睡前消息449期文稿:高流说航天(一)被马斯克甩开 想跟上就难了

大家好,2022年6月24日星期五,欢迎收看第449期睡前消息,请静静介绍话题。

第435期节目,我们提到美国波音的SLS火箭的历史地位类似于20世纪初期的无畏战列舰,虽然功能不弱,但技术上只是对现有成熟资源的整合,经济上很难产生足够回报,其他国家、特别是中国,可以在现有体制下,加大投入来追赶甚至超越。

同时,我们还说SpaceX的航天部门是划时代的产业奇迹,尤其是即将投入使用的“星舰”火箭,技术上有独家突破,经济上回报潜力大,可以滚动发展,更类似于正在开发2纳米制程的台积电。一旦中国被拉开差距,可能会限制大多数经济部门的发展。

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这个说法很多观众并不同意。一些观众认为航天是附属于普通产业的科研部门,经济上缺乏直接效益,只需要有限投入、保持技术跟踪就可以。让美国公司暂时领先也不会产生严重后果。

督工你能具体解释一下对当前航天产业的判断吗?

这个问题全程都是高流同学在跟进。虽然他这几天困在家里出不来,但我还是让他远程解释一下。

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过去20多年,世界经济的发动机是IT产业。中国、美国、韩国掌握了IT产业的核心节点,所以经济持续增长,而在IT产业中相对边缘化的日本、欧洲,虽然还有发达的工业,但经济地位明显下降。

现在IT革命的溢出效果开始放缓,新一代航天技术开始拉动其他产业,有成为经济发动机的潜力。中国可以暂时承认差距,不追求短期内赶超美国,但必须积极开发实用技术,培养自己的航天产业链。否则一旦落后,就可能像日本和欧洲那样,被隔离在新工业革命之外,彻底离开经济增长快车道。从最近的战争来看,新型航天技术不仅影响民用经济,还会影响军事领域。日本欧洲依赖美国的军事保护,可以不在乎,中国必须认真对待。

以往的产业革命,最重要的指标,就是核心设备的动力和工作精度。

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第一次工业革命使用煤炭动力与毫米级加工精度,代表性设备是蒸汽火车。

第二次工业革命使用燃油动力、电力与微米级加工精度,代表性设备是喷气式飞机。

第三次工业革命使用新能源与纳米级加工精度,代表成果是风、光、核电设备与芯片。

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现在SpaceX展示了前所未有的航天运力,提供了前所未有的轨道数据传输量,极有可能通过廉价重型火箭,加速以智能化物联网为代表的第四次工业革命,至少也是三代半工业革命。

有很多人不看好太空工业革命,最主要的理由是宇宙空间太远,去宇宙空间太贵,抵消了轨道设备的优势。但马斯克发射的几千颗星链卫星,距离地面只有几百公里,比大多数乡镇去附近的二线城市还要近。而且乡镇去大城市要绕过很多障碍物,卫星和地面之间可以直线传播数据。

几十年前的中国人很少坐飞机,最大的障碍不是机场的距离而是票价。现在大多数年轻人都要频繁坐火车去大城市,但不会直接购买空间技术服务,原因也是价格。最近几年,马斯克制造了廉价卫星,用廉价的交通工具把卫星送上天,空间技术必然会快速渗入日常生活。

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传统的一次性火箭向近地轨道发射,每公斤载荷的运输成本超过1万美元,最便宜的长征3号乙与安加拉火箭,每公斤也要五千多美元。而且即使预算够花,总的运力也很有限。在马斯克之前,人类最强的航天发射周期出现在80年代。最高发射记录是苏联在1982年创下的,一年发射了106次,其中97次完全成功,2次部分成功。苏联的发射工具主要是联盟U、宇宙3M这些小运力火箭,总共发射了400吨物资进入宇宙空间,就算发挥这99次的极限运载能力,也就490吨。

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现在SpaceX的廉价可回收火箭只开发了第一个稳定型号,猎鹰9刚刚能重复使用十几次,就把每公斤发射成本降到了2700美元。2021年猎鹰9发射了32次,成功率100%,近地轨道的极限投送能力达到730吨,比苏联极限投送能力高出一半。

而且冷战时期的火箭属于半手工的精密设备,马斯克的火箭都是能大量生产的廉价产品,技术稳定,可以高频率发射,本周刚刚实现了36小时发射三次,稍微加班就能每年发射1000吨物资上去。冷战时期的航天极限动员能力,已经被21世纪的私人公司完全碾压了。

