資料來源：Historic Spacecraft，Dolphin Research
資料來源：Wikipedia，Dolphin Research
2008 年，F(xiàn)alcon 1 第四次發(fā)射終于成功，同年 SpaceX 獲得 NASA 的 16 億美元的商業(yè)補給服務(wù)合同。
圖：Falcon Family
資料來源：Historic Spacecraft，Dolphin Research
2、Falcon 9 實現(xiàn)一級可回收
Dragon 在 2010 年隨 Falcon 9 的首飛而成功入軌并回收，2012 年，Dragon 成功與國際空間站對接并返回。自此 SpaceX 真正成為 NASA 的核心承包商。
2014 年，Starlink 被正式立項。何為 Starlink？我們后面再談，核心是，SpaceX 認為這個項目能夠為公司提供長期現(xiàn)金流，當然它是以可回收火箭技術(shù)為前提的，而之后，這個項目也確實成為 SpaceX 至今最主要的現(xiàn)金流來源。
圖：the Location of Starlink in Orbit Around the Earth
資料來源：ABC，Dolphin Research
2015 年，F(xiàn)alcon 9 火箭一級在發(fā)射后終于成功實現(xiàn)陸上回收。
Falcon 與傳統(tǒng)火箭的最主要區(qū)別在于一級可回收。
在火箭整體成本當中，火箭主體的制造成本是占比較高的一部分，而燃料成本占比其實并不高。
從結(jié)構(gòu)來看，主流液體燃料火箭一般采用二級推進結(jié)構(gòu)，從上到下大體可大體分為整流罩、二級推進器、一級推進器幾部分，其中一級推進器往往成本占比最高。
火箭在發(fā)射過程中，一級推進器先點火，待火箭被推進至遠離稠密大氣層的高空中之后，一二級分離，二級發(fā)動機點火接替工作（此時整流罩也已脫落），最終將有效載荷（比如衛(wèi)星）推進至預定軌道。
圖：火箭二級推進結(jié)構(gòu)工作原理示意
資料來源：Head for Space，Dolphin Research
為什么要采用這種分級架構(gòu)呢？主要有兩點：一是通過逐級減少重量來最大化效率，比如一級推進器拋掉后可大幅降低火箭重量；二是可以使得發(fā)動機進行專門化設(shè)計，因為發(fā)動機在稠密大氣層 vs 真空環(huán)境中所適合的結(jié)構(gòu)是不同的，簡單來說，一級發(fā)動機的噴管要設(shè)計得相對短粗，而二級的真空發(fā)動機噴管則呈現(xiàn)出長大的鐘形。
圖：海平面版與真空版火箭發(fā)動機的區(qū)別
資料來源：Embry-Riddle Aeronautical University，Dolphin Research
由此我們可以理解，將一級推進器多次回收利用，降本意義是顯著的（具體我們會在后文進行測算）。
3、向徹底的可回收邁進
2016 年，F(xiàn)alcon 9 一級在海上無人船平臺成功回收。海上回收的意義在于大幅提高火箭回收的靈活性，尤其適用于高軌道發(fā)射和重型載荷任務(wù)。
圖：Falcon 9 一級在海上無人船平臺實現(xiàn)回收
資料來源：SpaceX，Dolphin research
2017 年，SpaceX 首次使用回收的舊火箭成功發(fā)射衛(wèi)星，火箭復用進入實際的工程應(yīng)用階段。同年，SpaceX 的商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射次數(shù)成為全球第一。
2018 年，目前最新火箭 Starship 的原型機 Starhopper 火箭開始生產(chǎn)并進行小規(guī)模短距離實驗。
