【观点分享】【滴水研究】商业航天产业研究（下篇）——产业链及发展趋势
导读
在上篇我们探讨了商业航天的起源与发展，在下篇主要就具体产业链及关键技术的发展进行讨论，商业航天产业链由上游的火箭研发、卫星研发延伸到中游的载荷发射服务、地面设备服务等，下游则借助卫星组网运营及获取的对地观测数据及资料应用于林业、农业、智慧城市等行业。从产业构成来看，航天产业涵盖了五大方向，主要包括运载火箭、人造卫星、载人航天、深空探测以及空间站。目前商业航天主要在卫星及火箭相关领域初步形成了较为完善的产业链，本篇也将就这两个领域进行展开。
四、商业航天相关产业链及发展趋势情况
卫星产业链：
对于商业航天所讨论的卫星通常指运行在低地球轨道（LEO）的卫星，轨道高度300-2000公里，相比过往的高轨卫星，其进行信息传输所产生的时延更短，链路损耗更低，同时发射轨道较低对于发射推力需求也更少，发射成本更低，更具有经济性，可以通过发射大量卫星组成低轨卫星星座，最终实现卫星互联网、通信、导航、遥感等应用。卫星产业链包括卫星制造、卫星发射、卫星运营服务和地面设备制造四个部分。其中，卫星制造和发射服务处于产业链上游，为卫星应用提供空间基础设施。地面设备制造和卫星运营服务则处于产业链中下游，面向系统支持与终端应用。由于目前，国内各星座仍处于基础设施建设组网阶段，因此卫星制造、发射在整个产业链的比重相对较大，目前大部分的一级市场投资也主要围绕卫星制造产业链展开，但从长期来看，商业航天产业链中价值量最高的环节会是在后续地面设备及卫星服务，参考北斗产业链发展的历程及现状，未来随着商业航天星座建设的完善及运营服务的开展，将带动更高价值的地面设备及卫星服务环节。
对于卫星制造又可分为平台和载荷，平台即构成卫星的基本平台系统，载荷即执行任务的系统，载荷根据实际需求搭配遥感、导航、通信等模块。基本平台系统主要由机械结构、推进系统、热控系统、电源系统、姿轨控系统等分系统组成。
常见卫星的构成 （图片来源：微信公众号 米风感知）
子系统：
机械结构占卫星总重7-10%，它是连接卫星与发射器，并且支撑卫星所携带的电子设备的基础构件，同时机械结构还需要对抗太空的高能辐射、微小陨石撞击，早期的小卫星机械结构件主要以金属为主，多为2000铝铜系列和7000铝锌系列为主，随着复合材料科技的进步及对卫星性能需求的提升，由碳纤维增强树脂材料面板和铝蜂窝芯子组成的蜂窝夹层结构板逐步成为主流的机械结构。
蜂窝状碳纤维夹层板 （图片来源：公众号 复合材料前沿）
推进系统是为卫星提供推力，进而改变卫星的运行速度，帮助卫星执行相关的机动操作。推进系统主要由推进剂贮箱、推力器、自锁阀、压力传感器、过滤器、气加注/排放阀、液加注/排放阀和管路连接件组成，如下图所示。根据使用的燃料不同，一般我们可以将推进系统分为 3 种类型：固体燃料推进、液体燃料推进、电和离子推进。固体燃料与液体燃料所需的化学推进剂质量较大，而且化学燃料的使用效率较低，从而限制了航天器入轨后的寿命和空间探索任务的机会。电推进技术由于其高比冲等性能将可以使航天器降低成本、提升性价比、延长工作寿命、减少对发射窗口的依赖和增加有效的科学载荷，效费比更高。对于无拖曳控制、编队飞行、精确姿态和轨道控制的空间科学试验，电推进也是重要的支撑技术。在可预见的未来，高可靠性的电推进系统将是高效空间推进技术的发展方向。
卫星单组元推进系统结构 （图片来源：公众号“银河航天漫游指南”）