现在世界各国的领空概念,主要用来约束大气层内的飞行器。大气层的边界有很多说法,但既然领空只在乎飞行器,所以各国只关心能产生升力或者浮力的那部分大气层。美国科学家冯·卡门计算确定,在85到100公里左右的高空,大气密度只有地表的二百万分之一,无论用什么发动机,无论用多大的机翼,也不可能再利用大气层托起飞行器。所以航空界把海拔100公里处的大气边界称为卡门线。紧靠卡门线的低轨道一方面利用不了升力,另一方面还要考虑极外层稀薄大气的阻力,所有的飞行器都只能临时占用,所以过去的惯例就把卡门线确定为领空边界。

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1966年,联合国通过《外层空间条约》,规定外太空属于全人类共有资源,可以自由开发,只有地球同步轨道这种稀缺资源才需要国际协商分配。紧靠卡门线的低轨道利用率低,所以实行先占先得规则。现在SpaceX公司有了每年上千吨的发射能力,可以承受不断在近地轨道更换卫星的代价,实际上是在各国领空边界外布置了永久的飞行器编队。如果我们不尽快在技术和发展方向上超越冷战水平,就会眼睁睁看着掌握廉价航天能力的组织垄断这份资源。

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而且SpaceX公司的技术还在持续发展,用猎鹰9超越冷战水平,只是马斯克航天计划的第一步。几个星期内,SpaceX星舰即将正式测试,如果能成功,就要完全颠覆航天产业的基本逻辑了。

星舰火箭的每公斤发射成本可以压到200美元以下,只有传统发射成本的几十分之一,预计会像铁路取代马车带动沿途商业一样,激发全世界的航天发射需求。星舰的近地轨道极限投送能力预计达到200吨,按照SpaceX现在的发射密度,每年送到近地轨道的物资能接近一万吨,可以近似算成70亿地球人每人一克还有余,十万人的城市每年就能给自己发射一颗100公斤的专用卫星。

廉价而普及的卫星,首先会改变人类的信息传播方式。

卫星在大气层外的高空,和地面设备之间没有障碍物,所以覆盖范围大;卫星周围都是真空环境,所以卫星相互交换数据不受大气干扰。自从人类拥有航天发射能力,各国最主要的应用就是通信卫星。

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过去发射一颗卫星不容易,必须用上很久才能回收成本,所以要抬高卫星轨道,让卫星远离散逸的大气分子,减少运行阻力,尽量延长使用寿命。最好是能把卫星放到同步轨道上,相对地面静止,可以连续发射信号。所以当时的卫星距离地面用户往往有几千甚至上万公里。

为了保证远距离传递信息的可靠性,当时的通信频率比较低,降低了信息传输效率。过去几十年轨道数据总量的增长,主要是靠提高集成电路加工精度,提高单颗卫星的数据通量,几乎占满了C频段与Ku频段资源。

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现在摩尔定律逐渐走到尽头了,集成电路能力提高有限,要进一步发展轨道通信,只能开发低轨道卫星。但低轨道卫星要承受极外层散逸大气的阻力,隔几年就会坠落,如果各国靠现在的航天发射能力去补充,最多只能搞总量几十、上百颗的中小型通信星座,比一个大国的作战军舰还要少,不可能直接对接普通用户。

马斯克的第一代星链卫星,就能用流水线制造,单个成本只有50万美元,年产量4000颗,和中国拥有的民航客机数量差不多,直接把通信卫星变成了大众产品。今后几年,随着星舰火箭和星链二代卫星投入使用,通信卫星数量和质量还会进一步上升。

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廉价卫星的技术并不复杂,中国如果想仿造,完全可以更便宜,毕竟马斯克自己都到中国开工厂造电动车。但我们现在的发射能力不够,所以卫星也一直没有进入大规模生产阶段,制造环节保留了大量人工操作,实现不了模块化与通用化。目前国内对标星链的工厂,规划产能只有每年300到500颗,实际上基本不可能全速生产。

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产量上不去,价格就下不来,生产一颗第一代星链水平的卫星要3000多万人民币,成本和马斯克相差近十倍。如果跟不上航天运力革命,以后我们制造和发射航天器的效率,会和美国产生几十倍的差距。

现在SpaceX的火箭已经可以重复利用十几次,前几年嘲笑可回收火箭技术路线的人基本不说话了,全世界已经基本上公认马斯克拥有最廉价的发射能力。

但同时很多人指出,马斯克创造的火箭发射能力,明显超出了现有的全世界卫星市场规模。所以马斯克只能用星链卫星填满剩下的火箭空间,是创造需求来缓解过剩。而星链本身不赚钱,用户少,付费不足,是一个必然亏损项目,恰好证明了当前没必要大力发展航天工业,高流你怎么看?

