安信军工:商业航天产业研究专题
■发射服务的整个链条涉及单位及环节众多,是一个复杂的系统工程。整个发射服务链条包括上游火箭零部件制造商提供动力系统、控制系统、火箭箭体等部件给中游的火箭公司(大部分火箭公司会自研动力系统等核心系统),火箭公司为卫星制造商提供发射服务,最终实现在轨交付给卫星运营商。发射环节还涉及到使用发射场资源,火箭及卫星需要购买发射保险等。
运载能力是火箭的核心指标,固体燃料火箭和液体燃料火箭各有优缺点,液氧甲烷发动机是商业火箭发展趋势:固体燃料火箭可以长期储存,快速响应,发射地点灵活,在军用领域、自然灾害等紧急情况下使用意义重大,特别适用于在军事冲突满足军事现代化对快速响应和小卫星发射的要求。液氧甲烷火箭发动机对比偏二甲肼等常规推进剂燃料,无毒、环境友好;对比液氧煤油发动机,液氧甲烷比冲更高、不易结焦,使得发动机复用变得更加现实;虽然液氧液氢比冲最高,但氢燃料相对价格贵,液氧甲烷密度是其6倍、成本只有不到液氢1/30。商业航天需要在成本和性能之间获取平衡,液氧甲烷发动机将是商业趋势。此外,在液氧煤油和液氧液氢方向,国家已经申报大量专利,涉及材料、工艺及产品,民营企业将面临专利壁垒。
■俄罗斯、日本、欧洲等应对美国SpaceX商业火箭挑战,纷纷启动液体商业火箭型号的研制任务,并普遍把火箭首飞时间瞄准为2020~2021年。国内商业火箭公司也迅速崛起,逐渐形成不同阵营和梯队。两大阵营:中国长征火箭公司和航天科工火箭公司。另外阵营则是民营火箭公司,包括蓝箭航天、星际荣耀、零壹空间等在内的十几家商业火箭公司。按照目前的火箭研制与发射进展来看,蓝箭航天的液体火箭,星际荣耀、零壹空间等的固体火箭已初步崭露头角,在商业航天领域占有一定优势,属于商业航天的第一梯队。
■卫星发射市场增长迅速,中大型液体火箭成为发射缺口亟需的必备补充。2018年,全球航天运输领域的发射活动十分活跃,首次超过100次发射纪录,共执行114次发射任务。中国次数39次首次超过美国,位居全球第一。2018年,航天发射市场增长迅速,达到62亿美元,同比增长34%。
低轨卫星与商业火箭发展相辅相成,当前我国卫星发射存在较大缺口,中大型液体火箭成为市场亟需的高效率运载器。首先,当前航天市场,卫星应用更加多元化,以通信、遥感、导航等为代表,不局限于军用,融合行业和消费应用,相应带来更大的卫星需求。其中,低轨卫星系统被认为是最有应用前景的卫星移动通信技术之一,并逐渐成为发射市场的主力需求,其研制周期短、成本低廉、通过星座组网可实现全球覆盖。低轨化、小型化、星座规模扩大带动火箭发射需求急剧上升,倒逼商业化。其次,卫星的频段、轨道等可用资源有限且有优劣之分,供需矛盾日显突出已成为不争的事实,国际规则中卫星频率和轨道资源的主要分配形式为“先申报就可优先使用”的抢占方式,因此各国纷纷抢占卫星频率及轨位,保频占轨意义重大。此外,商业火箭军用化也是实现快速空间响应作战的捷径。
1)在卫星需求端,十四五是中国卫星(行情600118,诊股)发射爆发期,中大型液体火箭将是最佳选择。当前我国体制内星座组网行云、鸿雁等先后提上日程,仅已规划的国内国家队和商业队卫星分别就有560和2458颗卫星,我们按照单星质量*星座规模测算,总重量约601吨;欧洲市场也需要发射1354颗,总重量约237吨。从中可看出,2021-2025年是中国卫星发射市场的爆发期;星座轨道都在LEO轨道面;单星质量都在100kg以上。因此行业发展最关键的就是要具备充足的火箭运力供给,考虑到单星质量均在百公斤级以上,而在进行百公斤级卫星的“一箭多星”发射任务上,中大型液体火箭将是最佳选择。
2)在火箭供给层面,当前卫星发射存在较大缺口,中大型液体火箭作为最高效的运载器将面临需求激增。剔除国家队历年发射中政府军方发射性质的发射后,每年用于商业发射的最大运力为40吨,仅完成现阶段已经公开的国家队+商业队卫星工程就需要15年时间。且低轨卫星在轨生命周期短,一旦开始组网,卫星公司为了尽快实现服务能力,就必须尽可能在最短的折旧期内,把所有的卫星打上去。所以,最佳发射窗口周期将集中在未来5-7年内。若按照7年的履约周期,每年也会有46吨的运力缺口,则每年需要12发LEO运力在4吨的中型火箭来匹配。而事实上,并不是所有国家队箭型都适合打低轨组网,实际的供给运力会更少;再考虑到欧洲、中东等国际市场的发射需求以及正在规划的中国其他卫星工程,中大型火箭的需求预计达到25-40发,民营公司火箭可以成为运力上的必备补充,中大型火箭需求将大幅增长。
因此2020年-2027年是全球低轨卫星密集组网、竞争最激烈的时期,也是火箭公司的黄金窗口期。面对商业火箭这样一个全球性竞争市场,谁能在这个时间段内最早推出能满足市场需求的中大型液体箭型,谁就能最早吃到市场和政策红利,谁才能真正脱颖而出。
■多视角下看国内商业火箭公司发展:
1)人员专业配置来看,运载火箭研制所需的人才及专业配置要求非常高,相关专业子条线覆盖了从设计、研发、测试到总装的全流程超20个子系统,人员专业配置的背后其实火箭人才的竞争。目前看,蓝箭航天各专业子条线齐备,已覆盖从设计、研发、测试到总装的全流程,专业配置优势突出;成立早、研制进度快、技术路线坚定、内部稳定的公司,在人才配置上将具备先发和领先优势,而人才优势一旦建立将自然愈发巩固,难以被轻易赶超。
2)从产品角度看,固体小火箭未来竞争激烈,中大型液体火箭需要及早卡位并争取身位优势。商业固体燃料火箭产品运载能力基本集中在近地轨道300kg左右,主要瞄准商业微纳卫星组网和小卫星补网市场,未来符合该运力的箭型将有十几型,面临的竞争将非常激烈。目前民营火箭公司中研发中大型火箭的仅蓝箭航天一家公司,其选择液氧甲烷发动机作为主攻方向且进展最快,80t液氧甲烷火箭发动机“天鹊”(TQ-12)于2019年5月17日全系统试车成功。“天鹊”发动机由蓝箭航天自主研发,是世界上第三型大推力液氧甲烷发动机。同时,专注于动力系统研制的九州云箭、宇航推进等分系统公司也在快速突进液氧甲烷发动机的开发。
■国内民营火箭企业产业化与商业化的前提:建立起火箭研制生产的保障能力和优质的供应链体系。
1)火箭研制生产保障能力,主要指自主可控的两个基础设施:试车台和总装厂。试车台是火箭发动机必不可少的生产试验设施,从时间保障、研发成本和技术机密等三个因素来看,拥有自主可控的试车台是非常必要甚至是唯一选择。总装厂是运载火箭和发动机进行大规模商业化生产的基础保障,没有总装厂的企业,研制和生产将存在极大的脱节风险。如果民营火箭公司试车台和总装厂二者都没有,意味着距离真正的技术迭代和产业化商业化阶段,还有很长的一段路要走。
2)商业航天和民营火箭所需的优质供应链,是一个全新的工业生态系统。商业航天的优质供应链,需要通过创新性地引入原先航天领域以外的供应商,进行新产业、新技术和新工艺的深度跨界融合,(比如全三维数字化设计、3D打印、机器人(行情300024,诊股)激光焊接、数字化弯管等先进技术和工艺),最终实现产品质量和生产效率显著提升,从而打造全新的航天工业生态系统。
因此,民营火箭公司,从初创阶段走向产业化、商业化阶段的前提是:必须具备自主可控的试车台和总装厂等研制生产保障设施,以及优质和创新性的供应链体系,二者缺一不可。
■风险提示:供应链和研制生产保障能力出现瓶颈、运载火箭发射失利风险、商业卫星星座建设不达预期、商业发射服务订单不达预期
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报告正文
1. 民营火箭企业的核心投资逻辑
根据目前民营火箭企业现状,结合国内外商业火箭的发展态势,我们认为行业核心的发展背景具有战略意义,从太空经济和太空战略层面上都是世界大国的刚需,另外我们一并梳理出目前行业中的八大重要特征,并在后文对重要特征进行了相应的研究论述:
1.1. 行业核心发展背景:战略意义重大,进入太空的能力是世界大国刚需
民营火箭行业最核心的发展背景是国家战略背景。如今,空间威慑正在成为大国间越来越核心的战略能力,持续增强进入太空的能力以便应对未来空间态势的变化,是世界大国的强烈刚需,而火箭是可以预见的未来最核心运载工具。
商业航天发展(行情000547,诊股)对保频占轨意义重大,也是实现快速空间响应作战的捷径。卫星的频段、轨道等可用资源有限且有优劣之分,供需矛盾日显突出,各国积极抢占卫星频率及轨位的竞争大幕已然拉开。商业火箭军用化是实现快速空间响应作战的捷径。
中美在深度布局太空领域资源的过程中,都会充分引导社会资本的参与,减轻国家负担同时增强创新能力,同步孵化民用/商用市场的需求。未来20年太空领域的宏大布局,很难明确区分军用和民用,对火箭的需求仍然是国家战略的刚需。民营火箭是一个有政策红利的增量市场,因此,民营火箭阶段性的竞争仍将立足于谁能够在大推力液体火箭发动机研制上取得先发优势,以及在液体火箭产品上取得产业化与商业化的领先优势,从而在2021年有中大型产品可以推向市场。
1.2. 商业火箭行业的八大重要特征
1)行业重要特征之一:总体单位是民营火箭公司的全新重要角色
在国家军工体系内,总体单位一直扮演着核心角色,具有项目分配权。原先总体角色民营企业无法扮演,而在目前商业航天发展的大背景下,民营企业成为总体单位是一个全新的重要特征。作为一家火箭公司,必须具备系统级的抓总能力,因此一定是总体单位。而成为总体单位,意味着不只是具备设计人员,而是必须具备强大的能力保障体系(包括设计、生产、总装、测试等)。
2)行业重要特征之二:服务采购成为航天产品研制大趋势
