当夜幕降临，繁星升起，宁静的夜空中，有时会闯入一串白色的光点，排成一列“小火车”，井然有序地驶过。这不是流星雨，也不是UFO，而是人造卫星组成的星链。
2024年5月28日，SpaceX将第169批Starlink卫星送入了地球轨道。五年时间里，Starlink在轨卫星总数已经达到6528颗，占全球在轨卫星的一半以上。这场“造星运动”还在加速，马斯克的终极目标是一个由4.2万颗卫星组成的巨大星座。
同年5月，蓝箭航公司蓝箭鸿擎向国际电信联盟（ITU）提交一万颗星座申请，名为“鸿鹄3号”，这是继中国卫星网络集团的GW星座、上海垣信的G60星座后，国内的第三个超万颗卫星的发射计划。
从2017年到2022年，ITU（国际电信联盟）收到了300多个星座的申请，包含超过100万颗卫星。1957年人类发射第一颗人造卫星以来，67年的时间里总共发射的卫星也才1.8万颗。
新一轮太空竞赛的大幕已经拉开，与上个世纪不同的是，商业航天企业隆重登场。
1、100万颗“纸”卫星的背后
100万颗“纸”卫星的申请人，既有中美德法这样的大国，也有卢旺达这样的非洲国家。卢旺达于2021年9月向ITU提交了一个名为Cinnamon-937的星座计划，包含33万颗卫星。
事实上，卢旺达政府这份申请背后的发起者是法国的一家初创公司E-Space。这家公司还在2023年通过法国官方提交了一份超过10万颗的星座计划。
“借马甲”的做法在业内并不罕见。英国通信公司OneWeb通过墨西哥、法国和英国提交了 6118 颗卫星的申请；SpaceX 则是通过美国、挪威、德国、汤加提交的申请。
接收卫星发射申请资料的ITU是联合国下设的专门机构，负责分配卫星的频轨资源。ITU的分配方式有两种：
一是“规划法”，也就是有计划地在名义上将频轨资源分配给若干国家，不论其是否有实际需要或能力来利用这些轨道位置。赤道上方35786米的圆形轨道与地球同步，被称为地球静止轨道（GSO），只需三颗卫星就能覆盖南、北极以外的全球范围，属于稀缺的轨道资源，因此采用“规划法”进行分配。
二是“协调法”，采用“先到先得”的原则，按照根据登记顺序确定卫星频轨，适用于低轨（LEO）和中轨（MEO）等非静止轨道（non-GSO）。距离地球越近，信号传播时延越短，链路损耗越小，对终端性能要求也更低。但由于轨道低，每颗卫星所能覆盖的范围比较小，因此需要大量的卫星组网才能覆盖全球。近年来各国就是围绕着近地轨道跑马圈地。
在轨卫星累计数量
数据来源：UNOOSA
百万“纸”卫星暴露了监管的bug，ITU只好在事后打补丁，抬高“投机”的门槛。
2019年之前，星座项目只需在提出频谱申请后7年内发射一颗卫星、让其工作90天并向国际电联报送所谓的启用文件就能保住所要的频率。
2019年的世界无线电通信大会上，ITU推出了“里程碑”制度——非静止轨道星座运营商要想保住自己未来的全部频谱权利，不仅需要在申请后的7年内发射一颗卫星并正常运行 90 天，还需要在之后的2年内发射10%的卫星，5年内发射50%，并在7年内全部部署完成。若星座项目未能按这些节点或在总共14年的时间内发射足够多的卫星，其频谱权利将按届时实际发射数量按比例缩减。
2023年底的大会上，ITU又追加了“后里程碑”时期所需维持的卫星规模比例。当星座规模小于等于340颗卫星时，门限（实际部署的卫星占登记数的比例）为50%；当星座规模达4410颗左右时，门限为95%。若星座规模降至门限以下且无法在4年内恢复到门限以上时，需向ITU提交修改资料，减少登记的卫星数量。
也许是为了给发展中国家保留频谱资源，现行规定下，申请人依然享有7年的缓冲时间。也就是说，只需发射一颗，就能“占坑”七年。
对于卢旺达、汤加来说，这显然是一本万利的好生意。上世纪90年代，汤加向ITU申请到了6个轨道位置，随后便出租了一个，并将其余五个以200万美元的单价拍卖。虽然遭到反对，但汤加并未违反《无线电规则》，最终不了了之。
时至今日，卫星互联网的布局，不再是一个选择题，而是关系到国家安全的重大命题。在这场大考中，另一个大国自然不会交白卷。
