:尖兵之翼 | 作者:孫冀偉 景旭華 黃 超 尚 煒 李 喆 | 發布時間: 2020-09-01 | 14744 次瀏覽 | 分享到:
本文在對SpaceX公司快速發展內外部因素系統分析的基礎上,對我國航天高質量發展提出了一些建議,希望有一定的借鑒意義...
       近年來,國外商業航天公司發展迅猛,尤以美國SpaceX公司為代表,其在短短的十幾年時間里,設計和生產了Falcon1火箭、Falcon9系列火箭、Falcon重型火箭以及“龍”飛船等宇航產品,并已開展星鏈的組網部署,引起了整個行業的高度關注。本文在對SpaceX公司快速發展內外部因素系統分析的基礎上,對我國航天高質量發展提出了一些建議,希望有一定的借鑒意義。
       進入21世紀以來,以美國為首的世界航天強國逐步調整自身的航天政策,強調擴大國際合作、增強空間安全及發展商業航天。2010年6月28日,美國總統奧巴馬頒布了新版《國家航天政策》,其中特別提到,“美國將遵循并建議其他國家也認可并遵循以下原則:具有競爭力的商業航天活動對于航天的可持續發展十分重要。美國政府將致力于鼓勵并推動美國商業航天的發展,滿足美國自身的需要,形成全球競爭力,加強美國在新興市場和創新驅動型企業中的領導地位”。
       在此背景下,互聯網項目PayPal的聯合創始人艾倫·馬斯克于2002年創立了SpaceX公司,一家以提供航天發射與運輸服務為主的私營宇航公司。在成立后的十幾年時間里,其設計和生產的Falcon1火箭、Falcon9系列火箭、Falcon重型火箭以及“龍”飛船等宇航產品相繼投入使用,并逐步躋身國際航天運輸市場的先進行列,引起了整個行業的關注。以Falcon9火箭為例,其標準發射費用為6200萬美元,相比美國聯合發射聯盟(ULA)的德爾塔4重型火箭4.35億美元的發射費用低很多(Falcon9火箭具備發射能力后,聯合發射聯盟迫于壓力將價格降至2.7億美元左右),其低成本的運營模式對世界范圍內的傳統宇航領域企業發射服務市場形成了一定程度的沖擊。
        SpaceX公司的主要產品
       Falcon9火箭。Falcon9火箭是一款中型、低成本、兩級構型全液體運載火箭,其主要執行近地軌道空間站貨運/載人、高軌通信商業衛星、太陽同步軌道偵察衛星等多種載荷發射任務。Falcon9火箭研制時間為4年半,研制費用約3億美元。自2010年首飛到2020年5月已完成85次發射,發射成功率達97%。
       Falcon重型火箭。Falcon重型火箭的芯級模塊和二級模塊與Falcon9火箭的一級、二級基本相同。每個通用芯級采用9臺Merlin發動機,二子級采用1臺大噴管的Merlin-1D真空型發動機。Falcon重型火箭的研制費用約為5億美元,發射費用為9000萬美元,其近地軌道運載能力可以達到63.8噸,GTO運載能達到26.7噸。
       星艦。從2016起,馬斯克宣布了其火星移民計劃及對應的運載器BFR(Big Falcon Rocket,后改名Starship星艦),其一、二級均可垂直著陸并可重復使用,計劃2022年發射登陸火星的貨運飛船,2024年發射登陸火星的載人飛船。該系統由助推級(火箭)部分和飛船部分構成,整個系統LEO運載能力達150噸左右。
       “龍”飛船。“龍”飛船是NASA為滿足航天飛機退役之后,定期向“國際空間站”運送貨物的需求,支持發展的商業貨運飛船,據估算單次任務費用約1.2億美元。“龍”飛船的最大特點是可重復使用,任務結束后在海面上回收,是目前唯一能夠實現回收的貨運飛船。“龍”飛船最大可上行載荷6000千克,下行載荷3000千克。
       “載人龍”飛船。“載人龍”飛船是SpaceX公司研制的新一代載人飛船,具有可重復使用、乘員運輸能力強、內部空間大、操作友好等特點,能夠執行低成本、業務化的載人航天飛行任務。目前,“載人龍”飛船單次任務報價約1.5億美元,平均每座不到2200萬美元。