随着总体单位的逐渐增多,国家型号研制的组织形式也出现了新变化,由以往国家出经费体制内企业承担任务的传统任务分配形式,逐渐诞生出了国家少出或不出经费体制内外企业共同竞标的全新形式,即服务采购形式。
原先传统的任务分配形式是指:国家在体制内选择某企业承担型号研制任务,并向该企业投入研制科研经费,由该企业进行型号产品的研制。而如今成为新趋势的服务采购形式是指:国家面向体制内和体制外进行全面招标,选择最专业和高效的企业作为供应商,国家几乎不再投入专项经费,而供应商提供的不再是单独一款产品,而是专业配套的全面服务。
服务采购带来两大积极变化:一是向民企敞开了大门,尤其是越来越多优质民企有机会成为国家型号供应商;二是大幅度节约国家型号研制投入,充分利用社会资源,同时也为快速科技创新带来活力。服务采购具备新时代气息,并且深度融合现代商业化思维,是航天技术和装备发展的大趋势。
3)行业重要特征之三:企业家精神带来全新运作体系和商业模式
商业航天是一个全新的行业,与传统航天存在很大的不同,商业航天不是简单的将产品推向商业市场,而是采用全新模式重构商业要素和商业模式。这里以行业领先企业为例,全球民营火箭行业目前处于领先地位的企业为SpaceX、蓝色起源和维珍航空,这3家领先企业的公司创始人都有一个共性,就是原先都并非“航天系统出身”。同时我们可以看到,这3家企业能够实现超出传统航天企业的高速发展,最大原因就是3位创始人采用了完全崭新的创新机制和商业模式。因此,对于如果采用与传统航天相同运作模式的企业,其在商业航天领域很难创造出新的价值。
4)行业重要特征之四:国家支持规范有序发展
在国家层面,国家对于行业的大原则为:支持商业火箭规范有序发展。这一原则意味着,从行业窗口期的角度来说,2015-2020年这5年左右的时间,是行业企业发展的关键窗口期,经过最初这5年行业企业的探索和发展,领先企业的先发优势已经确立,行业即将进入到下一个细分阶段,后进入者进入这一行业的成本和代价会非常大。
5)行业重要特征之五:发展路径与美国类似,从国家航天衍生出民营航天
我国民营火箭的发展路径同美国会有异曲同工之处,即军用航天/国家航天衍生出民营火箭/商业火箭,火箭作为典型的军民两用产品,也必然引导民营火箭走向国家服务采购序列。
6)行业重要特征之六:前期研发投入至关重要,决定企业先发优势和未来地位
科研经费的投入规模决定了过去四年行业内企业形成的竞争优势,过去四年的黄金窗口期,只有通过大规模研发投入并体现在液体火箭/液体发动机研制进度上的企业,才能在未来五年在国内和国际立足,成为行业龙头。
7)行业重要特征之七:国际市场的开拓能力,成为民营火箭企业商业化能力的重要体现
民营火箭公司的商业化能力,主要表现为公司的市场开拓能力,该能力很大程度上取决于市场定位。从市场需求和市场定位来看,中国以及以欧洲、中东、一带一路国家为代表的国际卫星市场发射市场需求量巨大,推动了国内商业火箭的发展;由于中大型液体火箭可以满足从微纳卫星、中小卫星到大卫星等各类卫星需求,所以中大型液体火箭已成为商业火箭公司的最佳选择。由于国内短期面临同国企的正面竞争,因此,国际市场的开拓能力将成为目前民营火箭企业商业化能力的重要体现。是否具备中大型液体火箭,进而是否具备相应的国际市场开拓能力,将成为民营火箭公司商业化能力的重要体现。
8)行业重要特征之八:民营火箭企业在固体火箭领域缺乏竞争优势
在固体火箭领域,由于“国家队”具有非常成熟的固体运载火箭产品,无论在技术成熟度、核心制造成本、发射市场价格、响应周期等各方面,都比做固体火箭的民营公司更具有优势。而且,随着卫星小型化,批量组网发射的趋势,固体燃料火箭只能满足补网发射需求,细分市场的天花板不高。因此,民营火箭企业在固体火箭领域缺乏竞争优势。
1.3. 研制生产保障能力和供应链体系是国内民营火箭企业产业化与商业化前提
运载火箭,作为一个高度系统集成的、特殊的高端装备制造产品,其产业化与商业化之路也必然遵行制造业发展的客观规律,即必须建立起火箭研制生产的核心保障能力和优质的供应链体系。
火箭研制生产核心保障能力,主要指的是极其重要且必须企业自主可控的两个基础设施:试车台和总装厂。试车台是火箭发动机必不可少的生产试验设施,从时间保障、研发成本和技术机密等三个因素来看,拥有自主可控的试车台是非常必要甚至是唯一选择。总装厂是运载火箭和发动机进行大规模商业化生产的基础保障,没有总装厂的企业,研制和生产将存在极大的脱节风险。如果民营火箭公司试车台和总装厂二者都没有,意味着距离真正的技术迭代和产业化商业化阶段,还有很长的一段路要走。
商业航天和民营火箭所需的优质供应链,是一个全新的工业生态系统。商业航天的优质供应链,需要通过创新性的引入原先航天领域以外的供应商,进行新产业、新技术和新工艺的深度跨界融合,(比如全三维数字化设计、3D打印、机器人激光焊接、数字化弯管等先进技术和工艺),最终实现产品质量和生产效率显著提升,从而打造全新的航天工业生态系统。
因此,民营火箭公司,从初创阶段走向产业化、商业化阶段的前提是须具备自主可控的试车台和总装厂等研制生产保障设施,以及优质和创新性的供应链体系。
2. 运载火箭是进入太空唯一工具,商业火箭美国领头国内逐渐兴起
2.1. 发射服务全链条是复杂的系统工程,运载火箭是唯一进入太空工具
发射服务的整个链条涉及单位及环节众多,是一个复杂的系统工程。整个发射服务链条包括上游火箭零部件制造商提供动力系统、控制系统、火箭箭体等部件给中游的火箭公司(大部分火箭公司会自研动力系统等核心系统),火箭公司为卫星制造商提供发射服务,最终实现在轨交付给卫星运营商。此外,运载火箭上还有一些不直接影响飞行成败并由箭上设备与地面设备共同组成的系统,例如遥测系统、外弹道测量系统、安全系统和瞄准系统等;发射环节还涉及到使用发射场资源,火箭及卫星需要购买发射保险等。我国国家航天发射任务有严格的流程管理体系,商业火箭公司则正在努力推动实现整个发射服务链条的商业化,不断提升发射服务面向公众的的开放度和参与度。
作为一种进入太空的主要运载工具,运载火箭是各航天国家保持太空优势的关键之一,其技术水平代表了一个国家自主进入太空的能力。运载火箭的组成主要是三大系统,包括结构系统(又称箭体结构)、动力装置系统(又称推进系统)和控制系统。无论固体运载火箭还是液体运载火箭,无论单级运载火箭还是多级运载火箭,主系统的可靠与否,将直接影响运载火箭飞行的成败。
箭体结构是运载火箭的基体,它把运载火箭各系统组合在一起形成一个完整的整体。液体运载火箭的箭体主要由推进剂贮箱、仪器舱、推力结构、尾段和尾翼、有效载荷整流罩等组件组成。对固体运载火箭而言,其箭体结构除了没有推进剂贮箱、箱间段和发动机架外,其他与液体运载火箭的箭体结构基本相同。其中,固体燃料火箭发动机的壳体常构成箭体承力结构的一部分。在箭体结构的组成中,还包括一些机构,最常见的机构是分离机构。
火箭发动机是火箭的动力装置,属于喷气推进范畴,是自身既携带燃料又携带氧化剂的喷气发动机。目前最成熟、应用最广泛的是采用化学能的化学火箭推进装置,可分为固体燃料火箭发动机、液体燃料火箭发动机、固液混合火箭发动机和凝胶推进剂火箭发动机。
火箭制导与控制系统,是火箭在飞向目标过程中,导引和控制火箭按选定的导引规律调整飞行路线,导向目标所需全部装置(包括硬件和软件)。它包括制导系统和姿态控制系统两个部分。
2.2. 运载能力是火箭的核心指标,液体燃料火箭发动机优势突出
运载能力是运载火箭的核心指标,代表进入空间的能力。运载火箭的技术指标包括运载能力、入轨精度、火箭对不同重量的有效载荷的适应能力和可靠性。运载能力指火箭能送入预定轨道的有效载荷重量。有效载荷的轨道种类较多,所需的能量也不同,因此在标明运载能力时要区别低轨道(LEO)、中地球轨道(MEO)、地球同步轨道(GEO)、太阳同步轨道(SSO)等情况,比如200kg/700km是指运送到700km高度轨道的运载能力为200kg。
运载能力主要受限于推进系统或火箭发动机的能力。目前,土星5号是世界上运载能力最强的运载火箭,不仅推力大,其寿命也比其他运载火箭要长。我国运力最大的是长征5号,2016年,“长征5号”长首飞成功,成为我国运载能力最大的运载火箭。另外,我国正在研制“长征9号”,用于深空探测、载人上天等任务。长征9号直径10米,长103米,起飞推力高达5873吨,近地轨道运载能力高达140吨。一旦研制成功,将会成为世界上最强大的运输火箭。
从构成价值量占比看,火箭发动机占火箭成本的一半以上,是火箭的心脏。根据美国联合发射联盟ULA数据,中型液体运载火箭成本构成由发动机、结构、电子设备三大部分,其中第一级火箭发动机成本占比达55%,结构占比为22%,电子设备占比为9%;第二级发动机、结构、电子设备成本占比都约在30%。
现阶段按照推进剂不同,主流运载火箭主要是固体燃料火箭和液体燃料火箭,各有优缺点。固体燃料火箭相较液体燃料火箭的最大优势在于可以长期储存,快速响应,发射地点灵活,在军用领域、自然灾害等紧急情况下使用意义重大,特别适用于在军事冲突满足军事现代化对快速响应和小卫星发射的要求。
中国的商业航天领域目前存在“固液之争”,能否满足商业航天的市场需求是根本所在。从全球火箭型号来看,除中国以外,其他世界各国主流火箭都为液体火箭。从商业航天发射的低成本竞争角度看,固体燃料火箭竞争激烈,单位发射价格没有绝对优势,其响应快,未来或主要用于卫星补网发射需求。另外,“国家队”具有非常成熟的固体运载火箭产品,无论在技术成熟度、发射市场价格、响应周期、制造成本等各方面,比做固体燃料火箭的民营公司更有市场订单优势。随着卫星小型化,批量组网发射的趋势,固体燃料火箭只能满足补网发射需求,可以占有的市场天花板不高。