星链目前有40多万用户,每台终端599美元,月租110美元,这么算下来一年服务费才5亿多,算上终端也不到7亿。而星链全部建设费用要差不多300亿美元,回款要半个世纪。考虑到卫星设计寿命只有5年,每年都要更新几十亿美元的卫星才能维持运行,看上去星链确实是个赔本生意。

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但现在算出来亏损,是用刚刚启动的营业收入减去全部航天发射费用。初期建设花不了那么多钱,随着时间推移,营业收入会上升,而发射费用还能明显下降。

星链现在的40多万用户看着不多,但涨势很猛,有一大半用户是今年上半年新开发的。只算发达国家,星链潜在用户起码就有几百万,可以贡献每年50亿美元左右的现金流,基本覆盖星链的更新成本。而星链下一步的目标是进军第三世界,开发下沉市场。

现在世界上还有70%的陆地没有被互联网覆盖,30亿人用不上互联网。如果用地面骨干网去覆盖这些地区,就算居民能支付成本,也要几十年才能全面建成基础设施。星链服务全面铺开之后,很多第三世界国家立刻就可以全国上网,这很可能会导致穷国放弃地面网规划,完全依赖星链。

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对于这些落后地区来说,不用每户都有星链终端。每个村子安装一台,就能明显提高信息化水平,让居民融入世界分工。本来这个潜在市场是华为、中兴这些企业的,现在星链抢先进去培养用户习惯了。

星链到现在发射了不到50次,组网2600多颗。重复使用的猎鹰9火箭,单次发射成本已经降到1500万美元,算上卫星费用,接下来再发射5000颗,花40亿美元,就能用7500颗卫星全球组网,支撑500万个终端。就算每年要再发射30次补网,维持费用也就12亿美元。500万个终端每年交66亿年费,回本周期可以压缩到按月计算。所以马斯克一点都不担心亏损,他当前的技术能力已经可以做到盈亏平衡了。

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如果星舰测试成功,以后单次发射能送300多颗一代星链卫星上天,而成本只有1000多万美元,等于每颗卫星的发射成本3万美元,几乎可以忽略。到这一步,马斯克想要几万颗星链,没有任何压力。所以说现在的SpaceX只是对各国航天机构制造威胁,而星舰技术成熟之后,世界上其他航天机构的主要任务就是自娱自乐了。星链公司到现在还没上市,完全靠私募资金运行,一个原因就是马斯克相信将来可以通过更好的财务数据,搞到更多的钱。

中国现在已经建设了发达的地面通信骨干网,明显压低了接通地面网络的成本。而且因为是国企负责建设,最偏远的乡镇也能享受电信和网络服务。中国还有必要再发展类似于星链的低轨卫星系统吗?

最近几年,国内大力推动5G产业化,但地面基站往往只能覆盖几百米,尤其是国内运营商往往要利用现有基站,把5G天线安在4G的下面,覆盖半径进一步缩减到三百多米。如果指望地面基站去覆盖城市区,全国至少要修600万个5G基站,每年电费就要2400亿,而三大运营商一年利润才1500多亿。

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所以5G商业化普及在技术上缺乏可行性,对普通人来说也没有比4G更强,只能在一些重点工业环境发挥作用。5G下一步发展,最理想的选择就是用低轨5G星座组网。用可回收火箭和类似于星链的通信卫星覆盖地面。

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中国电信企业的发展目标不仅仅是国内市场,还有国际市场。开发国际市场就要考虑跨国、跨大洲的信息干线建设。现在星链正在通过卫星彼此联系搭建全球信息传输体系,相对地面网络的优势不仅仅是节省了光缆和基站,很可能干线传输效率也全面压倒地面网络。

传统的卫星轨道高,彼此间距大,所以通信使用无线电信号,用低频率换可靠性。而星链的轨道低,彼此间距小,可以使用激光通信。对于远距离通信来说,频率越高,信息传输效率越高,激光通信就意味着高密度信息流。