今年的两会上，“商业航天”首次写入中国政府工作报告，被视作新增长引擎之一。
今年6月，海南商业航天发射场历经23个月的紧张建设，两大工位竣工，即将迎来下半年的首次发射。
几乎同一时间，星网集团、中兵集团等央企共同出资40亿元，成立中国时空信息集团，从事卫星互联网设计建设运营。
政策开路，资金就位，都在为星网铺路。中国目前有680多颗在轨卫星，位居全球第二，但大部分位于中高轨道，低轨道几乎是空白。鸿鹄、GW和G60三大计划主要瞄准的就是这片空白。其中鸿鹄和G60轨道高度为550km，与星链处于相近高度。GW的轨道高度分为两组，一组在500km以下的极低轨道，一组在1145km的近地轨道。
2、把“指数”降下来
取得发射卫星的“太空通行证”，只是万里长征的第一步。从纸上卫星到太空组网，关键的一步是降本。
发射卫星的成本主要有两块：卫星制造与火箭发射。过去的二十年里，SpaceX凭借一己之力把火箭发射的价格打了下来。如今，猎鹰9号发射一颗星链卫星预计只需要1500美元/kg，比60年代俄罗斯联盟号飞船的成本便宜了94%。
来源：Visual Capitalist
马斯克是怎么做到的？
起初，马斯克并没有想要造火箭，而是打算从俄罗斯人手里采购二手火箭，可惜三顾茅庐，屡屡碰壁。俄罗斯人开出了1800万美元的天价，马斯克只好琢磨自己造火箭。
在马斯克的词典里，有一个概念叫“指数”，用来计算某个制成品的成本比其基本材料的成本高多少。他相信，如果一个产品的“指数”很高，那么一定可以通过规划设计出更有效的制造技术来大幅降低它的成本。
通过计算火箭中碳纤维、金属、燃料和其他材料的成本，马斯克发现火箭的“指数”非常高——成品的成本比材料的成本多出50倍。
马斯克决定从一枚小型火箭开始。随着微处理器的进步，他认为卫星小型化是一种趋势，不需要造价高昂的大型运载火箭。他盯住了一个关键指标：将每磅有效载荷送入轨道的成本。为此，他需要将单位成本推力最大化，比如增加发动机的推力，减少火箭的质量，同时回收火箭重复利用。
发动机系统是火箭的“心脏”，其燃烧效率直接决定火箭的性能，约占火箭成本的一半。
SpaceX目前有两类发动机。用于猎鹰9号和猎鹰重型火箭的默林-1D（Merlin-1D）发动机使用液氧煤油作为燃料，9台并联发动机的推力是92吨。用于星舰（Starship）的猛禽（Raptor）发动机则升级使用液氧甲烷，这种燃料制备成本低、能量密度更高，且燃烧时基本无积碳，发动机不用清理，使用寿命更长。在未来的火星探测中，还可以利用火星大气中的二氧化碳作为甲烷的生产原料，免去自带煤油的负担。通过整体结构的优化、管线部件的减少，猛禽2号相比于初代产品的成本降低了大约50%，推力从185吨提升至230吨。
影响火箭推力的另一个因素是火箭的自重。就像登山者给背包减负一样，马斯克痴迷于给火箭减重。拿掉一个零件、用上更轻的材料、进行更简单的焊接，每一项都能减少一点重量，进而减少火箭所需的燃料，以进一步减少发动机必须推动的质量。当马斯克走过SpaceX的装配线，他会在每个工位停下来，静静地盯着，跟团队辩论，拿掉或者精简一些零件。
在材料的选择上，不是宇航级器件买不起，而是工业级元器件更有性价比。火箭上的阀门比汽车上用的类似阀门要贵30倍；NASA在空间站中使用的门闩，一个就要1500美元。SpaceX的一名工程师改造了浴室隔间门上使用的插销，成本只要30美元。有效载重舱的空气冷却系统要耗资300多万美元，他们就买了一些商用空调设备，改造了其中的泵，用在了火箭顶部。
还有一次，马斯克在工厂参观星舰的生产设施，发现他们正在使用的碳纤维材料片材出现了褶皱，并且这个东西的制造过程非常缓慢，成本高昂，每公斤材料成本为130美元。马斯克立刻意识到，“如果继续使用碳纤维，我们注定得倒闭。”于是他提议把碳纤维换成每公斤3-4美元的不锈钢，包括未来要生产的Cybertruck车身。马斯克的灵感源于上世纪60年代的早期阿特拉斯火箭，这枚不锈钢火箭首次将美国宇航员送入地球轨道。