以一个星座组网为例,进行小型固体火箭和中型液体火箭的经济性简单对比。运力参数以常见火箭型号为准:小型固体火箭LEO运力取300kg,中型液体火箭LEO运力取4t。星座组网数量按照5颗计算,单颗重量按照150-250kg的行业主要区间,取均值200kg。使用小型固体火箭,需要每次以“专车形式”,共计发射5发,按照单发3000万元计算,需要1.5亿元;而使用中型液体火箭,只需要“搭车形式”一次性全部发射,而4t“专车形式”的总价一般为1.5亿元,因此1t搭车费用一定会低于1.5亿元。另外,再考虑到小型固体火箭5次发射所需的时间成本和风险成本,因此,未来星座组网的大浪潮下,相比小型固体火箭,中型固体火箭在发射成本、时间成本、风险成本等各方面均具备较大优势。
而对于中型和大型固体火箭的研制,目前中国存在诸多技术难关没有突破。中大型固体火箭的技术难点主要有:大型分段对接、大尺寸柔性喷管设计与制造、压力振动抑制、推力偏差控制、高性能碳纤维材料等。因此,至少从中长期来看,中大型固体火箭尚难以实际应用,中型液体火箭仍是商业航天的主流箭型。
2.3. 液体燃料火箭发动机中液氧甲烷商用优势更大
液体燃料火箭发动机应用范围很广,种类多,分类方式也有多种。按照推进剂不同液体燃料火箭发动机可以分为常规推进剂发动机、低温发动机等。常规推进剂发动机一般是指采用自燃可贮存推进剂液体燃料火箭发动机,其中氧化剂多为硝基化合物,最常用的有硝酸、四氧化二氮等;燃料则多为肼类物质,最常用的有无水肼、一甲基肼、偏二甲肼及混肼等,常规推进剂都具有毒性。低温发动机是指采用低温推进剂的液体燃料火箭发动机,最常见的低温推进剂包括液氧、液氢、甲烷、丙烷、液氨等。在几十年的航天发展中,常规推进剂发动机起到了举足轻重的作用,从20世纪90年代开始,美国、欧洲对一次性运载火箭进行了更新换代,以常规推进剂发动机为主动力的运载火箭相继退役。中国从20世纪末开始研制以液氧煤油、液氧液氢发动机为主动力的新一代运载火箭系列,并已投入使用,常规推进剂发动机为主动力的现役长征系列运载火箭将逐步退役。
液氧甲烷发动机综合优势突出,更适合商业航天需求。在新型液体燃料火箭发动机的研制过程中,高可靠、低成本、高性能、可重复使用、维护方便及无毒无污染是主要的设计目标。液氧甲烷火箭发动机对比偏二甲肼燃料,无毒、环境友好;对比液氧煤油发动机,液氧甲烷的比冲更高、不易结焦,使得发动机复用变得更加现实;液氧液氢比冲最高,但液氢密度小、相对价格高,甲烷密度是液氢的6倍、成本只有不到液氢的1/30。以此看来,在商业航天时代与国家航天事业不同,商业航天需要在成本和性能之间获取平衡,液氧甲烷发动机将是商业趋势。此外,在液氧煤油和液氧液氢方向,国家已经申报大量专利,涉及材料、工艺及产品,民营企业将面临专利壁垒。
液氧甲烷火箭成为下一代国家主流箭型,液氧甲烷发动机成为民营火箭公司一致选择。目前,美国SpaceX和蓝源公司积极开展液氧甲烷发动机的研制工作,其发动机型号分别为“猛禽”和BE-4,国内则有蓝箭航天的“天鹊”80t。
“猛禽”发动机是SpaceX公司正在研制的一型“猛禽”发动机是SpaceX公司正在研制的一型液氧甲烷发动机,采用全流量分级燃烧循环,该发动机未来将应用于SpaceX公司的星际运输系统(ITS),用于火星探索。2009-2015年间,该发动机一直由SpaceX公司自筹资金研制;2016年,美国空军决定支持该公司的液氧甲烷发动机研制项目,提供了3360万美元的研制资金,用来研制一型可以用于猎鹰9和猎鹰重型上面级的液氧甲烷发动机样机,同时还要求SpaceX自己也要为该上面级发动机投入6730万美元的研制经费。2016年9月25日,在麦格雷戈试验场进行了点火试车。BFR(液氧甲烷火箭)火箭预计可能在2020年首飞,并可能在2022年向月球或火星运送货物。
蓝色起源公司从2011年开始对BE-4液氧甲烷发动机进行研制,该发动机采用分级燃烧循环方式,推力为2400kN,燃烧室压力13.4MPa,可重复次数达25次,将用于联合发射联盟公司的“火神”火箭以及蓝色起源公司的“新格伦”火箭。2011年,美国蓝色起源开始研制BE-4液氧甲烷发动机,2014年与ULA签订合同协议合作发展BE-4发动机。2017年10月19日,BE-4首次热点火成功。2018年9月28日,BE-4发动机(液氧甲烷发动机)战胜了AR-1发动机,拿下数十亿美元下一代火神(Vulcan)火箭发动机订单。
与SpaceX公司和蓝色起源公司等航天民企一样,中国民营火箭公司也在进行着液氧甲烷发动机的研发和生产,并相继完成了多项液体燃料火箭发动机论证和研制工作。2017年12月,蓝箭航天自主研发的10吨级液氧甲烷发动机燃气发生器成功进行首轮点火试验,2018年6月,首批大喷管成品完成出厂;2019年5月,蓝箭航天“天鹊”80吨液氧甲烷发动机全系统试车圆满成功,预计2020年实现中国首枚液氧甲烷火箭朱雀二号首飞; 2019年3月,星际荣耀15吨级液氧甲烷发动机完成涡轮泵与副系统联合试验;2019年1月,九州云箭“凌云”10吨级发动机完成同轴涡轮泵低温介质试验。2019年初,宇航推进60吨液氧甲烷发动机完成燃气发生器点火。
2.4. 国内外商业火箭发展现状,各国应对SpaceX挑战
随着SpaceX带来的火箭研制低成本压力,高通量、电推进技术带来的卫星质量分散化,以及近地轨道任务机会的增多,美国、俄罗斯、日本、欧洲等国家和地区的传统发射服务商纷纷启动商业火箭型号的研制任务,并普遍把火箭首飞时间瞄准为2020~2021年。
1)各国积极应对美国掀起的低成本模式的火箭发射服务挑战。
美国:为确保近地空间自由、低成本的进入,美国不断通过商业竞争模式,引导国内航天企业开展新型火箭研发。
美国十分重视商业航天的发展,无论是从航天立法还是从政策支持方面,都大力扶持商业航天发展,不断推出商业航天资助计划,比如商业载人航天和货物运输计划、商业轨道运输服务、商业补给服务等。SpaceX公司仅从NASA的商业补给服务项目中就获得16亿美元的经费。给予多项技术扶持和转移,NASA利用自身技术优势,直接派驻技术人员和通过专利转让等方式,帮助SpaceX发展和验证关键技术,猎鹰系列火箭的灰背隼发动机就是采用阿波罗登月舱降级发动机的喷管技术。在美国一批具有经济、技术实力的私营航天企业迅速成长起来,目前在商业载人航天领域,以SpaceX公司、蓝色起源、轨道科学公司为代表的商业航天公司具有从设计、制造验证到发射、运营的能力,实现政府军方、科研机构等用户从市场购买发射服务的成本显著降低,以SpaceX公司为例,5枚猎鹰1火箭、2枚猎鹰9火箭和1艘龙飞船的研制及发射费用总计不到8亿美元,其中,猎鹰9火箭仅花费3亿美元,远低于美国空军改进型一次运载火箭。在商业发射市场,猎鹰9火箭的商业发射报价仅为6120万美元,将商业卫星发射的价格拉低一个数量级,迅速占领商用发射市场。
俄罗斯:在2013年前,俄罗斯各类商用火箭占据了全球约一半的商用火箭发射市场。然而,随着其他商用火箭公司(尤其是SpaceX)的出现,俄罗斯逐渐失去了在这样市场上的优势。为应对SpaceX的价格竞争,俄罗斯质子号火箭也迅速反应,主动将价格降至6500万美元左右。苏联解体后俄罗斯自行研制的首个运载火箭系列一安加拉火箭已于2014年完成首飞,未来将替代质子号运载火箭。为确保价格竞争力俄罗斯2015年已经开始向国际市场以低于质子号火箭的价格推销安加拉火箭。另外,俄罗斯新型 “联盟-5” 中型运载火箭能够向低地球轨道提供高达8吨的有效载荷,将在2022年建成并将用于包括从“海上发射”浮动发射场在内平台的发射。"联盟-5"号中型运载火箭研制完成之后,航天发射成本将从7000万美元下降到5500万美元,以匹配国际市场上的美国猎鹰火箭系列。
欧洲:为应对猎鹰火箭的挑战,常年来处于市场主导地位的阿里安火箭被迫降低其5.35吨(5.3吨是猎鹰9火箭GTO运载能力上限)以下卫星的发射服务价格(由9000万美元降低至6500万美元左右),避免丢掉订单。2014年12月召开的欧空局部长级会议明确了新一代运载火箭阿里安6的技术方案。阿里安6分为阿里安6-4和阿里安6-2两种构型,分别带有4枚和2枚固体助推器。阿里安6-4的GTO运载能力为10.5吨,发射价格为1亿美元;阿里安6-2的GTO运载能力为5吨,发射价格约6000万美元,预计将于2020年实现首飞。
中国:传统火箭制造商航天集团布局商业火箭,民营火箭企业涌现。
航天科技(行情000901,诊股)一院和八院分别研制了长征十一号和长征六号新一代运载火箭以适应小卫星发射市场需求。为满足市场需求,长城公司还推出了“长征快车”服务,为客户提供快速、稳定、可靠的一站式商业发射服务。2016年,航天科技一院成立中国长征火箭有限公司,推出“捷龙一号”,满足用户一箭一星或一箭多星的发射需求,火箭履约周期短,与用户签约后6个月即可出厂,采用一车一箭方式,运抵发射场后能够实现24小时内快速发射。航天科工火箭公司推出快舟系列火箭,2017年1月9日,快舟一号甲固体运载火箭以“一箭三星”的方式,将吉林一号灵巧视频03星等卫星准确送入预定轨道,圆满履行首个商业发射合同。快舟十一号预计年内首飞。我国民营火箭重大进展最新情况:截止2019年5月底,我国民营火箭公司共进行过2次入轨发射。2018年10月27日,蓝箭航天的三级运载火箭“朱雀一号”在酒泉卫星发射中心完成首飞,发射后飞行正常,一二级工作正常,整流罩分离正常,三级出现异常,导致卫星最终未能入轨,但已经是最接近近地轨道的发射,也是国内首次民营企业从研发火箭、制造链条、发射火箭全链条的第一次打通,意义重大;2019年3月27日,零壹空间的OS-M固体运载火箭在酒泉卫星发射中心点火,火箭在一级分离后失去控制,发射任务告败;2019年上半年,星际荣耀四级固体运载火箭将择机首飞。