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目前地球上98%的国际互联网通信靠海底光缆,海底光缆也是用激光传输信号。但是光缆毕竟是固体,传输衰减很大,不到100公里就要做一次信号中继。而且海底光缆结构复杂,每公里要花几万美元,全世界500多条国际海底光缆占用600亿美元的固定投资,经常被渔船或者其他海底施工破坏,和星链系统比,无论是建设还是维护,都没有成本优势。

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对于激光来说,太空环境的信号衰减很小,星间激光链路可以用小功率实现宽频谱通信,传输速率接近每秒100Gb。这虽然还比不上单条光缆的容量,但是星链可以用几百颗小卫星替代一条海底光缆,成本更低,信息流更灵活。平时信息流基本沿着地球表面的大圆方向前进,节约距离。万一某个卫星出问题了,网状信息流随时可以分散到周围的卫星,对整个互联网没有任何影响。所以只要有随时补廉价卫星的能力,星链系统早晚要取代现在的地面光缆体系。

另外,太空中的光速,高于光纤的光速;星链接力构成的大圆折线,长度小于地表绕路的光缆,所以要追求极限速度的话,星链可以提供更低的信号延迟,对高频金融交易有决定性影响。依靠更低的延迟和更可靠的抗干扰能力,星链早晚会拿到大多数金融机构的高利润订单。

地面网络靠线路传输只能点对点,会有大量通信盲区,而低轨星座能实现全地形通信。过去一直有人说星链终端只能固定在某个地点,没法服务运动目标,在车上和飞机上都不太好用。但目前达美航空正在测试机载星链终端,精品航空(JSX)公司已经和星链公司签约,给乘客提供上网服务。此前美国军方也在C-130运输机与KC-135加油机上测试了星链通信。

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能高质量服务运动目标,就有军事应用潜力。基层单位信息化是打现代战争的前提。和前线有深入信息交互能力的火炮,胜过十倍的传统炮兵。几个月之前,马斯克给乌克兰送去了1万多台星链终端,让乌克兰的炮兵能分散打游击战,单次作战压缩到半小时以内,在俄国飞机到来之前,给俄国重装部队制造严重损失。俄军也尝试过对星链做电磁干扰与黑客攻击,但是星链公司总是很快就完成远程升级,抵消俄国的干扰。这说明星链系统的安全性值得信任,至少能抵抗一个常任理事国的信息入侵。

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现在的乌克兰军队,大多数武器还是苏联留下来的,核心火力输出靠传统炮兵,所以宏观上星链只能提供一定的威力加成,还做不到完全颠覆战场规则。将来如果是大国之间直接对抗,应用低轨星座控制无人机和地面单位,拥有更多上下行带宽的一方,就能在战场上集中更高密度的无人装备,用蜂群战术形成压倒性优势。中国未来的国防,也需要考虑星链的影响,更需要建设自己的低轨道高密度星座。

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前面只分析了星链的通信能力,但是目前的星链通信模块只使用了卫星不到一半的功率。星链卫星的综合利用潜力还很大。星链叠加信号拦截天线,就是电子侦察星座;星链叠加红外相机模块,就是近地红外预警星座,可以用几亿美元的成本严密监视全球导弹发射;星链叠加合成孔径雷达,就能实现对地面状态的全程监视。

哪怕星链卫星只是加一个星钟,像吉利汽车开发的小卫星一样,做低轨导航增强,也能够支撑全地形自动驾驶,提高特斯拉汽车的竞争力。这些军民技术叠加起来,就是美军下一代太空体系架构的升级版。马斯克的野心,绝对不只是给全世界提供通信服务。

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现在星舰火箭技术马上就要成熟了,未来的太空发射成本,可能会降低到每公斤200美元左右,每吨20万美元,和地面上很多高价值装备的制造成本差不多。以后人类送到地球轨道上的东西,并不一定是搜索和转发信息的卫星,还可能是利用太空环境做实体产业的新型工厂。

冷战期间,美苏都设想过用桁架结构拼装轨道车间,只是过去发射成本高,派人上去安装的风险也大,所以只能在科幻电影看到太空工厂。现在可回收火箭降低了送配件上天的成本,星链提供了低时延通信网,地面上就能操纵空间机器人建造轨道工厂。这样的工厂,最直接的功能是回收拆解其他轨道上的废弃卫星,用很低的成本重新投放到指定轨道。比如美军“凤凰计划”,就准备在太空靠组装方式建设大型卫星,维修甚至拆解其它卫星,目前已经开展了一些初步试验。