热控系统，卫星上不同的设备可能具有不同的正常工作温度范围，比如卫星上使用的电池通常要求在 0 ℃～40 ℃ 的温度范围内工作，功率放大器的能量耗散组件具有 -10 ℃～ + 80 ℃ 的操作温度限制。但由于太阳周期性地被地球遮挡，所以卫星要经历大幅度的温度变化，热控系统可确保卫星上的每个子系统在不超出其安全工作温度范围内工作，对于热控系统的设计，取决于每个卫星的要求，即轨道类型、高度、电气系统和材料选择，每颗卫星设计的热控实施不同。大多数航天器都采用被动为主、主动为辅的热控模式，被动热控制系统被定义为不需要从电气系统输入功率的系统。无源系统通常成本低、风险小、重量轻、体积小、可靠性高，常见的隔热形式是多层隔热毯（MLI），热管也是系统内被动传热的有效解决方案，但随着卫星功能的进一步强大，未来主动式的热管理系统将成为重要发展方向，根据相关研报数据，平台结构和热控分系统+载荷热控成本约占整星的10%-15%。
微小卫星热控系统组成部件 （图片来源：卫星公众号 米风感知）
电源系统，电源系统也被称为卫星的“心脏”，可以为卫星运行提供源源不断的动力，电源系统由电源控制器、锂电池组、太阳电池板和展开机构等组成，负责为卫星运行提供动力。空间发电装置通过将太阳能、电能、热能、化学能、核能等能源转换为电能，常见的空间发电技术包括太阳能电池、化学电池、核电源等。当前大部分太阳能电池阵列都采用转换效率高、抗辐照性能好的三结砷化镓电池，其原材料主要为锗、银、金等贵金属。之前，低轨小卫星大多采用镍镉电池，而具有更高的比能量参数和更长的预期寿命的镍氢电池正在慢慢地替代它们。
空间太阳能电池（图片来源：互联网）
姿轨控系统，姿轨控系统主要负责卫星轨道路径控制及提供卫星姿态控制。卫星姿态控制是通过反作用飞轮、磁力矩器及其他组件实现卫星姿态稳定，姿态机动，维持和建立轨道控制所需的姿态。其中反作用飞轮是主要姿态控制执行机构，是确保卫星在轨寿命和任务效能的核心关键部件。
载荷：
星的载荷主要是用于承载具体的任务，根据不同的卫星种类配备不同的有效载荷，对于通信有效载荷主要是通信天线以及作为接收机、放大器和发射机的转发器。遥感有效载荷主要有高分辨率相机、多光谱扫描仪和专题制图仪等，导航有效载荷主要有星载原子钟、导航数据存储器及数据注入接收机等，除此之外还可以配置包括望远镜、光谱仪、等离子体探测器、磁强计等，下面主要介绍通信有效载荷和遥感载荷。
通信作为发展卫星互联网核心目的，卫星通信及地面通信信关站在卫星互联网及商业航天显得尤为重要，通信载荷在卫星制造中价值占比50%-70%，卫星互联网链路结构可以分为用户链路、馈电链路和星间链路，其中前两者必备，而星间链路的建设可降低地面段的复杂度和投资成本。通信卫星的有效载荷主要包括天线分系统、转发器分系统、其它金属/非金属材料、电子元器件等。其中，传统的卫星通信载荷主要包括相控阵天线和转发器，星载转发器，负责完成信号的中继转发。传统的转发器又叫做透明转发器或者弯管式转发器，后来又出现了再生转发技术。透明转发器在转发过程中不解析信号，始终在射频层面处理信号，仅完成对信号的放大和将上行频率变换为下行频率。
透明转发器 （图片来源：南京理工大学《通信系统》）
据中信证券，我国互联网卫星将主要采用3GPP NTN的再生转发模式发展。与透明转发相比，再生转发在接收到信号后，增加了解调和再调制环节。收到的信号由射频解析为基带信号，经处理后（比如基带交换），然后再次变为射频发射出去。再生转发技术对上行链路信号的抗干扰能力强，解调后输出的基带数据便于交换和路由、重新复接和FEC译码。再生转发器主要由微波接收机、功率放大器、星上处理器等组成，代表公司有亚太卫星、中国卫通。
再生转发器的一种结构 （图片来源：南京理工大学《通信系统》）
互联网卫星通信载荷在传统基础上增加了星间链路，其通信载荷可以看作是一种星载移动通信微基站，在网状组网方式架构下，通过架设星间链路，用户无需经过地面网络系统，可直接接入卫星互联网络，从而降低对地面网络的依赖，实现空中网络节点的连接和组网，马斯克已经在部分卫星上部署了激光通信链路，虽然相比微波方案在成本上高出不少，但激光星间链路具有速率高、频段不受限制、电磁干扰免疫、截获难通信安全程度高的优势。