日本:艾普斯龙运载火箭是日本的开发成本较低且能迅速装配的固态运载火箭,一个重要特点是低廉的研制和发射成本,能将重约1.2吨的卫星发射到高度约数百公里的低轨道上。日本民营航天初创企业星际科技公司于2018年6 月进行了第二次单级探空火箭Momo火箭试射,但再次以失败告终。单级探空火箭Momo火箭采用液氧和乙醇作燃料,可载带20kg有效载荷。星际科技还在研制一种能送卫星入轨的小运载火箭Zero,太阳同步轨道运载能力为100kg,每次发射价格估计为300万美元。
2)液氧甲烷发动机成为美欧和我国民营火箭公司下一代运载火箭发动机选择的重要方向。
液氧甲烷发动机已经成为热门航天技术,美国、中国、俄罗斯、日本等国家都在积极发展液氧甲烷发动机。美国SpaceX和蓝色起源也正在开展研制大推力液氧甲烷发动机的竞赛。SpaceX为重型猎鹰火箭研制的猛禽发动机已经热试车;蓝色起源研制的BE-4也是一种分级燃烧循环液氧甲烷发动机,设计上直接使用液化天然气作燃料,同时具有较高的可靠性,发动机的地面推力达到250吨级;美国后续火箭中的“新格伦”、“火神”、“星船”等均将液氧甲烷发动机作为主动力。中国航天科技六院曾直接对YF-77氢氧发动机进行局部改动,测试了60吨级液氧甲烷发动机技术原理,但后来因为没有型号匹配,并未开展真正的研制工作;我国商业火箭公司也竞相研制液氧甲烷发动机,蓝箭航天除了现有的10吨级发动机外,还在研制80吨的天鹊-2液氧甲烷发动机并已成功实现全系统20s试车。此外,俄罗斯、欧空局和日本等国家和组织也在研制液氧甲烷发动机,俄罗斯正在研制的RD-0162/0164液氧甲烷发动机推力可达200吨级,欧空局未来研制的阿里安7火箭将使用“普罗米修斯”百吨级推力液氧甲烷发动机。总之,正在研制的液氧甲烷发动机既有数吨级的小型发动机,也有250吨级的大型发动机,基本覆盖了主流液体火箭发动机的推力范围,未来至少能和液氧煤油发动机与液氢液氧发动机三分天下。
3)开展不同形式的重复使用技术探索,为降低成本寻找新途径。
自SpaceX成功实现火箭第一级回收以来,各国运载火箭运营商和制造商都普遍开始着手不同形式的重复使用技术探索,为下一代运载火箭降低成本寻找途径。形式一:伞降回收。典型代表是联合发射联盟公司的“火神”火箭。该火箭在第一级工作结束并完成级间分离后,两台发动机分离,然后依靠降落伞减速,最后由直升机在空中实现回收。形式二:垂直回收。典型代表是SpaceX的“猎鹰”-9、“重型猎鹰”以及蓝色起源的“新格伦”。形式三:带翼飞回。典型代表是俄罗斯的“贝加尔号”有翼助推器和德国的“猎鹰”有翼助推器,其中前者是“安加拉”火箭的一种助推器回收方案,能以自动方式像飞机一样着陆和飞回发射场,后者有希望在“阿里安”-6火箭后续改进中使用,拟采用下降过程中由飞机捕获并拖回地面的方式进行。中国目前尚没有成熟的可回收技术得以实际应用,全部处于技术研发阶段。
3. 国内商业发射服务开放向好,模式逐渐清晰
3.1. 商业航天兴于美国,军民融合加速中国航天商业化
美国航天领域发展是“军民融合”的典型。美国航天领域的军民融合发展较早,出台了一系列相关法律,建立起了航空航天领域军民融合的发展制度。军民融合发展一方面缓解了美国国防经济投入压力,另一方面也促进了航天技术的进步和国民经济的发展。借鉴美国商业发射的发展历程,可以发现国家、政府同时作为商业发射的规则制定者、推动者和需求方,是所有参与者中最为重要的角色。政府应当从国家发展战略角度,制定有利民营航天企业发展的政策法规;并且在民营航天企业技术不成熟,资金不到位的情况下,通过合作项目给予技术和资金方面的支持。
美国商业航天领头羊位置得益于其公私合作模式。
美国航天局通过公私合作,对航天企业进行资金和技术投入,培育商业月球探测力量快速崛起,而同时航天企业也为政府主导的探月活动提供了有效支撑。SpaceX在2016年海上回收猎鹰九号(Falcon9)一级火箭,基本实现了一级火箭的无损回收,成为商业航天的一大代表性事件。这也得益于NASA的大力支持,SpaceX从进入商业发射市场以来就不断斩获国家大额订单,根据美国联邦航空管理局(FAA)的官方资料统计,自2013年到2018年,SpaceX在全球市场的商业发射占有率从13%一跃为65%。
中国军民融合战略大背景下,太空领域的军民融合符合发展需求,民营航天开始登上历史舞台。近年来,我国大力推进军民深度融合,出台了系列政策,并且把军民融合发展上升为了国家战略,将军民融合战略应用太空领域,着力推进航天领域军民深度融合发展是国家的战略利益,也是航天自身发展的需求。航天企业要推动制定航天法及配套法律法规,完善武器装备竞争性采购制度,健全市场准入制度,加强军民通用标准研究,完善军产学研协同创新及科技资源开放共享机制,营造军民融合发展的良好环境。据不完全统计,2014年以来,仅国家级政策就已颁布超10项,国家和地方的军民融合推进遍地开花。民营航天也在此期间强势爆发。
国内行业发展路径与美国类似,从国家航天衍生出民营航天。我国民营火箭的发展路径同美国会有异曲同工之处,即军用航天/国家航天衍生出民营火箭/商业火箭,火箭作为典型的军民两用产品,也必然引导民营火箭走向国家服务采购序列。
商业航天是一个全新的行业,与传统航天存在很大的不同,商业航天不是简单的将产品推向商业市场,而是采用全新模式重新构建企业运营体系和商业模式。这里以行业领先企业为例,全球民营火箭行业目前处于领先地位的企业为SpaceX、蓝色起源和维珍航空,这3家领先企业的公司创始人都有一个共性,就是原先都并非“航天系统出身”。同时我们可以看到,这3家企业能够实现超出传统航天企业的高速发展,最大原因就是3位创始人采用了完全崭新的创新机制和商业模式。因此,对于如果采用与传统航天相同运作模式的企业,其在商业航天领域很难创造出新的价值。
3.2. 国内商业航天公司迅速崛起,逐渐形成梯队
目前,国内商业火箭领域,主要可分为两大阵营:一是两大航天集团内商业化小火箭逐步开放面向商业发射服务,此外还有为适应快速发展的商业航天分别设立了商业火箭公司中国长征火箭公司和航天科工火箭公司。另外一个阵营则是民营火箭公司,包括蓝箭航天、星际荣耀、零壹空间等在内的十几家商业火箭公司。民营火箭公司发展势头强劲,与体制内企业争相竞逐,共同促进了我国商业航天的快速发展。
民企方面,商业航天呈现梯度化发展。按照目前的火箭研制与发射进展来看,蓝箭航天、星际荣耀、零壹空间等已初步崭露头角,在商业航天领域占有一定优势,属于商业航天的第一梯队。而星途探索、九州云箭、灵动飞天、深蓝航天、翎客航天等公司正在奋起直追。第一梯队的三家民企均已具备不同程度的核心动力及研制保障能力,并完成了相关火箭的亚轨道发射或入轨发射,这也是目前领先于第二梯队企业的优势所在。
1)蓝箭航天:成立于2015年6月,公司聚焦中小型商业航天应用市场,致力于研制具有自主知识产权的液体燃料火箭发动机及商业运载火箭,凭借一流的技术研发团队,以高度集成的设计能力和单机创新能力完成产品设计、制造、测试和交付全流程任务,为全球市场提供标准化发射服务解决方案。公司目前的核心产品包括:朱雀一号固体运载火箭(已完成首飞),朱雀二号中型液体运载火箭(在研),以及天鹊80吨级液氧甲烷发动机(已圆满完成全系统试车)、凤凰10吨级液氧甲烷发动机(在研)和姿控发动机(已研制成功)等分系统产品。拥有两个研发中心(分别位于北京、西安)、一个总装制造及测试基地(位于湖州)及重型试车台。公司专注于液体动力和运载火箭的研究,团队核心成员人均拥有超过十年的研发经历,积累了丰富的经验。
2)星际荣耀:
成立于2016年10月,致力于研发优秀的商业运载火箭并提供系统性的发射解决方案,为全球商业航天客户提供更高效、更优质、更具性价比的发射服务,以大幅提升人类自由进出空间的能力。在发展前期阶段,公司主要专注于高品质、低成本、快响应的小型运载火箭研发,为全球小卫星及星座客户提供一体化的商业发射服务。公司目前的核心产品包括小型固体运载火箭“双曲线一号”(尚未首飞),小型液体运载火箭“双曲线二号”(在研)、亚轨道概念飞行器(在研)。发动机方面,在研液体燃料火箭发动机“焦点一号”、“焦点二号”以及姿轨控一体化动力系统。公司为全球客户提供高品质、快响应、高频发射、高性价比的发射服务。
3)零壹空间:成立于2015年8月,从事小型固体运载火箭研制与生产的技术型企业,公司致力于为商用微小卫星、特殊用途航天器等提供高性价比的发射服务,并致力于探索新技术、新机制在商业航天领域的运用。总部及研发中心在重庆,并在重庆设立了智能制造基地,开展三大主营业务:1)M系列固体商业运载火箭,实现高频、低成本、常态化的微小卫星入轨发射服务;2)X系列飞行试验平台,为科研、运输提供运载器解决方案;3)电子和动力产品的配套及定制服务。
航天科技和航天科工是我国两大航天集团,为顺应国家军民融合战略、抢抓商业航天市场发展机遇,两家集团公司除了保障国家任务外,也纷纷进军商业航天领域,按照社会化、市场化的运作方式成立了相应的子公司:
1)2016年2月,航天科工集团率先成立了国内首家商业模式开展研发和应用的专业化火箭公司——航天科工火箭技术有限公司,致力于为国内外客户提供商业航天发射服务。主打产品为以固体燃料为推进剂的“快舟”系列运载火箭。快舟一号甲于2017年1月9日完成首飞,成功将“吉林一号”灵巧视频星03星及行云试验一号、凯盾一号两颗立方体星送入太空;2018年9月,完成第2次商业发射任务;快舟系列的第三次发射快舟十一号预计在2019年6月份首飞。