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在太空造卫星还只是地面传统产业的延伸。太空工厂最大的潜力,是利用失重环境,制造地面上无法生产的无瑕疵产品。比如说,在地球上生产高精度的标准球形历来是工业难题,而在太空中,液体金属靠表面张力,就能自然凝结成毫无瑕疵的球形,明显降低精密机械轴承的阻力。其他金属零件制造,如果能排除重力影响,也可以达到地球上无法接近的精度,减少零件内部的有害应力,还能生产良率更高、理论上无限大的单晶制品。中国之前租用欧洲设备,已经多次验证了微重力下金属加工的优点,只是缺乏马斯克的廉价发射能力,所以一直停留在实验阶段。

另外,最近几年对普通人影响最大的技术进步来自生物制药领域,这也是一个急需失重环境的行业。地面上的实验室受到重力影响,培养细胞的时候,重力会把细胞集中到容器一侧,挤在一起,中间的细胞吸收不到养分,代谢废物也会堆积在一起,细胞很容易就会死掉,所以小规模培养也要不断搅拌,这又给培养细胞增加了额外的复杂条件。到了失重环境,细胞始终悬浮在培养介质中,可以在单个容器内做稳定的规模化生产。

又比如说,现在分离细胞、做药物提纯,一般是用层析法,俗称“过柱子”。还有一种思路是靠电场分离,也就是电泳法。但是电泳有加热效果,在重力环境下会制造热对流,同时还受到重力沉淀影响,所以往往只能用微管去电泳,影响生物工厂的效率。

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之前空间站与航天飞机上的实验结果证明,在太空用电泳法从肾细胞中分离尿激酶,效率比地面工艺高6到10倍;从血浆分离血浆蛋白,效率是地面的700倍。同样规模的制药生产线,轨道车间产量是地面的几十倍。现在制药行业高利润产品的有效成分,都是按克甚至按毫克计算的,只要发射成本足够低,制药企业就愿意租用马斯克的火箭,自己造一个空间站工厂。

在研发方面,开发新药,首先要理解构成人体和药物的蛋白质分子结构,这需要让蛋白质结成完美晶体。而在地面环境下,蛋白质结晶总是有瑕疵的,只有空间站能提供稳定的廉价无重力环境。最近几年,美国、日本频繁在空间站做蛋白质结晶实验,等到马斯克的廉价发射能力跟上来,生物公司肯定不会放过。

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太空生产的这些优点,都是基于基本物理规律就能看到的好处,所以自从第一颗人造卫星上天,各个工业部门就开始设想轨道工厂。只要有人能提供廉价发射服务,所有工业部门都会一拥而上,给太空计划提供无穷无尽的投资。马斯克高频率发射星链,已经让很多企业蠢蠢欲动,如果星舰火箭能连续成功实验几次,很快我们就会发现头顶上都是轨道生产车间。

我还是要重新提到一个数字,现在的空间站高度只有400公里左右,而火箭发射入轨只需要不到十分钟,比外卖还快。轨道空间是一个距离我们非常近的地方,往往要比附近的中心城市还近。如果让美国独家垄断廉价发射能力,这些肉眼可见轨道工厂就是身边的竞争者,用更低的成本占领几乎所有高科技产业。中国作为世界第一工业大国,必须对廉价航天产业的发展前景有足够警觉。

依靠SpaceX和其他几个商业航天公司,现在美国的可回收火箭技术远远领先世界。你希望中国也发展类似的廉价航天技术,中国是不是应该学习美国,全力发展市场化航天产业?

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市场化航天的成功只是结果,是具体航天项目的落实单位。我们的确希望中国也出现本土化的SpaceX公司,但首先要建设一个中国版的NASA,甚至是加强版的NASA。

因为苏联解体和美国SpaceX公司的成功,很多人对各国航天产业的发展模式有错误的理解,往往会把苏联模式看做政府主导模式的代表,把马斯克和美国看做市场化航天的代表。实际上,美国航空航天局NASA是政府单位,更是全世界独一无二的强势航天管理机构。苏联和其他国家的航天机构,都应该向NASA学习航天管理经验,对整个产业进行更严密,更深入的控制,才可能培养出中国的SpaceX,发挥中国现有工业体系的优势。

这方面内容,我下次分析航天话题的时候再深入介绍。

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