       “星鏈”低軌通信星座。SpaceX公司的低軌互聯網星座項目最早于2015年提出,原計劃建設一個由近1.2萬顆衛星組成的衛星星座,致力于利用大規模低軌衛星提供全球高速寬帶接入服務。不過根據SpaceX公司最新提交給FCC的備案,其計劃額外再增加3萬顆衛星,最終總數將達到4.2萬顆。截至目前,衛星在軌數量已達422顆。
       SpaceX公司估值與任務情況
       2008年,SpaceX公司Falcon1火箭在第四次飛行成功后,NASA給予了其第一階段CRS合同(16億),這也是SpaceX公司前期得到的最大一筆外部資金,為其后續快速成長奠定了基礎。
       2012年,SpaceX公司“龍”飛船成功完成首次貨運任務,并獲得商業乘員研發合同,公司估值大幅增長至45億美元。
       2013年底,SpaceX公司Falcon9首次成功完成GTO軌道任務,2014年發布載人型“龍”飛船,并獲得NASA授予的商業乘員運輸能力合同,同期獲得10億美元融資,公司估值推升至120億美元。
       2015—2016年,SpaceX公司相繼獲得第一階段CRS補充合同和第二階段CRS合同,合同金額超過20億美元,公司估值增長至149億美元。
       2018年,SpaceX公司Falcon重型運載火箭成功首飛,2019年第二次發射成功,公司估值一年內從215億美元增至305億美元。
       SpaceX公司快速發展過程剖析
       政府搭臺,企業唱戲。20世紀80年代到90年代末,美國政府出臺了多個政策和法案支持發展商業航天。1984年美國政府頒布了《商業航天發射法案》,通過簡化保險政策和商業發射許可制度,以及鼓勵開放政府航天技術和設施,來促進美國私營部門參與商業航天發射活動,提供發射服務。1988年,美國政府更新了《國家航天政策》,將航天分為“軍事航天”“民用航天”和“商業航天”三部分,并將這種分類沿用至今。1990年實施了《發射服務購買法案》、1994年實施《商業遙感法案》、1998年實施《商業空間法》。在2006和2010年又分別更新《國家航天政策》,并在2013年發布新版《國家航天運輸政策》,這些政策中最實質性要求就是讓NASA將發展核心轉向科學研究和深空探測領域,將近地軌道業務交由商業公司競爭。
       公私合作,采購服務。NASA2005年開始執行的“商業軌道運輸服務”(COTS)計劃,是利用商業公司研制的近地軌道運輸系統為國際空間站提供貨物補給服務。該計劃在以往“政府主導,服務專用”的模式上進行了創新,采用了新型的“公私合作”方式。NASA為參與項目的商業公司提供部分固定規模的研制資金,并減少履約過程中的干預和監管,后期通過評估合同內的里程碑節點績效確定進一步資金投入計劃。如商業公司順利完成研制任務,NASA將采購其發射服務。最終的成果屬于商業公司,商業公司可以同時為政府和市場提供服務。
       鼓勵創新、寬容失敗。航天發展的定義是由失敗、風險、創新三者之間的關系決定的。2008年之前,Falcon1火箭連續失利了三次;2015年6月28日,Falcon9火箭執行CRS-7任務在空中解體爆炸。可重復使用技術,也經歷了8次“蚱蜢”試驗,和7次Falcon9的回收試驗,才實現陸上回收的成功。NASA并沒有因為Falcon9的失利而中止合同,SpaceX公司也沒有因為回收的失敗而中止逐夢的步伐。應該說,美國鼓勵創新、寬容失敗的創新氛圍,對SpaceX公司成長和發展起到了非常積極的作用。
       大力扶持、無償給予。SpaceX公司的主流運載火箭Falcon9火箭采用的“Merlin”發動機,其性能穩定,結構簡單,能夠實現大范圍的推力調節,發動機性能遙遙領先同類產品。其原型機就是美國“阿波羅”計劃的登月飛行器下降級發動機,NASA對SpaceX公司進行了技術轉讓,更重要的是,這種技術轉讓幾乎是無償的,同時允許該發動機總設計師入職SpaceX公司,這對SpaceX的快速成長起到了至關重要的作用。