2)为积极抢占商业航天的市场,航天科技集团也不甘落后。2016年10月,将旗下中国运载火箭技术研究院的子公司——中国亚太移动通信卫星有限责任公司更名为中国长征火箭有限公司。负责商业火箭型谱规划、研制运营、在役火箭商业化改造和商业市场开拓、商业航天的公司化运营,面向市场为客户提供天地信息一体化解决方案。主打产品为“捷龙”一号、“捷龙”二号和“腾龙”一号运载火箭。目前,捷龙一号还未首飞,预计首飞时间在2019年。
3.3. 国内航天发射主管部门对民营航天持开放支持态度
我国航天发射实行国家统一管理,其相应的主管部门可分为法律制定部门、监管部门和资质审核部门三块。
法律制度方面,我国航天法力争3-5年出台,目前现有的法律和政策积极鼓励商业航天发展。由于目前我国尚未正式颁布《航天法》,与航天领域直接相关的法律法规大多属于空白。我国目前涉及规范航天发射和空间活动的法律制度有两个比较具体的部门规章:《空间物体登记管理办法》和《民用航天发射项目许可证管理暂行办法》。上述两个法规均由国防科工局制定实施。2014年,国务院对外公布重点领域的投融资制度,明确鼓励民间资本进入航天领域;2016年,国务院发布白皮书鼓励民间资本参与航天科研;2019年4月,国家航天局表示即将发布促进商业运载火箭规范发展的通知并且推动航天法的编制工作,目前航天法已经列入全国人大立法计划,力争在未来3-5年出台。
监管部门方面,国防科工局和装备发展部多次表示希望推动发射服务领域商业采购。目前我国航天领域的主管部门为国防科工局。同时,军委装备发展部掌握我国的发射场资源,也是国家军备采购的接口协调单位。科工局和相关主管单位已经就商业火箭的发射服务召开了多次座谈和研讨会,传达推动发射服务领域商业采购的理念,同时希望民营火箭公司能够对军方和国家主管部门提出希望配合的领域和方法。
资质许可文件方面,发射领域准入门槛较高。
出于军事保密性考虑,长期以来我国在对大型运载火箭发射的管理过程中,基本将其视同军工产品。同时由于技术和任务分配的高度垄断,导致航天器制造和发射领域有着极高的进入门槛,需要具备军品门槛相应资质。民用航天发射项目实行许可证管理制度,每次的发射都需要进行申请,应提供具体的预定发射时间,卫星、运载火箭、发射和测控通信系统之间的技术要求,运载火箭详细轨道参数及落区或回收场区的勘察报告,卫星详细轨道参数、频率资源使用情况的文件。之后发射便会列入国家发射计划,进行发射场排期。
3.4. 我国民营火箭公司与国家队合作大于竞争,可有力填补市场需求缺口
我国运载火箭领域的“国家队”主要是指航天科技和航天科工两天军工集团,其中以航天科技集团是绝对主力,据我们统计目前仍在服役的长征系列火箭有12型,从小型、中型到重型、从固体到液体燃料火箭发动机等全谱系覆盖。此外,航天科工集团也尝试商业航天成立了航天科工火箭公司,其快舟系列火箭(一号、十一号)是小型固体发动机火箭,主打近地轨道发射任务。
我们从产品定位、目标市场和性价比角度对比国家队、国家队商业火箭以及典型民营火箭公司可以看出:长征系列火箭大多是液体大运载火箭,定位满足国家任务为主,追求性能指标,产能有限,相当一部分中型的液体燃料火箭也都是有毒推进剂火箭,面临退役,无法满足未来中小商业卫星组网的巨大需求;快舟、捷龙系列是小型固体运载火箭,定位满足300公斤以下的发射需求,与液体燃料火箭相比,由于固体燃料火箭飞行过载大,卫星载荷发射环境差,发射单价高,对于卫星批量组网需求来说没有竞争优势,只能适用于小卫星特定验证发射、应急发射和发射补网需求;国内民营企业则定位于低成本商业发射服务,目标市场多为能够满足小型、中型卫星组网和补网市场,甚至大型商业卫星的发射需求。
从火箭运载能力、推进剂类型及产品谱系角度看,民营火箭的明智选择是与国家队火箭差异化定位,填补国家队空白。长征系列大多是液体大运载火箭,定位满足国家任务为主,追求性能指标,产能有限,中型液体燃料火箭大部分是有毒火箭,面临退役,无法满足未来中小商业卫星组网的巨大需求;快舟、捷龙系列是小型固体运载火箭,更多适用于小卫星特定验证应急发射和发射补网需求;民营火箭公司蓝箭航天选择在清洁推进剂技术路线上研制国家队目前缺少的液氧甲烷中大型液体火箭产品,一方面给中国航天体系提供必备补充,同时规避和原有体系的竞争和重复研发投入。长期看,未来在商业航天领域,我们或可参考美国的模式,商业航天统一交由民营企业,实现市场化运营;太空探索等公益航天则交由国家队,负责深空探索等重要任务。那时,民营火箭企业的营收将主要来自火箭发射服务,其中不少订单来自政府或军方。
3.5. 国内发射场资源紧张,商业发射工位政策已实质性展开
运载火箭多为一次性运载工具,主要发射方式有塔架发射、车载机动发射、空中发射、海上平台发射和潜艇发射,目前主要以塔架发射、机动发射为主。
国内发射场资源紧张且未实现商业化,建设新一代发射配套设施是中国商业航天成长的当务之急。目前,我国目前共有四个运载火箭发射场(酒泉卫星发射中心、太原卫星发射中心、西昌卫星发射中心、海南文昌卫星发射中心),各有特点且承担不同的发射任务。从发射工位总量看,目前我国四个发射中心共有12个发射工位,对标美国、俄罗斯,两国的发射工位数量是中国的6-10倍。此外,目前我国现有的航天发射场地属于军方管理,主要以保障国家任务为主,商业发射任务基本无暇顾及:一方面由于现有的发射场运营缺乏商业化思维,无法满足商业发射的定制化、人性化和商业化需求;另一方面,国内的商业航天民企已陆续涌现出先进的液氧甲烷技术路线火箭,而目前国内现有发射场尚无相关配套设施。因此,商业发射工位是目前行业发展的刚需,也是国家急需和鼓励的战略资源,建设新一代发射配套设施,是中国商业航天成长的当务之急。
国内商业发射工位政策支持已从顶层规划实质性放开。2018年10月,蓝箭航天获得中国首个民营运载火箭发射许可证,朱雀一号在酒泉首飞,航天发射场地对民营首次放开。2019年1月,酒泉卫星发射中心召开“民商航天发射及服务研讨会”,发布了酒泉发射中心关于民商航天发射的规则,鼓励有实力的航天企业参与“共建共享发射场。”我国商业火箭将陆续从研制阶段进入首飞阶段,后续将进入高频率发射阶段,商业发射工位运营模式亟待建立。在保持现有发射场资源国有性质的前提下如何更好地服务商业航天发射是商业火箭发展必须解决的问题。反观,美国率先实现了NASA和军方的发射服务设施对商业发射开放。SpaceX和蓝色起源都选择租用现有发射工位并进行改造来进行商业发射。其中SpaceX于2014年与NASA签订了独家租用20年肯尼迪航天中心39A号工位的合同。NASA未透露出租发射工位的价格,但明确表示SpaceX自行承担设施维护和运营费用。Rocket Lab则投资2000万美元自建商业发射场。
4. 卫星发射市场增长迅速,中大型液体火箭将是发射缺口亟需的必备补充
4.1. 全球卫星发射市场:商业发射占比逐年提高
2018年,全球航天运输领域的发射活动十分活跃,自1990年以来,首次超过100次发射纪录,共执行114次发射任务,相比2017年的91次多出23次。114次发射中,111次成功,1次部分成功,2次失败,成功率为97.4%。全球各地区火箭发射次数分别为:中国(39次)、美国(31次)、俄罗斯(20次)、欧洲(8次)、印度(7次)、日本(6次)、新西兰(3次)。中国火箭发射次数首次超过美国,位居全球第一。截至2019年1-5月,全球运载火箭发射次数为36次,同期2018年1-5月,全球运载火箭发射次数为47次。
据美国卫星产业协会(SIA)统计,2012-2018年期间,航天发射的市场空间逐年递增,2018年更是达到62亿美元,增长34%,占航天产业收入的2%。
4.2. 新航天市场孕育多种应用方向,以通信、遥感、导航等为代表
卫星应用方向更加多元化。如今卫星应用已经不局限于军用需求,方向不断增多,以通信、遥感、导航等为代表,不断融合行业和消费应用,相应带来了更大的卫星需求。比如随着移动卫星通信和地面移动通信等技术的发展,卫星通信系统与5G相互融合,天地一体化成为全球信息网络建设的重要趋势。根据2017年美国卫星产业协会(SIA)发布的第20版卫星产业年度报告,全球卫星数量由2012年的994颗卫星增长至2016年的1459颗。而在轨卫星中数量最多的是包括通信卫星在内的商用卫星和对地观测卫星,分别占比35%和19%。根据航天科技2019年1月颁布的航天蓝皮书,新航天市场孕育了数据通信、广播电视、教育培训、应急管理、国土遥感观测、海洋监测等11种卫星应用方向。
卫星通信方面,传统的卫星广播正在向卫星宽带互联网转变,高通量、卫星移动通信等蓬勃发展。卫星通信是利用卫星中的转发器作为中继站,通过反射和转发无线电信号,实现两个或多个地球站之间的通信。卫星通信具有抗毁性强、覆盖范围广、通信距离远、部署快速灵活、通信频带宽、传输容量大、性能稳定可靠、不受地形和地域限制等优点,可以实现有线电话网和地面移动通信网均无法实现的广域无缝隙覆盖,将在未来逐步占据主导地位。未来互联网需要构建和融合两个基本通信网络:由地面蜂窝网络组成的局域网部分和由卫星网络组成的全局网部分。
高通量卫星应用推广将是卫星行业增长爆发点之一。