除了主要作为通信应用的卫星外，遥感也是常见的卫星载荷，与通信互联网星座相同，基于观测目的同样也有遥感星座，在卫星出现之前，遥感图像是通过各种创造性的方式获得的，20世纪，鸽子曾一度搭载着相机，遨游在欧洲大陆的上空，而随着卫星平台、卫星载荷和卫星组装技术的发展成熟，遥感技术在基础测绘、农业、林业等领域已经得到了充分的应用，据相关数据显示，2023年我国发射了105颗遥感卫星，卫星遥感已经成为航天大国的核心空间基础设施，也成为新兴国家、创业公司进入航天的首选领域，遥感星座相比通信星座在体量规模上相对更小，更容易落地，遥感载荷可以再细分为光学类成像载荷和SAR成像载荷。光学类成像载荷可以分为全色+多光谱载荷、多光谱载荷、高光谱载荷、红外载荷等不同类型。光学类成像载荷按照工作模式有线阵和面阵等不同类型。对于遥感载荷，观测是核心目的，因此空间分辨率是衡量卫星性能的重要指标。从空间分辨率上看，近10年我国卫星技术有了突飞猛进的发展，分辨率由原来的20米达到了现在的0.5米，在国际上处于先进水平。
遥感卫星图 （图片来源：互联网）
火箭产业链：
火箭产业链位于整个商业航天产业链上游，火箭产业链中主要有零组件配套商以及固体火箭的燃料生产商。火箭是将卫星送入预定轨道的航天运输工具，而在航天产业中特别是卫星发射领域所谈到的火箭多为运载火箭。根据运载火箭发动机和推进剂来分，运载火箭可分为固体火箭、液体火箭和固液混合型火箭。根据运载火箭级数来分，运载火箭可以分为单级火箭、多级火箭。
运载火箭主要由舰体结构、动力推进系统、飞行控制系统、飞行测量及安全系统和附加系统构成，除此之外一般还包括与任务有关的有效载荷。
长征五号结构图 （图片来源：互联网）
运载火箭的舰体结构本质上是指火箭外壳、内部结构件等用于支撑火箭飞行的硬件部分，包括，整流罩、推进剂储箱（液体火箭）、仪器舱、助推器、级间段、发动机结构件、仪器支架、导管、阀门以及尾舱和尾翼等。在运载火箭的成本结构中，舰体结构的成本仅次于发动机。
运载火箭的动力推进系统，即火箭发动机，构成了运载火箭的关键组成部分，该技术领域极为复杂，其性能直接决定了火箭的运载能力和飞行效率。火箭发动机的成本相对较高，占据了火箭总成本的一半，可分为固体火箭发动机和液体火箭发动机两大类。固体火箭发动机以其结构的简洁性、高可靠性、便于储存与运输等特点而著称，但其推力相对较小，且难以实现重复使用，一旦固体推进剂被点燃，其燃烧过程难以中断，因此难以实现多次启动。相比之下，液体火箭发动机具有比冲高、推力大、可调节等优势，但其结构较为复杂，对推进剂的储存和运输有着较高的要求，液体推进剂通常在发射场进行加注，因此准备时间较长，且不宜长期储存，然而，通过控制阀门的开关和相关动作，液体火箭发动机能够实现多次启动和推力调节。火箭的推进系统还包括燃料与氧化剂的存储系统以及喷管等关键部件。火箭发动机通过燃烧燃料和氧化剂产生高速喷气，从而借助反作用力推动火箭前进。推进系统不仅负责将运载火箭穿越大气层送入预定轨道，还使其能够在太空的真空环境中进行必要的机动。推进系统占据了火箭的大部分质量和内部空间。
控制和测量系统，负责执行飞行控制、测量、数据采集与传输、测试发射以及电源管理等关键功能，以确保火箭在发射、飞行和任务执行过程中的精确导航和稳定运行，一般由传感器、机载计算机、雷达和其他导航设备组成，通过集成先进的传感器、通信设备和控制算法，实现对火箭状态的实时监测和地面指令的执行，在引导其运动和确定其行进方向方面发挥着至关重要的作用，它负责在发射过程中保持火箭直立，控制其在大气层中的轨迹，并确定其在太空中的运动。其中，飞行控制系统这一部分负责火箭在飞行过程中的导航解算、制导控制、姿态控制、飞行时序控制以及执行机构的精确控制，此外还包括推进剂剩余混合比的调节和贮箱压力的闭环控制，确保火箭在飞行过程中能够按照预定轨迹和姿态稳定飞行；测量功能涉及全箭传感器参数和总线参数的采集、编帧处理，以及飞行过程中的外弹道测量。它还包括安控指令的接收和执行，确保火箭在遇到紧急情况时能够安全自毁。同时，测量功能还负责遥测数据的下传和遥控指令的接收，以及卫星导航数据的接收，为火箭提供精确的定位和导航信息。