       基礎扎實、設施開放。美國在20世紀60年代通過阿波羅計劃,航天發射能力已經達到了一個很高的水平,強大的基礎工業和完善的基礎設施為SpaceX公司的快速成長提供了有力保障。例如Falcon9火箭推進劑貯箱由2195鋁-鋰合金制成,它比傳統的鋁質推進劑貯箱質量更輕且剛度更強,在美國航天材料領域可以直接采購,很大程度上降低了火箭研制保障費用。Falcon重型火箭發射使用的肯尼迪航天中心的LC-39A工位,就是在土星5號和航天飛機的發射工位上簡單改造而成的,NASA以很低的價格租給SpaceX公司,為SpaceX公司節省了大量的研制和建設經費。
       SpaceX公司快速發展的內部因素
       設計變革、生產集約。SpaceX公司打破了以往發動機、電子設備、導航系統、地面支持設備等分系統由不同研制單位分別承擔的模式,采用了縱向整合的高度集成的設計模式,獨自承擔絕大部分火箭和飛船的設計、生產制造。一級火箭、助推器采用模塊化設計思路,均適用多個Merlin發動機并聯的構型,可較好實現火箭回收。火箭70%以上的設備由SpaceX公司自己制造,通過采購工業級元器件、貨架產品降低成本,并通過冗余設計和在線故障診斷等“軟實力”提高產品可靠性。例如Falcon1火箭用的不是價格高達百萬美元的航天計算機,而是價值5000美元的普通計算機。
       扁平結構、一體管理。傳統的宇航公司多是以大團隊協同工作的模式研制火箭,如波音公司在研制德爾塔IV型火箭時,以“總體-系統-單機”的團隊協作工作模式,團隊多、部門多、接口多。SpaceX公司則采用扁平化的管理架構,馬斯克是首席運營官兼首席技術官,1名總裁負責行政工作,9名副總裁分別負責相關技術或業務領域工作,下屬技術人員直接參與到產品的完成設計和制造中,公司內部沒有通常意義上的部門劃分,甚至沒有組織機構圖,各領域的員工平等地參與技術研討、設計和開發等工作。
       尊重規律、注重創新。SpaceX公司深知航天領域技術含量高和風險高的特點,在設計與制造過程中仍然嚴格遵循宇航型號產品研制中循序漸進的研制流程,在設計完成后通過充分的地面試驗考核驗證相應設計的正確性。從公開資料獲悉的情況來看,Falcon9火箭在研制過程中開展了發動機試車、動力系統試車、結構靜力試驗、貯箱低溫試驗、整流罩分離試驗等試驗驗證。同時,為了降低火箭發射服務成本,SpaceX公司一直致力于動力故障診斷及冗余技術等創新技術的研究,為最終實現一子級重復使用進行了大量技術研發和攻關工作,2016年4月8日首次成功實現了一子級模塊海上回收,2017年3月30日,其在發射SES-10衛星任務中首次使用前期執行CRS-8任務中回收后的一級箭體模塊,實現了技術上的創新和突破。
       啟 示
       SpaceX公司的成功,離不開政府的支持。NASA在SpaceX公司發展過程中扮演了重要角色,其秉承的政府企業合作理念、靈活的合同管理、適度競爭和基于績效的里程碑風險管理模式等,對于我國推動航天高質量發展,具有一定的借鑒意義。
       政企合作理念。商業軌道運輸服務項目是NASA與商業航天企業合作的成功案例。NASA主要負責監管和咨詢,而不是飛船和運載火箭的實際研發。同時,NASA為相關企業提供資金、技術支持、發射場使用、基礎設施租用等條件,支持企業開發自己的技術解決方案,滿足NASA以合理的價格采購人員和貨物運送需求。一旦新項目經驗證確實可行,NASA和其他客戶就可以直接以政府購買服務的形式采購商業發射服務。
       靈活的合同管理方式。為吸引更多企業參與航天項目,NASA采取了一種不同于傳統聯邦合同的特殊合同協議。其主要特點是政府與合作伙伴(企業)共同投資,協議兼顧政府利益和商業利益,屬于政府和社會資本合作(PPP)的一種典型模式。該模式一方面可以吸引社會資本,控制政府投資,另一方面也可以借助商業力量,促進技術與市場接軌,及時實現技術商業和產業化轉移。在后續的重返月球計劃中,NASA也繼續采取了這種模式。
       適度競爭。NASA在空間站服務項目的管理中始終堅持競爭的原則,而且是“雙流水”模式。在貨運服務項目中SpaceX公司和軌道科學公司競爭;在載人飛船項目中,是SpaceX公司和波音公司競爭。競爭能夠激發各類主體的創新活力和發展動力,同時“雙流水”的支持模式也能夠降低項目的系統性風險。
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