高通量卫星主要使用Ka频段,其技术特征包括多点波束、频率复用、高波束增益等,因此具有更大的通信容量、更低的单位宽带成本以及更加灵活的终端设备等,并将有效推进基于卫星通信的互联网应用,市场应用将更为侧重于流量数据通信端,宽带接入、船载、机载、车载通信有望成为主要的应用领域。2017年4月,中国实践十三号卫星在西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭成功发射,中星16是我国首颗高轨道高通量通信卫星;后续中国卫通计划2019年发射中星18号高通量卫星,届时将实现卫星互联网对我国全疆域的覆盖,2021年发射2颗超大容量静止轨道高通量卫星,在增强对国土海洋覆盖的同时,实现一带一路覆盖;其积极推进低轨星座实验和建设,构建静止轨道高通量卫星与低轨互联网星座相结合的全球覆盖、天地融通、随遇接入、应用丰富、安全可靠的卫星互联网体系。
高、低轨卫星移动通信系统要协调发展。根据卫星运行轨道不同可以把全球主要卫星移动通信系统分为同步轨道卫星移动通信系统(高轨卫星移动通信系统,代表是海事系统和Thuraya系统等)和非同步轨道卫星移动通信系统(主要是低轨卫星移动通信系统,代表是铱星、全球星和Orbcomm系统等)。
1)天通打造中国版的海事卫星。中国天通一号01星是由航天科技集团五院负责研制的我国首颗移动通信卫星,其成功发射标志着我国进入到了卫星移动通信的手机时代,填补了国内空白。“天通一号”实现了我国领土、领海、一岛链以内区域覆盖,可同时支持250万用户同时使用;除军用通信以外,可广泛应用于个人通信海洋运输、远洋渔业、航空救援等各个领域,预计终端需求200万台,市场容量277亿元。18年5月首次面向商用市场开放天通一号专用“1740”号段,民用主要由中国电信负责运营,标志着我国自主卫星电话正式开启商用。未来,我国还将发射多颗天通一号卫星,进一步提升卫星移动通信服务容量和覆盖区域,形成星地一体融合的区域移动通信体系,实现卫星移动通信的规模化应用和运营,为国家‘一带一路’战略搭建重要的支撑平台。
2)低轨卫星移动通信发展是大势所趋。目前全球绝大多数卫星通信系统都采用GEO卫星作为整个系统的终极平台。由于轨道资源有限,地球同步轨道卫星只能在一个拥挤的环境下工作;此外地球同步轨道通信卫星传输时延大,一般为500ms左右,而低轨卫星高度大大降低带来的主要优势之一是时延大大缩短,新兴低轨通信星座大都能够实现50ms以内的时延,与地面光纤网络相当,这也使其可以支持在线游戏或视频聊天等基于实时或近实时数据传输的应用。与大卫星相比,单颗小卫星成本较低,易于批量生产,发射的选择也更多,可以搭载发射,也可以专门一箭多星发射,多颗小卫星组网也可以实现甚至超出单颗大卫星功能和性能,现在不少遥感卫星、低轨道通信卫星都选择小卫星以及微小卫星平台。如下是一些有代表性的中低轨道卫星通信系统的基本情况,其中前5个提供窄带移动业务,后2个是提供宽带业务,但至今真正发射组网并进行运营的只有三个,即铱(Iridium)、全球星(Globalstar)和轨道通信(Orbcomm)系统。
卫星遥感方面,近年来商业微型卫星的市场关注度逐渐攀升。卫星遥感是获取空间地理信息的重要手段,承载了国防、自然资源、交通、气象、海洋、环保、应急等众多行业应用,并提供了不可或缺的重要技术支持,呈现出快速发展态势。据BryceSpaceandTechnology最新数据显示,2012-2017年全球共发射495颗商业微型卫星,其中应用于遥感的商业微型卫星达到430颗,占比超过了85%。
中国在商用遥感卫星处于后来者和追赶者的角色。目前我国在轨的遥感卫星总数超过50颗,卫星数量不断攀升,逐步形成了高分、风云、资源、海洋等国家遥感卫星系统,但商业遥感卫星程度依然较低,而各国各行各业对利用卫星遥感图像来获取高质量的地理空间数据的需求日益增加,以及大数据、云计算等技术的崛起,遥感商业化应用发展将不断深入。目前我国也涌现了一批新兴的商业遥感公司,推动我国遥感产业发展。
卫星导航方面,处于密集发射期,预计2020年将实现全球组网。我国高度重视北斗系统建设,北斗导航系统秉承“先区域、后全球”的总体思路,按照“三步走”的发展战略稳步推进。目前北斗三号已经发射21颗在轨卫星,完成了基本的星座部署及亚太组网,预计将共发射35颗卫星,在2020年将实现全球组网,目前正处于密集发射期。北斗三号由5颗地球静止轨道卫星(GEO)、27颗均匀分布在3个中圆地球轨道上的卫星(MEO)和3颗均匀分布在3个倾斜地球同步轨道上的卫星(IGSO)组成。
北斗三号导航卫星系统旨在打造轻量化、长寿命、高可靠的卫星平台。北斗三号在保留有源定位与北斗短报文特色服务的同时,采用以高精度星载原子钟、星座自主运行等为代表的卫星载荷技术和基于星地链路、星间链路、全新导航信号体制的导航卫星运行控制技术,从而推动了“北斗”系统覆盖范围从区域走向全球,定位精度由10米量级向米级跨越,测速和授时精度同步提高一个量级,可靠性和抗干扰能力大幅提高,并使北斗卫星导航系统与其他系统的兼容性更好;国产化器件占比达到98%。经过在轨测试,北斗三号空间信号用户测距误差预计达到0.5米,系统定位精度将达到2.5米至5米。北斗特色RDSS服务容量提高10倍,用户发射功率降低至1/10,支持手机应用。
4.3. 卫星低轨化、小型化趋势下,星座组网倒逼火箭商业化
卫星发展呈现出低轨化、小型化的趋势。从18世纪至今,全球的卫星发展经历了从传统航天、过渡期再到新航天时代,卫星从大卫星、高轨道、军事应用为主发展至今,小卫星、低轨道、多元化应用成为了大的发展趋势,卫星需求大幅上升。
低轨卫星成为发射市场的主力需求。卫星的轨道高度变低,能够使得传输延时更短、路径损耗更小,多个卫星组成的星座可以实现真正的全球覆盖,频率复用更有效;同时,点波束、蜂窝通信、多址、频率复用等技术的发展也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。因此,低轨卫星系统被认为是最有应用前景的卫星移动通信技术之一。
低轨小卫星的研制周期短、成本低廉,其价值体现在星座组网。从研制周期上讲,小型卫星从立项研制到发射,一般仅需要1年左右的时间;而传统大卫星从研制到发射至少需要5-8年。从研制成本上讲,传统大卫星基本超过5000万美元,而小卫星的研制成本一般低于5000万美元,质量低于10kg时成本不足100万美元。
低轨卫星发展与火箭商业化相互促进、相辅相成。星座规模的不断变大,导致卫星需求大幅提升,从而带动了火箭发射需求的上升。然而当前国家队火箭的运力并不足够支撑需要发射的卫星数量,供需矛盾倒逼火箭商业化。同时,卫星的低轨化、小型化也为火箭商业化提供了可能,其对于运载工具的要求也呈现出一个逐渐放宽的趋势,使得一些商业公司有能力去进行研发和发射。根据欧洲Euroconsult公司2018年发布的未来十年小卫星市场预测可以看出,未来十年将要发射的7000颗小卫星估计共将带来380亿美元的卫星制造和发射业务,几乎是过去10年的5倍。而从发射成本来看,过去10年,送1kg卫星进入太空的成本是13.75万美元,未来10年,这个成本要减去近80%,至2.91万美元/公斤。发射成本的降低为许多商业运载火箭创业公司创造了机遇。
4.4. 商业航天发展对保频占轨意义重大,也是实现快速空间响应作战的捷径
卫星的频段、轨道等可用资源有限且有优劣之分,供需矛盾突出。卫星频段由于存在传播损耗,不同的频段传播损耗不同,其中在0.3~10GHz频段间损耗最少,在30GHz附近频段损耗也相对较小,各类卫星应用主要使用这些频段。卫星运行的轨道位置有对地静止轨道、低轨道位置以及中轨道位置等,资源是有限的,并且受天线接收能力限制,同一频段、覆盖区域相同或部分重叠的对地静止卫星必须间隔一定的距离,比如整个对地静止轨道上的同频段卫星通常不会超过150个,当前静止卫星轨道数量已远不能满足世界各国的需求,此外常用的非静止轨道资源也是有限的。
卫星频率轨道资源供需矛盾日显突出已成为不争的事实,各国纷纷抢占卫星频率及轨位。国际规则中卫星频率和轨道资源的主要分配形式为“先申报就可优先使用”的抢占方式,因此一些国家和组织出于自己利益的考虑,先占领轨道位置及频率而后发射卫星。从国际电联(ITU)的登记情况来看,地球静止轨道上C频段通信卫星已近饱和,Ku频段通信卫星也很拥挤。近年来,包括日本、印度、韩国、马来西亚在内的亚太地区的一些国家,纷纷自行或联合制造通信卫星,抢占轨道资源,各国卫星之间出现常常出现“撞车”而需要协调的情况。据不完全统计,2017-2025年,全球非中国地区预计约有17380颗卫星发射升空,抢占卫星频率/轨道资源,争夺太空优势,已成为当今世界卫星发展领域的热点之一。
商业火箭军用化是实现快速空间响应作战的捷径。快速空间响应体系作战(ORS)源于2003年美国国防部,目标是寻求一种可快速、灵活进入空间、使用空间、保持空间优势的战术相应能力与解决方案,通过优化航天产业结构、制定通用化的生产标准与规范,整合生产力,使航天产品普遍具有高继承性、高通用性、可重用、重构性与可拓展性。其由航天器、空间运载器、基础设施等组成,其中运载器是快速空间响应作战体系的基础和最重要部分,要求能够快速响应、成本可接受,尽可能缩短发射时间、降低发射成本。美国提出了专门设计特殊的运载火箭、改进弹道导弹、利用火箭商业发射系统等三种方式来实现快速空间响应发射,而相比于前两种途径,商业火箭在发射费用、响应时间等方面占据优势,是实现快速空间响应作战的捷径。军队可以按需向商业公司授予商业发射服务合同,由其完成有效载荷发射入轨任务。以SpaceX为例,猎鹰火箭发射费用低于其他火箭价格,虽然在响应时间上还未拉开差距,但其下一个目标将是实现火箭的快速可重复使用,即“在24小时内再次发射”,或将逐步实现ORS要求。
4.5. 供给需求不匹配,卫星发射存在较大缺口,中大型液体火箭将是市场亟需的必备补充