起初SpaceX的工程师很难接受这种看似倒退的做法，他们争辩不锈钢制造的火箭可能比碳纤维或铝锂合金制造的火箭更重。马斯克要求计算具体数字。结果发现，钢的厚度足够，在星舰的箭体设计中只需要一层即可，不仅减轻了重量还简化了结构。在极寒温度下，不锈钢的强度还会大幅上升，是室温强度的两倍，意味着它更适合装载超低温燃料液氧和液氮。
同样为了节约开支，马斯克要求自给自足，小到阀门，大到发动机，几乎所有的零部件都自行生产，而不是向供应商采购。在生产中，他们大量使用3D打印技术，比如猛禽发动机的喷油器板和燃烧室、燃料系统中的燃料歧管和输送管道、连接和支撑箭体的支架配件、返回大气层时需要的隔热部件、有效载荷整流罩的组件，以及用于火箭飞行姿态控制的栅格舵。3D不仅提高了生产效率，降低了成本，还能制造出传统方法难以实现的复杂部件。
造价昂贵的火箭，只用一次就是浪费。为此，SpaceX开发了火箭第一级的垂直着陆和回收技术，并重复多次使用，均摊下来每次发射的成本大幅降低。猎鹰9号火箭的第一级助推器可以多次发射和回收，猎鹰重型火箭共28台发动机，其中27台都可以回收复用。
对于星舰这样的大型火箭，马斯克要求全箭回收。SpaceX设想的方法是：星舰返回大气层时，随着速度的减缓，开始调整姿态，准备在空中悬停。发动机点火产生反向推力，使这个庞然大物在天空中稳稳地停住。根据导航系统计算的着陆轨迹，星舰开始缓缓下降，对准地面上的发射塔。随着星舰靠近，一副巨大的机械臂张开双手，稳稳地接住它。在今年6月的第四次试飞中，星舰的一二级火箭在返回过程中都保持了稳定的飞行姿态，并在末端速度分别降低到9-10千米/时和2千米/时速的时候，在海面软着陆。马斯克预计，考虑多次回收，未来星舰的单次发射成本可能降至200美元。
卫星的制造也延续了极简风，采用平板、单太阳帆板的紧凑设计，以便简化制造和集成过程，并且可以在火箭的载荷舱内装载2倍数量的卫星。2021年猎鹰九号实现一箭143星的壮举，刷新世界纪录，而星舰的目标是一箭400星。高度自动化的生产线和模块化的设计也极大地提升了生产效率，SpaceX的卫星工厂有能力每天出厂7到8颗卫星。
在通讯系统上，SpaceX开创了相控阵天线和激光星间链路技术，能够实现高速数据传输和卫星间的直接通信，相较传统的抛物面天线技术更加灵活，制造和维护成本也更低。
技术和管理实现的降本，最终要靠量产来放大，没有需求创造需求也要上。2014年底，马斯克有了卫星互联网的灵感：“互联网收入每年约为1万亿美元，如果我们能有3%的市场占有率，那就是300亿美元，这比NASA的预算还要多。”星网的建立不仅能够平摊成本，还能带来可观的收入。
2023年，SpaceX进行了96次发射，累计发射2514颗卫星，其中三分之二的发射任务是用于发射星链卫星。随着星链卫星的大规模生产，单星制造成本已经降至100万美元。
就是这样，通过改进技术、极简设计、回收复用、规模量产，马斯克把高精尖的卫星网络做成了“批发生意”。
如果说特斯拉是新能源车市场的“搅局者”，SpaceX已然成为航天界的“鲶鱼”。马斯克固然是出了名的“降本狂魔”，但中国企业也在以破竹之势崛起。
2014年11月，国务院出台政策，首次提出鼓励民间资本参与国家民用空间基础设施建设。中国商业航天破茧而出，十几家火箭及卫星制造的民营企业相继成立。
在银行从事汽车金融工作的张昌武，偶然结识了原中国卫星发射测控系统部（CLTC）的高级工程师王建蒙和拥有多年欧洲空间局工作经验的吴树范，三人决定创办一家民营火箭公司。
创立之初，张昌武就明确，不能复制国家队已经取得的成果，而是要走差异化路线，自主创新技术。当时国家队在液氧煤油、液氢液氧发动机技术上已经相当成熟，多数民营航天企业选择的是固体发动机技术路线，而蓝箭选了一条少有人走的路——液氧甲烷。
在湖州的山间竹林里，工程师们在实验室里度过了无数个不眠之夜。经过不懈的努力，蓝箭航天终于在2019年成功完成了天鹊80吨液氧甲烷发动机的全系统试车，标志着中国在大推力液氧甲烷火箭发动机领域实现了“零的突破”，并使蓝箭成为继SpaceX和蓝色起源之后，全球第三家掌握该技术的公司。
去年 7 月，朱雀二号遥二运载火箭发射成功，成为全球首枚成功入轨的液氧甲烷运载火箭，也标志着中国对液氧甲烷运载火箭技术全链条的自主可控。