Starship 瞄準的是可完全復用，也就是說，不只是一級，二級也要實現(xiàn)可復用，同時大幅提高運載能力，目標是將近地軌道發(fā)射成本降低至 100 美元/kg，這可以使得火箭發(fā)射成本再次實現(xiàn)數(shù)量級的降低。
2020 年，龍飛船運送兩名宇航員到達國際空間站，標志著 SpaceX 載人能力的實現(xiàn)。
2021 年及之后，Starship SN 原型機、Starship V1、Starship V2 持續(xù)推進測試，到目前為止，已經(jīng)實現(xiàn)一級助推器 “筷子” 捕獲，并且對二級助推器垂直海上濺落進行了測試。
目前 V3 版本已經(jīng)完成地面測試，2026 年 3 月預計將進行首飛測試，V3 版本主要攻克回收技術(shù)，以及測試軌道加油，而軌道加油是實現(xiàn)深空探索的重要技術(shù)基礎(chǔ)。
圖：Starship 一級進行 “筷子” 回收
資料來源：SpaceX，Dolphin research
4、Falcon 9、Starship 分別可降低多少成本？
這里我們做個測算：
考慮到火箭成本缺乏公開披露的精確資料，以上測算以估測為主，僅供參考。
我們可以看到，F(xiàn)alcon 的成本優(yōu)勢一方面來自市場化和全產(chǎn)業(yè)鏈自研自產(chǎn)所帶來的綜合降本，一方面來自一級重復使用，不過，一級重復使用所帶來的降本所產(chǎn)生的降本效果并未帶來成本在量級上的變化，而未來如果 Starship 的全部可復用以及更高的復用次數(shù)實現(xiàn)，那么火箭發(fā)射成本將進一步實現(xiàn)量級上的降低。
圖：全回收火箭發(fā)射和回收過程示意
資料來源：Space AI Leveraging Artificial Intelligence for Space to Improve Life on Earth，Ziyang Wang，Dolphin Research
火箭發(fā)射的下游需求有什么？對于 SpaceX 而言，可以簡單劃分為幾類：SpaceX 自己的 Starlink、商業(yè)衛(wèi)星訂單、以及美國政府和軍方訂單，這是目前 SpaceX 訂單的主要構(gòu)成部分；除此之外，還有未來可能會有的，比如市場熱議的太空算力。
這里我們不對上述提到的這些需求做全景式的掃描，但我們想尋著一條主線，把事情的前因后果想清楚。
近期 SpaceX 即將上市的消息使得資本市場對商業(yè)航天尤為關(guān)注。
這里會讓人產(chǎn)生疑問，此前馬斯克多次講過，他并不想讓 SpaceX 上市，因為資本市場對短期盈利的追逐會迫使 SpaceX 放棄自己的長期使命，那么這些風險在當前未曾變化，但馬斯克卻著急想讓 SpaceX 上市，那么大概率是某些其他的現(xiàn)實因素發(fā)生了變化。
想搞清楚這一點，最重要的是看一下馬斯克本人是怎么想的。
通過馬斯克最近在公開場合的一些表述，我們基本可以理解馬斯克的邏輯：
1、最大變化來自于算力瓶頸
（1）技術(shù)的融合：太空探索需要 AI
在馬斯克的未來技術(shù)藍圖之中，包括 AI 在內(nèi)的信息技術(shù)可以提升人類的 “軟件” 效率，而人形機器人等技術(shù)可以提升物質(zhì)生產(chǎn)的 “硬件” 效率，他認為這兩者在不久的將來會融合，然后能夠?qū)⑷祟愇拿魍葡蛞粋€全新的階段。
在馬斯克的商業(yè)版圖當中，他布局了智能駕駛，此后把重心轉(zhuǎn)向人形機器人；布局了腦機接口；曾參與創(chuàng)立 OpenAI，后來又創(chuàng)立 xAI；收購了 Twitter；再者就是在太空領(lǐng)域創(chuàng)立了 SpaceX，等等。馬斯克在這些關(guān)鍵領(lǐng)域下注之后，未來的主要目標就是嘗試將他們?nèi)诤掀饋怼?/p>