当前提运力、降低发射成本为业内共识，我国火箭的运载能力对比SpaceX有所不足，长征五号火箭近地轨道运力为25吨，而重型猎鹰火箭运力达到63.8吨；SpaceX 的猎鹰 9 号重型火箭的低轨运载成本约为每千克 1.1万元左右，猎鹰 9 号低轨运载成本约为每千克 1.9万元左右，而中国的长征系列火箭的发射成本则在每千克 4 万元到 9 万元之间浮动，除此之外，国内的商业航天如星河动力、天兵、蓝箭低轨火箭每公斤价格在5 万元到 7万元之间浮动，降低单位发生成本是提高国际间竞争力的当务之急。降成本的核心是提升火箭回收与重复技术。一般来讲，当运载火箭搭载着有效载荷，将其送入预定轨道的过程中，运载火箭各级会逐步分离，大部分结构会报废，这种一次性的使用方式，是航天发射成本高昂的重要原因之一，而火箭回收与重复使用将会降低发射成本。
SpaceX火箭情况 （图片来源：SpaceX官网、国海证券研报）
五、总结与展望
从2015年商业航天元年开始，经过多年的发展及政策支持，我国商业航天也进入蓬勃发展阶段，商业航天活动日益活跃，商业发射次数高速增长，市场规模保持高速增长，参与企业不断丰富，涌现出了一批具有一定实力的商业航天企业，涵盖运载火箭、卫星研制、卫星运营及应用服务等多个领域，但与国际先进商业航天水平相比，在一些关键技术如大推力可重复使用火箭技术、先进卫星载荷技术等方面仍存在差距，需要持续加大研发投入以突破技术瓶颈，提高关键技术、零部件的稳定性和可靠性，除此以外商业航天前期研发投入巨大、回报周长产业链集中的问题，多数企业仍处于亏损状态，尚未形成可持续的盈利模式，这都将对企业长期发展构成挑战。展望后市，我国商业航天也即将进入到新的阶段，随着垣信、星网等星座建设加快，发星常态化，预计2025年中国商业航天会进一步提速，民营企业也将从“生力军”向“主力军”转换，为航天市场带来新的增长点，随着星座等基础设施的建设完善，商业航天业有望迎来真正的应用扩散，带来新的商业模式和产业链的进一步完善，让我们一起见证。
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参考材料：
【Pitch Book】EMERGING SPACE BRIEF：Commercial Space Launch
GOLD RUSH:The 2024 Commercial Remote Sensing Global Rankings
【深企投产业研究院】追星登月，中美天穹争霸，我国商业航天迎来奇点时刻
【东吴证券】电子行业深度报告：卫星通信高速发展，Starlink产业链保持领先
【民生证券】商业航天行业专题报告：千帆星座组网加速部署，出海需求逐步涌现
【瞭原市场调研】研究报告：中国商业航天市场全景图谱
《阅读历史，人类历史上的第一颗人造卫星：斯普特尼克一号》（https://baijiahao.baidu.com/s?id=1773756577884583683&wfr=spider&for=pc）
《从“千帆星座”出海，再论我国卫星互联网弯道超车方案》https://mp.weixin.qq.com/s/1LaKKGlccHKiZVdG_ITE9A
【行业研究】商业航天行业简介（公众号：投资安庆）
常投格物·产研说（第36期）| 航空航天系列（二）——商业航天发展现状与挑战（公众号：常州人才科创集团）