今年1月，由蓝箭自主研制的朱雀三号VTVL-1试验箭在酒泉卫星发射中心点火起飞，在飞升350米高度后，火箭平稳降落，成功试验火箭回收这一关键技术。在箭体材料的选择上，朱雀三号与星舰同样采用了不锈钢，这在国内火箭领域也属首创。
张昌武最近在接受财联社采访时表示，蓝箭接下来还将进行万米级的垂直起降飞行验证，和明年朱雀三号全箭的入轨验证，随着入轨的验证尽快把一级火箭收回来。朱雀三号预计明年上半年发射，目标是运力超过 18 吨（并联9台发动机），运载价格从每公斤 6 万元降至 2万元以下，同时实现 20 次以上重复使用。按照计划，蓝箭今年将安排 4 次发射任务，明年的发射计划将翻番。
此前从事光学机械研究的某卫星制造企业则是中国卫星技术前沿的代表之一。2015年以来，该企业已经迭代了四代卫星技术，单星重量从400多公斤大减至40多公斤甚至最低20多公斤，造价从8000多万元降至800多万元。
传统卫星的设计理念是“平台+载荷”，两者彼此独立、界限分明。平台是整星的主体，载荷要根据平台的特点进行设计和调整，导致载荷占整星的重量比很低。
据其总设计师介绍，公司的第一代星是围绕载荷来设计，把载荷比重显著提升到20%。典型代表是吉林一号4颗首发星中的“光学A星”，其拍摄精度为亚米级，重量为420公斤，而同等性能的传统卫星重量动辄1吨多，甚至2吨。
第二代星升级为“星载一体化”，有效载荷比提升至30%左右，重量大幅减轻，造价降至第一代的一半。
第三代是“去平台化”，卫星成本继续降至第一代卫星的十分之一。例如，将太阳能板和所有单机集成在相机上，其实就是一架能够飞天的相机。
第四代则按照完全中心化的思路研制，集成度更高，特别是配备多核的超强计算中心，取消了所有单机的计算单元，进一步降低成本、体积和重量。此外，还应用了星地激光数传技术，有助于解决星地通信“瓶颈”问题。
不得不说，“摸着马斯克过河”的中国商业航天企业，免去了一些弯路，也自主研发了很多新技术。
张昌武说，“美国在二十多年前就开始了商业火箭行业的发展，产生了像SpaceX和蓝色起源这样的大型企业，而中国的商业火箭是从2015年才开始起步。如果对标国际同行起步的前八年，我们的发展速度其实是快的。中国民营火箭在前八年取得了国际同行前八年没能取得的进展。”其实，不只是火箭，整个商业航天产业都在突飞猛进，奋起直追。
3、市场广阔，机遇何在
可以预见的是，未来十年，我们将发射数万颗卫星，从而打开一个广阔的市场，其中必然蕴藏着布局机会。
巨型星座计划首先带动的是火箭环节，低成本、大运力、高频次的火箭发射技术是关键。浙商证券预计2027年我国运载火箭市场空间有望达284亿元，2023-2027年均复合增速26%。
面对即将爆发的需求，目前的产能是有限的，扩产周期也比较长。这就给商业火箭公司提供了历史性机遇，整箭无疑是火箭领域最值得关注的环节之一。
可惜目前尚没有成熟的发动机及整箭上市公司，只能优选主营业务好、火箭占比高的零部件供应商。一个明确的趋势是，3D打印的应用已经由零部件拓展至系统级甚至整箭。
其实3D打印技术在火箭的应用已经非常成熟。美国火箭实验室研发的电子号火箭的卢瑟福发动机，采用全3D打印结构，已经经历数十次飞行验证。美国相对论空间的人族一号火箭，箭体85%的结构均由3D打印完成，2023年首飞通过了最大动压点，标志着箭体结构强度通过验证。
天兵科技自主研制的天火-11液氧煤油火箭发动机也大量采用3D打印技术。根据公司披露，超过80%以上零部件采用不锈钢或高温合金钢的3D打印技术，是国内尺寸最大的3D打印发动机，组件数量减少80%，制造周期缩短70%～80%，成本降低40%～50%。
卫星方面，中国卫星网络集团于2020 年向ITU提交约1.3万颗星座申请，按照ITU规定，应该在2034年之前发射完毕，意味着每年平均需要发射近千颗卫星。
此外，低轨卫星的寿命一般在5-8年，为确保组网的性能并满足ITU的门限要求，还需及时补星。以银河航天为代表的多家民营航天企业已经进入我国卫星互联网计划的供应链体系中。