最近 SpaceX 宣布合并 xAI，正是體現(xiàn)了這樣的融合。
（2）如何理解這種融合？舉個簡單的例子——
受到科幻作品的啟發(fā)，馬斯克的宏偉目標是使人類成為跨星球物種。這樣的概念啟發(fā)自蘇聯(lián)天文學家卡爾達舍夫，他提出 “Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型文明” 的概念，其中 “Ⅰ型文明” 能夠掌控行星能源，“Ⅱ型文明” 能夠掌控恒星能源，跨行星生存意味著人類有機會實現(xiàn) “Ⅱ型文明”（盡管現(xiàn)在 “Ⅰ型文明” 都還沒有實現(xiàn)）。
為什么馬斯克希望人類盡早成為跨星球物種呢？他認為這能夠使得人類的文明能夠更長地延展下去。這很容易理解，一個長期困在一顆行星上的文明，脆弱性自然很高，一旦地球遭遇毀滅性的災(zāi)難，人類文明就將煙消云散。
同時，科幻作品也賦予了馬斯克深刻的求知欲，他想要搞清楚宇宙的秘密，那么如果人類困在一顆小小的星球上，自然也更難以實現(xiàn)科技的跨越，距離世界的真相可能始終保持遙遠。
那么也就能理解，為什么馬斯克如此重視火星探索。上文談到，SpaceX 開發(fā) Starship 的主要任務(wù)之一就是前往火星。在他的構(gòu)想里，要實現(xiàn) “火星移民”，需要 Starship 的能力。
與此同時，在他的構(gòu)想里，讓人形機器人先行前往火星，相比于讓人類直接前往，是一個更可行的方案，當然，這樣的人形機器人必須具備 AI 能力。
圖：SpaceX 計劃打造的 “火星文明”
資料來源：SpaceX，Dolphin Research
由此，SpaceX，人形機器人，AI 就緊密地聯(lián)系起來了。
（3）AI 的快速發(fā)展和遭遇的電力瓶頸
近幾年人類世界的顯著變化之一就是 AI 技術(shù)的快速發(fā)展，而從以上描述我們可以看到，AI 對馬斯克而言是如何重要。
馬斯克在不同場合多次強調(diào)過 AI 以超出他想象的速度快速進化，那么他志在贏得這場 AI 戰(zhàn)爭，同時他很清楚，贏的關(guān)鍵要素之一，是要比競爭對手更高效地布局算力資產(chǎn)。
那么這就涉及到美國 AI 算力設(shè)施的投資和建設(shè)了，這不是本篇文章的分析重點，但需要了解的一點是：
目前美國數(shù)據(jù)中心建設(shè)的最大瓶頸是能源，包括黃仁勛在內(nèi)也在多個場合，多次談過目前美國的能源瓶頸。簡單來說，算力中心是用電大戶，但美國從輸電網(wǎng)、配電設(shè)施到發(fā)電端建設(shè)都嚴重滯后且短期內(nèi)難以彌補。
（4）于是，能夠率先破解能源瓶頸的，自然有機會彎道超車
那么馬斯克提出了這樣的構(gòu)想：在太空布局數(shù)據(jù)中心。因為太空數(shù)據(jù)中心可以有效破除能源瓶頸。
太空光伏的利用效率遠高于地球，理論上將光伏組件布局在地球同步軌道上，可以實現(xiàn) 24 小時持續(xù)發(fā)電，與之相對應(yīng)，地面光伏的每日有效發(fā)電時間可能不到 4 個小時，同時，在太空中由于無大氣削弱，可獲得的太陽輻照強度也相對更強，并且，很重要的一點，太空數(shù)據(jù)中心不會受到美國電網(wǎng)建設(shè)的掣肘。
想象一下，如果能夠在太空布設(shè)大量光伏面板，看起來是不是有點像美國物理學家弗里曼·戴森所假想的，通向卡爾達舍夫Ⅱ型文明的 “戴森球”！
圖片來自 Gemini
SpaceX 也已經(jīng)開始快速行動起來，馬斯克計劃 SpaceX 在未來 2-3 年內(nèi)開始發(fā)射人工智能衛(wèi)星，近期 SpaceX 向美國 FCC 提交的申請文件，透露出它正在規(guī)劃涵蓋 100 萬顆衛(wèi)星的 “軌道數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)”。與此同時，SpaceX 也在大力布局大規(guī)模太陽能產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)能瞄準 100GW。