在此对卫星行业分类进行统一定义,中国的卫星共分为两大类:国家队、商业队。具体定义如下:1)国家队:国家控制的卫星公司;2)商业队:国家参与或者纯民营的卫星公司。
第一,从需求端而言,中国以及以欧洲、中东、一带一路国家为代表的国际卫星市场发射市场需求量巨大,推动了国内商业火箭的发展,而中大型液体火箭将是最佳选择。
目前,仅已规划的中国国家队就存在近600颗卫星工程建设需求。世界航天发射活动创造新纪录,中国体制内星座组网提上日程,近年来我国先后启动如行云、鸿雁等一系列的星座计划。若要成功部署这些国家战略层面的卫星工程的前提,最关键的就是具备充足的火箭运力。
1) 行云工程是航天科工四院旗下行云科技计划的航天工程(行情603698,诊股),计划发射80颗行云小卫星,建设中国首个低轨窄带通信卫星星座,打造最终覆盖全球的天基物联网。
2) 虹云工程是航天科工五大商业航天工程之一,脱胎于 “福星计划”,计划发射156颗卫星,它们在距离地面1000公里的轨道上组网运行,构建一个星载宽带全球移动互联网络,实现网络无差别的全球覆盖。
3)鸿雁全球卫星星座通信系统是航天科技集团提出,将由300颗低轨道小卫星及全球数据业务处理中心组成,具有全天候、全时段及在复杂地形条件下的实时双向通信能力,可为用户提供全球实时数据通信和综合信息服务。2018年下半年将发射“鸿雁”全球卫星通信星座首颗星,预计于2023年建设骨干星座系统。
4)“高景卫星星座”是中国首个全自主研发的商业遥感卫星星座,“16+4+4+ X”系统是由16颗0.5米分辨率光学卫星、4颗高端光学卫星、4颗微波卫星以及若干颗视频、高光谱等微小卫星组成的0.5米级高分辨率商业遥感卫星系统,是国内首个具备高敏捷、多模式成像能力的商业卫星星座。
我们可以从中看出,2021-2025年是中国卫星发射市场的爆发期;星座轨道都在LEO轨道面;单星质量都在100kg以上。我们按照单星质量*星座规模测算,国家队需要发射低轨卫星560颗,总重量近216吨;单星质量均在百公斤级以上,而在进行百公斤级的卫星的“一箭多星”发射任务上,只有中型或者大型火箭才能完成,而大型火箭运力过于冗余,发射百公斤卫星效益不高。
军民融合等国家政策发力,商业卫星计划遍地开花。卫星产业是典型的军民融合行业,2015年国家出台《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025)》大力支持商业卫星产业。在民间资本的助推下,各民营公司也迎着卫星产业发展的热潮,推出了各自的星座计划。不完全统计,根据已公开的星座计划,商业队卫星工程需要发射2458颗卫星,总重量约385吨。
欧洲市场火箭难以自足,中国火箭将弥补其短板。不完全统计,根据欧洲卫星公司已公布的星座计划,需要发射1354颗,总重量约237吨。但相比于2018年中国火箭发射数量全球占比34%,欧洲火箭发射数量仅占不到10%,难以满足欧洲卫星的发射需求。欧洲卫星需求多,但是火箭少,所以受限于欧洲有限的发射能力,需求不满足时,其只能去找欧洲以外的火箭来发射。欧洲最大的三家卫星制造商ISIS、GOMspace、AACspace均有在中国发射过的经验,不存在ITAR限制的问题,近几年开始积极寻求与中国火箭发射商的合作机会。
欧洲、中东及一带一路国家等国际市场亦为国内火箭发展带来新机遇,国家队火箭和民营运载火箭在策略上有所差别。“一带一路”沿线国家的卫星产业建设水平参差不齐,并非所有国家都像中国一样拥有如此强大的蜂窝网络。老挝、巴基斯坦等国有从中国采购卫星的传统,埃塞俄比亚、尼日利亚和苏丹也都从我国采购过卫星,未来将有机会与这些国家继续合作。在商业航天出现之前,我国针对“一带一路”沿线国家的策略是用一揽子的解决方案(包括金融、发射、卫星、运营)完成GEO通信卫星或LEO遥感卫星的在轨交付服务,主要由航天科技集团的长城工业总公司提供,而GEO通信卫星等并不是国内民营火箭公司的策略市场。
由于ITAR的限制及美国Space X及蓝色起源等商业火箭公司的兴起,虽然美国卫星发射市场较大,比如SpaceX、Boeing、Oneweb等十几家企业提交了非静止轨道的市场准入申请,这部分市场并不是国内商业火箭公司能切入的市场。民用火箭公司潜在市场主要在中东地区和欧洲地区等。2017年1月,蓝箭航天与丹麦Gomspace公司签订火箭发射服务协议,蓝箭航天将发射GomSpace的立方体卫星群。这是我国民营航天企业承接第一笔国际商业火箭发射订单。2019年4月,第二届“一带一路”国际合作高峰论坛“,蓝箭航天同时与英国Open Cosmos和意大利D-Orbit公司正式签订合同,签约项目涉及立方星发射、在轨交付等内容,合同累计金额过亿元人民币。蓝箭航天将为Open Cosmos研制的立方星群提供发射服务,双方通过整合立方星研制和发射等航天技术服务,联合为中英双方商业航天市场提供立方星相关的高度集成的一揽子工程技术服务。意大利D-Orbit公司将采用蓝箭航天自主研制的“朱雀”系列运载火箭,为前者研制的立方星智能分配系统提供涵盖多项工程服务的一站式商业发射解决方案。蓝箭航天与欧洲公司的正式合同签订,标志着国内民营火箭公司在研发研制、市场销售、发射服务等整个链条完成了商业化闭环。
第二,从供给端,体制内火箭运力余量有限,商业火箭公司或将成为必备补充。
体制内火箭运力余量不足,尤其是LEO运力。在未来组网爆发期期间,仅仅搭载“拼车”,无法满足卫星轨道面的定制化需求。根据公开信息来看,未来两年中国体制内的火箭,LEO轨道上的运力余量是十分有限的。
国家队每年发射量仅能每年能将40吨载荷送入LEO轨道。统计国家队历年发射中非政府军方发射性质的最大次数,得出其每年用于商业发射的最大运力,即单发火箭的最大LEO运力*历年最大非政府/军事发射次数=每年国家队火箭商业发射的最大运力供给。根据公开数据及草根调研,国家队非政府/军事用发射次数到2017年显著增加,按照每款箭型最大发射次数,累计最多年14次。按照每款箭型,最大运载能力,这些发射每年总共最多能够将40吨载荷送入LEO轨道。
按照国家队火箭当前运力,完成现阶段已经公开的国家队+商业队卫星工程需要近15年时间。采用保守测算,可以看出,如果供给端将体制内火箭最大运力全部用来进行商业发射,需要近15年才能把中国国家队和商业队卫星全部发射完成。
商业航天发射卫星所处轨道大多为近地轨道与太阳同步轨道,除导航卫星和一些专项卫星外,多以微小卫星为主。因此,以中大型火箭为主,及部分可承接订制订单的小型火箭的民营商业未来面临广阔的增量市场。但在低轨组网的趋势下,低轨卫星在轨生命周期短(3-5年或5-7年),一旦开始组网,就开始折旧,卫星公司为了尽快实现服务能力,就必须尽可能在最短的折旧期内,把所有的卫星打上去。所以,最佳发射窗口周期将集中在未来5-7年内。
1) 如果按照5年的履约周期,在充足的国家队火箭供给运力(每年40吨)下,601吨的卫星重量,每年会有80吨的运力缺口,则每年需要20发LEO运力在4吨的中型火箭。
2) 如果按照7年的履约周期,在充足的国家队火箭供给运力(每年40吨)下,601吨的卫星重量,每年会有46吨的缺口,则每年需要12发LEO运力在4吨的中型火箭。
3) 供给端,以上仅是对于体系内火箭供给的理想假设,实际上本身国家箭型都有自己的定位和适合轨道,不是所有箭型都最适合打低轨组网,实际的供给运力会更少
4) 需求端,这里采用了保守的测算,仅计算了中国已公开的规划星座,如果算上规划中的欧洲市场以及正在规划的中国其他卫星工程,每年中型火箭的需求预计达到25-40发。
体制内火箭的运力供给与体制内卫星工程运力需求存在缺口,因此民营公司火箭可以成为运力上的必备补充。需要强调的是,国家队的卫星单颗质量在百公斤级别,只有中型和大型火箭才能满足百公斤级别的卫星“一箭多星”发射,而对于小型火箭公司转做中大型火箭,可能需要至少3-5年的研发和生产周期。而2020年-2027年对于全球的低轨卫星公司来说,是密集组网、竞争最激烈的时期,也是火箭公司的黄金窗口期。商业火箭是全球竞争市场,窗口期来了,而火箭还没有准备好,卫星公司就存在其他替代选择,因此谁能在这个时间段内最早推出能满足市场需求的箭型,谁就能最早吃到市场和政策红利。只有在这个时间窗口率先推出符合市场需求的火箭公司,才能真正脱颖而出。
5. 国内商业火箭公司多视角比较及估值对标
5.1. 多视角下看国内商业火箭公司发展
我们在上文中对国内主要的商业火箭公司做了简要介绍,目前各家商业火箭公司在人员规模、产品定位、研发进度、融资进度上各有不同,综合看,未来的商业火箭发射市场竞争会比较激烈,尤其是在固体小火箭领域还面临强劲的航天集团的两大火箭公司,整体上预计未来随着资源和人才向头部商业航天公司的集中,会出现头部先发优势壁垒越来越高的趋势。
1)人员专业配置来看,运载火箭研制所需的人才及专业配置要求非常高,相关专业子条线覆盖了从设计、研发、测试到总装的全流程超20个子系统。商业航天领域相比人工智能、机器等科技领域截然不同,国内市场和公司是从无到有的过程,核心技术和人才资源之前基本都聚集在传统航天产业链中,人员专业配置的背后其实是火箭人才的竞争,航天人才的优势十分突出,能够有完整研制能力的团队在全世界亦凤毛麟角,只有掌握核心技术人才才能保证火箭的快速、顺利推出,而可供选择的航天核心人才也是有限的,其中又以液体燃料火箭发动机的人才最为紧缺。
目前蓝箭航天各专业子条线齐备,已覆盖从设计、研发、测试到总装的全流程,专业配置优势突出。各公司人员专业配置齐备程度的巨大差异,一是因为成立时间,成立早的公司具备人才获取的先发优势;二是因为研制进度,研制进度慢的公司尚不需要测试生产等团队配置;三是因为内部稳定性,因技术路线变化或团队内部原因,人员配置规模和结构可能出现波动。因此,成立早、研制进度快、技术路线坚定、内部稳定的公司,在人才配置上将具备先发和领先优势,而人才优势一旦建立,将自然愈发巩固,难以被轻易赶超。