随着卫星进入批量生产，卫星平台将成为模块化的制式产品，能够保障载荷正常工作即可，因此未来降价压力较大。以姿轨控系统中核心的推进器为例，霍尔推进器以往单价在200万左右，蓝箭鸿擎等商业公司将霍尔推进器成本降至100万元以下。
而载荷的占比有望达到60-70%，功能也在不断丰富和提高，从而带动载荷价值提升。通信卫星载荷的核心是通信天线，主要是相控阵天线。这种天线由大量相同的辐射单元组件组成，组件价值量占比达到50%甚至更高，组件内部TR芯片占比较高，达到50%左右。
在卫星互联网建设初期，火箭和卫星制造将率先放量。初具规模以后，有望复制Starlink的路径，从军用走向民用，从国内走向海外，地面设备和下游应用逐步释放潜力，形成商业闭环。
去年发布的华为MATE 60 pro依托于天通一号卫星（处于GEO轨道），是全球首款支持卫星通话的智能手机，用户可以在无地面网络信号情况下拨打和接听卫星电话。
今年初上市的某品牌新能源汽车配备了自研的车载卫星通信终端，可以通过车机收发卫星消息，做到"永不失联"。该汽车依托的是未来出行星座，该星座运行在大约600千米的LEO轨道上，已部署20颗卫星，按照计划还将发射220颗卫星。
目前卫星的下游应用集中于遥感与通信领域，通信卫星上游制造和下游应用比例约为1:5，遥感卫星上游制造和下游应用比例却不到1：1，这意味着遥感卫星还有很多的下游应用需要拓展，实际应用尚没有到成熟阶段，仍有巨大潜力。
吉林一号是中国目前最大的商业遥感卫星星座，其中的高分04A星单日可以获取19.6万平方千米的全球对地观测数据，分辨率优于0.5米，这在全世界也是首屈一指的。
0.5米的分辨率是什么概念呢？只要两个物体相隔0.5米以上，卫星图像就能把它们分别显示出来。去年10月，高分04A星对长春北湖明溪公园附近区域进行成像，公布的图像幅宽巨大，但十分清晰，甚至可以识别小汽车车型。
根据吉林一号的商城报价，0.5m分辨率光学影像每平方公里报价75.15元，校正后每平方公里报价79.15元，对应全球单次遥感影像数据获取及处理市场空间约400亿元。
GEOVISO则是中国版的“谷歌地球”，只需连网就可以通过遥感卫星鸟瞰地球。拥有了这双“天眼”，城市规划部门可以更好地规划土地用途、布局基础设施，农业部门可以监测作物种植面积和生长状况，救援团队可以评估灾情、规划救援路线……
去年，江苏电力上线了卫星巡视功能模块，借助0.5米精度的卫星地图对全省特高压等重要输电通道隐患开展扫描。识别出易飘浮物、树木竹林、池塘水体等隐患点之后，派出无人机快速核对，最后由人工现场复核，这种模式相较人工巡检效率提高10倍以上。世界上所有可被获取的数据中，至少80%以上都和空间位置相关，海量的空天大数据将如何应用于千行百业，颇有想象空间。
1970年4月24日，长征一号火箭从巴丹吉林沙漠中腾空而起，将中国第一颗人造卫星“东方红一号”送入太空， “东方红，太阳升”的音乐在太空中奏响。老一辈航天人苦心孤诣，花费了五年的时间，才完成从零到一的突破。半个世纪后的今天，中国的航天科技已跻身世界前沿，但求索创新的脚步从未停止。仰望星空，脚踏实地，中国商业航天的新时代正在开启一个新纪元。
参考资料：
Space debris by the numbers, ESA
The cost of (Un)regulation: Shrinking Earth's orbits and the need for sustainable space governance, ELSEVIER
One million (paper) satellites, Science
Radio Regulations, ITU
SATELLITES BY COUNTRIES AND ORGANIZATIONS, N2YO.com
埃隆·马斯克传，中信出版社
新经济这十年｜蓝箭航天张昌武：做好运载火箭产品，提升交付能力，中新经纬
长光卫星：领跑中国商业航天，澎湃新闻
星链（Starlink）：引领卫星互联网革命, 国信证券
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