這需要極大規(guī)模的資本開支，我們認為這是 SpaceX 當前急于融資的最主要原因。
當然，原因可能并不僅限于此。
2、從外部環(huán)境來說，SpaceX 自身也面臨諸多壓力
（1）先看 Starlink 項目：資本開支繼續(xù)擴張
根據(jù)市場信息，Starlink 貢獻了 SpaceX 約 50-80% 的收入。
Starlink 項目的基本內(nèi)容是，依靠布局在地球近地軌道的大量衛(wèi)星，來建立一個覆蓋全球的衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)。那么這些 Starlink 衛(wèi)星的作用，就類似于傳統(tǒng)地面通訊網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點、交換節(jié)點以及基站。
它的優(yōu)勢是不受地面的地理條件制約，在地球的任意位置都可以使用這個通訊服務(wù)，因為衛(wèi)星可以在地面任意位置上方的近地軌道飛行。
這對于沒有普及地面寬帶的偏遠地區(qū)、航行在海面上的船舶、各類飛行器等，都具備地面寬帶所沒有的獨特優(yōu)勢。
那么 Starlink 與傳統(tǒng)的衛(wèi)星通訊模式有什么不同呢？
典型的一點就是數(shù)量眾多，V1 版本有幾千顆，V2 要幾萬顆，那么如果采用傳統(tǒng)的火箭發(fā)射模式，發(fā)射成本太高，算不過來經(jīng)濟賬，而 SpaceX 這樣的可復用火箭可大幅降低火箭發(fā)射成本，就使得 Starlink 的商業(yè)模式得以跑通。
從現(xiàn)實情況來看，美國的通訊網(wǎng)絡(luò)滯后，一方面地廣人稀區(qū)域缺乏基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，一方面光纖等通訊設(shè)施基建成本高，幾大運營商的壟斷導致寬帶費用較為高昂，這也就是為什么相對于中國，衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡(luò)在美國顯得更有價值。
太空算力還遠，所以 Starlink 是目前實實在在的現(xiàn)金流來源，并且 Starlink 的成熟也是一種背書，更有助于 SpaceX 未來去拿美國政府和軍方的訂單。
這里我們做個測算：
目前 Starlink 項目在役衛(wèi)星主要為 V1 版本（主要是 V1.5 和 V2 mini），正在面臨大量用戶涌入之后帶寬下降，體驗變差的問題，從而抑制用戶增長。
未來 SpaceX 將發(fā)射 V2 衛(wèi)星。從以上測算來看，V2 可使 Starlink 容量大幅提升，但同時也需要巨額投入，例如 V1.5 版本的衛(wèi)星造價 15 億美元，但 V2 版本可能將飆升到 600 億美元以上。
以上測算基于理論假設(shè)，但現(xiàn)實情況是，Starlink 未來將面臨競爭，并不會維持一家獨大的局面，那么上述 V2 的盈利預期可能偏樂觀。
（2）從競爭角度，SpaceX 并非沒有競爭壓力
SpaceX 全球互聯(lián)業(yè)務(wù)正受到貝索斯挑戰(zhàn)，同時中國也在加快進度；同時公司在布局的 D2D 手機直連（通訊衛(wèi)星直連手機）業(yè)務(wù)則受到$AST SpaceMobile(ASTS.US) 等的挑戰(zhàn)。