2)从产品角度看,固体小火箭未来竞争激烈,中大型液体火箭需要及早卡位并争取身位优势。不同战略或路线的火箭制造商路径差异主要体现在发动机、燃料、大小,基础设施保障等,这些差异也在一定程度上揭示了民营火箭的发展趋势。首先从固体和液体燃料火箭讲起,我们在上文中也对固体、液体燃料火箭各自的优势劣势做了对比。我们汇总分析目前国内所有的商业固体燃料火箭进行对比看,产品运载能力基本集中在近地轨道300kg左右,主要瞄准商业微纳卫星组网和小卫星补网市场,未来符合该运力的箭型将有十几型,面临的竞争将非常激烈,此外还又固体燃料属于火工品国家严格管控,民营企业较难拿到生产资质,意味着对上游把控能力较弱,与航天集团均有自己的固体燃料生产厂家来看,会面临较大产业链条上的挑战。
目前民营火箭公司中研发中大型火箭的仅蓝箭航天一家公司,其选择液氧甲烷发动机作为主攻方向且进展最快,80t液氧甲烷火箭发动机“天鹊”(TQ-12)于2019年5月17日全系统试车成功。“天鹊”发动机由蓝箭航天自主研发,是世界上第三型大推力液氧甲烷发动机。同时,专注于动力系统研制的九州云箭、宇航推进等分系统公司也在快速突进液氧甲烷发动机的开发。
5.2. 商业火箭公司做到低成本是核心竞争力
影响整个运载火箭的发射成本的因素非常多,总体上来说运载火箭发射成本包含火箭成本、发射成本、测控成本以及保险产生费用。根据SpaceX公布的猎鹰9号发射成本结构,火箭成本占发射总成本的53%,占比最高;根据火箭规模的不同,国内租用发射场、地面设备以及加注推进剂等发射成本在500万-1000万;租用测控船的价格高达千万量级,租用测控站价格仅为百万量级,民营火箭公司受制于资金因素,现阶段都会租用测控站;保险成本占整枚火箭发射费用的5-20%,保险费率主要取决于火箭发射成功率。在一次发射运载火箭的成本构成中,火箭成本占比最高且是民营火箭公司唯一可控成本。
目前,商业航天模式显著降低了航天成本,性价比大为提高。以SpaceX为例,5枚猎鹰1火箭、2枚猎鹰9火箭和1艘龙飞船的研制及发射费用总计不到8亿美元,其中,猎鹰9火箭仅花费3亿美元,远低于美国空军改进型一次运载火箭。在商业发射市场,猎鹰9火箭的商业发射报价仅为5000万美元,将商业卫星发射的价格拉低了一个数量级,甚至低于素以低价著称的中国长城(行情000066,诊股)公司,迅速占领了商用发射市场。我国国内火箭公司也提出了把发射价格降至5000~6000美元/千克、中高轨道单位发射价格降至8000~1万美元/千克的目标。如何做到降低成本将成为国内商业火箭发展的核心竞争力。
5.3.国内民营火箭企业产业化与商业化的前提:建立火箭研制生产的核心保障能力和优质的供应链体系
运载火箭,作为一个高度系统集成的、特殊的高端装备制造产品,其产业化与商业化之路也必然遵行制造业发展的客观规律,即必须建立起火箭研制生产的保障能力和优质的供应链体系。
1)研制生产核心保障能力:自主可控“试车台+总装厂”是保障发动机研制和批产的必要条件
火箭研制生产保障能力,主要指的是极其重要且必须企业自主可控的两个基础设施:试车台和总装厂。
试车台:保障发动机研制和顺利批产的必要条件。火箭发动机领域常说一句话:真正的发动机是试出来的。一款液体发动机的研制,需经过至少11种试车类型,2万秒试车时间,50-100次的试车次数。发动机试车是在专业试车台上完成的,是火箭发动机必不可少的生产试验设施,从时间保障、研发成本和技术机密等三个原因来看,拥有自主可控的试车台是非常必要甚至是唯一选择。(i)时间保障:体制内试车台优先国家任务且目前任务已非常饱和,根本无法保证民营企业技术研发阶段的大量试车需求,甚至存在试车延期等不可控因素,自主可控试车台不仅时间可以自己掌控,而且可以实现24小时全天候高效试车,这是体制内试车台所不具备的条件;(ii)研发成本:如果选择租用体制内试车台,单次试车费用看似尚能接受,但是若要完成全部几十次的试车,总租金其实已经超过自建试车台的费用,而这只是一款发动机的研制阶段,长期来看,企业需要多款发动机研制,且每台发动机出厂都需要校准试车,试车任务量极大,所以自主可控试车台是保障发动机研制和顺利批产的必要条件;(iii)技术机密:如果选择租用体制内试车台,则试车台现场可以直接获取到发动机设计结构和详细性能指标,核心技术机密是一家火箭企业赖以生存的生命线,没有自主可控的试车台,企业就没有了核心技术的保护屏障。
总装厂:火箭和发动机大规模商业化生产的基础保障。总装厂是运载火箭和发动机进行大规模商业化生产的基础保障,没有总装厂的企业,研制和生产将存在极大的脱节风险。
如果民营火箭公司试车台和总装厂二者都没有,意味着距离真正的技术迭代和产业化商业化阶段,还有很长的一段路要走。
从全球来看,最领先的SpaceX和蓝色起源都拥有自己的试车台和总装厂。SpaceX目前已建成3个试车台,计划总共建造7个试车台,并且拥有52000平研发总部和总装基地。蓝色起源投资2亿美元建造70000平火箭生产工厂。强大的试车台和总装厂等研制生产保障设施,是SpaceX和蓝色起源快速实现技术研发和产品化的重要先决条件。
从国内来看,体制内公司占据主导。体制内的所有试车台,全部归中国航天科技集团公司第六研究院所有,分布在三个地区。蓝箭航天拥有目前体制外唯一的试车台和总装厂。
2)供应链能力:通过新产业深度融合,实现新技术突破,打造全新航天工业生态系统
商业航天和民营火箭所需的优质供应链,是一个全新的工业生态系统。商业航天的优质供应链,需要通过创新性地引入原先航天领域以外的供应商,进行新产业、新技术和新工艺的深度跨界融合,(比如全三维数字化设计、3D打印、机器人激光焊接、数字化弯管等先进技术和工艺),最终实现产品质量和生产效率显著提升,从而打造全新的航天工业生态系统。
因此,任何一家民营火箭公司,从初创阶段走向产业化、商业化阶段的前提是:必须具备自主可控的试车台和总装厂等研制生产保障设施,以及优质和创新性的供应链体系,二者缺一不可。
5.4. 国内商业航天估值对标,参考SpaceX的里程碑式估值
由于目前国内的商业火箭更多处于早期研发投入阶段,缺乏成熟的商业模式,多数公司并没有现金流入,订单也更多以意向订单为主,因此估值较难采用未来现金流折现等方法。截止2019年6月,SpaceX估值已达333亿美元。我们认为,相关公司可通过参考SpaceX采用里程碑式的估值方法。
1) 2008年其完成D轮融资,投后估值5亿美元,其后猎鹰1号成功发射并进入地球轨道,并于同年12月获得NASA价值16亿美元的商业补给服务(CRS)合约。
2)2010其完成F轮融资,投后估值10亿美元。同年,猎鹰1号第5次发射,SpaceX成为第一个将商业卫星(RazakSAT)送入地球轨道的私人公司;猎鹰9号V1.0版首次发射。
目前国内蓝箭航天、星际荣耀、零壹空间等公司走在商业火箭发展的前列,经过多轮融资,估值均处于30-40亿之间,但发动机及火箭发射节奏有所不同,关注相关公司布局,尤其关注其核心发动机进展(半系统、全系统试车等)、首枚火箭进展(运载能力、固液、是否入轨等)、后续订单等。此外,由于部分公司在火箭关键部件拥有核心技术,后续亦有可能带来较多订单,推动公司盈利能力的提升。
综上,我们认为:商业航天是一个全新的行业,与传统航天存在很大的不同,商业航天不是简单的将产品推向商业市场,而是采用全新模式重构商业要素和商业模式。民营火箭是一个有政策红利的增量市场,最核心的行业发展背景是在国家军民融合战略下,从国家层面支持商业火箭规范有序发展,充分发挥高效现代的企业运营模式,注重前期研发投入,充分引导社会资本的参与,减轻国家负担同时增强创新能力,同步孵化民用/商用市场的需求,满足国家对火箭的战略刚需。
行业内“固液之争”答案将更加清晰,液氧甲烷发动机是商业火箭发展趋势,阶段性的竞争仍将立足于谁能够在大推力液体火箭发动机研制上取得先发优势,以及在液体火箭产品上取得产业化与商业化的领先优势,从而在2021年有中大型产品可以推向市场。2020年-2027年预计将是是全球低轨卫星密集组网、竞争最激烈的时期,也是火箭公司的黄金窗口期。商业火箭是全球竞争市场,谁能在这个时间段内最早推出能满足市场需求的中大型液体箭型,谁就能最早吃到市场和政策红利,谁才能真正脱颖而出。国际市场的开拓能力,也成为民营火箭企业商业化能力的重要体现。是否具备自主可控的试车台和总装厂等研制生产核心保障设施,以及优质和创新性的供应链体系,将很大程度上决定民营火箭公司能否真正从初创阶段走向产业化、商业化阶段。
民营火箭公司的先发优势壁垒也将越来越难以超越。1)成立早、研制进度快、技术路线坚定、内部稳定的公司,在人才配置上将具备先发和领先优势,而人才优势一旦建立将自然愈发巩固,难以被轻易赶超。2)从产品角度看,固体小火箭未来竞争激烈,中大型液体火箭需要及早卡位并争取身位优势。
6.风险提示
供应链和研制生产保障能力出现瓶颈、运载火箭发射失利风险、商业卫星星座建设不达预期、商业发射服务订单不达预期。
成员介绍
■冯福章,北京科技大学博士,安信证券副所长、军工行业首席分析师,2007年进入证券行业,一直从事机械和军工行业研究,2014-2017年连续四年新财富军工第一名。
■ 张傲,中国人民大学硕士,2015-2017年新财富军工行业第一名团队核心成员。
■花超,上海交通大学硕士,六年航天某总体部工作经历,从事防空武器系统论证与总体设计工作。