而頻譜資源和軌道資源都是有限的，且在俄烏沖突中，Starlink 已經(jīng)展現(xiàn)了商業(yè)價值背后巨大的軍事價值，所以軌道和頻譜資源的爭奪不止關(guān)乎商業(yè)價值，還關(guān)系到各國的國家安全。因此當前爭奪頻譜資源和軌道資源具有緊迫性。
關(guān)于行業(yè)的競爭狀態(tài)和競爭對手的布局與進展，我們放在下篇進行討論。
（3）政府訂單的不穩(wěn)定性，以及潛在的政治因素
與 NASA 的合作存在不穩(wěn)定性：此前美國總統(tǒng)特朗普與馬斯克發(fā)生矛盾后，特朗普曾威脅終止 SpaceX 價值數(shù)十億美元的 “政府補貼與合同”，并撤回馬斯克提交的 NASA 局長提名。此后 Starship 多次測試失敗導致 NASA 的 Artemis 計劃推遲，于是 NASA 代理局長重新向 Blue Origin 等競爭對手開放月球著陸器合同。
另外，SpaceX 在推進 Starship 項目時，持續(xù)面臨著來自 FAA 和其他監(jiān)管機構(gòu)的嚴格審查。而 SpaceX 上市之后能夠強化敘事，更加大而不能倒，也許也是其考量之一。
1、美國和中國從實驗角度已經(jīng)取得一些進展
目前有部分企業(yè)和主體已經(jīng)進行了前期布局，基本上都是在實驗階段和技術(shù)驗證階段，主要集中在美國和中國：
2、如果要實現(xiàn)太空算力，會面臨什么瓶頸呢？主要有以下幾個難點：
（1）發(fā)射成本問題
這是 SpaceX 正在著力解決的問題。
按照 Google 論文的計算，如果將衛(wèi)星運送到 LEO（近地軌道）的火箭發(fā)射成本降低到 200 美元/公斤以下，那么太空數(shù)據(jù)中心在經(jīng)濟上將可行。根據(jù)其測算，如果發(fā)射成本在 200 美元/公斤以下，那么通過 Starlink V2 衛(wèi)星的整體成本在 810-7500 美元/kW/年，與之相對應(yīng)，美國地面數(shù)據(jù)中心能源成本在 570-3000 美元/kW/年，兩者在量級上相當。
（2）輻射防護問題
太空中有大量的宇宙射線和高能粒子，會產(chǎn)生 TID 總劑量效應(yīng)和 SEEs 單粒子效應(yīng)，導致數(shù)據(jù)錯誤。
如果想要解決以上問題，就需要給芯片增加抗輻射配置，那么這會增加成本。另外，過去為了減小輻射影響，衛(wèi)星通常只采用較為傳統(tǒng)的芯片制程（制程越大，受輻射影響越?。?，算力遠不能滿足需求，而如果采用先進制程芯片，必須配備嚴格的容錯架構(gòu)，那么這又會影響計算效率。
圖：現(xiàn)有抗輻射處理器與成熟的地面 COTS 的性能表現(xiàn)對比
資料來源：Computing over Space: Status, Challenges, and Opportunities，Yaoqi Liu and others，Dolphin Research
圖：芯片及散熱器布局在光伏面板的背陰側(cè)以減少太陽輻射的影響
資料來源：Tether-Based Architecture for Solar-Powered Orbital AI Data Centers，Igor Bargatin and others，Dolphin Research
不過，根據(jù) Google 論文，他們使用其 V6e Trillium cloud TPU 搭配 AMD 服務(wù)器主機進行 TID 測試，僅 HBM 表現(xiàn)出了較高的 TID 敏感性，在 2 krad（Si）的劑量下表現(xiàn)出失序，但這個數(shù)字也達到了所要求的劑量下限的 3 倍。
除此之外，端到端計算始終能夠保持正常工作。
而在 SEEs 測試中，HBM 以及計算機整體的表現(xiàn)也與 TID 測試類似?？傊鶕?jù)測試，搭配其 TPU 的服務(wù)器在太空環(huán)境中能夠經(jīng)受得住輻射沖擊。
（3）真空散熱問題
我們知道太空中是沒有空氣的，只能靠熱輻射散熱，這個散熱效率極低，目前看相對可行的解決方案是配置流體回路和輻射散熱器。
輻射散熱器通過巨大面積可以補償輻射散熱的低效率，但這會增加成本。同時流體回路相關(guān)相關(guān)技術(shù)也有諸多瓶頸需要進一步攻克。
圖：太空數(shù)據(jù)中心熱管理系統(tǒng)示意
資料來源：Computing over Space: Status, Challenges, and Opportunities，Yaoqi Liu and others，Dolphin Research
（4）能源供給問題
雖然在地球同步軌道配置太空光伏，理論上可實現(xiàn) 24 小時不間斷發(fā)電，且發(fā)電效率高于地面，但在太空中部署大規(guī)模的光伏陣列難度很大，且太空中所需的光伏組件與地面完全不同，需要能夠適應(yīng)太空環(huán)境，目前主流方案是采用 GaAs，因為其適用高溫、真空、輻射強的環(huán)境，未來可能采用 p 型 HJT 或者鈣鈦礦，但成本顯然仍會高于普通地面光伏組件。
（5）數(shù)據(jù)傳輸問題
目前 Starlink 衛(wèi)星已經(jīng)能夠配置達 100Gbps 傳輸速率的激光鏈路，中國也在推進 100Gbps 激光通訊鏈路技術(shù)，但仍無法滿足算力集群所需帶寬（可能需要 10Tbps 甚至 100Tbps），如果大幅增加激光終端又會增加衛(wèi)星重量和成本。
不過，根據(jù) Google 論文，通過使用 COTS DWDM 收發(fā)器技術(shù)，是能夠?qū)崿F(xiàn)每條鏈路聚合帶寬達到 10Tbps 的，但它不適合長距離，于是一個可行的方案是利用衛(wèi)星近距離編隊的方式（衛(wèi)星之間距離數(shù)百公里或更短），以降低成本。
圖：Google 論文中關(guān)于提升衛(wèi)星間傳輸帶寬方案的帶寬與距離的關(guān)系
資料來源：Google，Dolphin Research
（6）在軌維護問題
目前太空機器人維護技術(shù)還在實驗階段，所以對于故障，主要只能依靠衛(wèi)星配備自我診斷和修復能力，否則就要頻繁替換；另外衛(wèi)星部署后也不能像在地面那樣更換算力芯片，只能替換整個衛(wèi)星，這又會增加成本。
總結(jié)來說，對于目前面臨的問題，在理論上基本都有可能實現(xiàn)的解決方案，但一方面如果要實際應(yīng)用，有大量具體的技術(shù)問題需要解決，另一方面，或者說最大瓶頸，還是成本問題，也就是說能不能算得過來經(jīng)濟賬。
從需求角度，對于商業(yè)航天及衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)，Starlink 實現(xiàn)了一個可行的盈利模型，而太空資源的搶奪和占位賦予了行業(yè)增長的確定性；在此基礎(chǔ)上，太空算力具備可行性，從而在電力供應(yīng)短缺背景下賦予了商業(yè)航天一個實值期權(quán)。因此，我們整體對行業(yè)需求增長保持樂觀預期。
從產(chǎn)業(yè)內(nèi)參與者的角度，我們認為 SpaceX 為可回收火箭模式趟出了一條可行的路線：通過可回收的方式大幅降低成本，從技術(shù)和商業(yè)模式上是能夠?qū)崿F(xiàn)的。那么，這一方面為行業(yè)帶來了增長的確定性，另一方面也代表其他企業(yè)有機會循著這條道路，依靠后發(fā)優(yōu)勢快速取得進展。在下篇中，我們將重點梳理行業(yè)玩家和競爭格局。
<全文完>
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