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睡前消息449期：高流说航天（一）被马斯克甩开 想跟上就难了
2022年6月24日睡前消息文字版第449期
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期睡前消息提到美国波音的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。
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。
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，而最新出现的一批航天技术开始拉动其他行业，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，但必须不积极开发实用技术，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。而且新的航天技术不仅影响民用经济，还要影响军事领域。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。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。现在SpaceX展示了前所未有的航天驱动力，制造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开启第三次工业革命。
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，在信息时代，可以说近地轨道空间是我们家乡的一部分。
过去几十年，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，原因就像几十年前的中国人很少坐飞机，最大的障碍不是距离而是价格。现在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。
不要以为太空很远 相反，太空很近，、
火星
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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1982年，苏联在一年发射了106次，其中97次完全成功。苏联的发射工具主要是联盟U、宇宙3M这些小运力火箭，就算不考虑具体载荷搭配，完全发挥极限运载能力，也就是送490吨物资进入宇宙空间。
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https://m.guancha.cn/internation/2022_01_06_621241.shtml
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https://space.skyrocket.de/doc_chr/lau1982.htm
现在SpaceX的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，比苏联高峰期多了50%。而且冷战时期的火箭属于半量产的精密设备，马斯克的火箭都是流水线生产的廉价产品，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，稍微加班就能每年多发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。
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https://www.statista.com/statistics/897719/number-of-active-satellites-by-year/
用猎鹰9超越冷战水平，只是马斯克航天计划的第一步，还不能彻底压倒现在的航天大国，毕竟理论上说传统火箭靠过度保障提高成功率，用昂贵的大型卫星平摊价格，还可以勉强承受几倍的发射成本。
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。星舰火箭每公斤发射成本可以压到200美元，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。星舰近地轨道极限投送能力预计达到200吨，就算SpaceX保持现在的发射密度不变，每年送到近地轨道的物资也能接近一万吨，可以近似算成70亿地球人每人一克还有余，十万人的城市就能拥有100公斤的专用卫星设备。
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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。
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。所以当时的地面设备距离卫星有上万公里的距离，超过地球本身的尺寸。
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。现在摩尔定律逐渐走到尽头，集成电路能力提高有限，要进一步发展轨道通讯，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，最多只能搞总量两三百颗的中型通讯星座，比一个大国的作战军舰还要少，不可能直接对接普通用户。
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https://www.sciping.com/34324.html
马斯克的第一代星链卫星，可以用流水线制造，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，直接把通讯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，通讯卫星数量和质量还会进一步上升。
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了。但是现在我们的发射能力不够，所以对标星链的工厂，规划产能只有每年300到500颗，实际上基本不可能全速生产。产量上不去，价格就下不来，结果就是我们现在整体的卫星通讯成本，和马斯克拉开了十倍以上的距离，以后还可能扩大到几十倍。
https://ee.ofweek.com/2022-03/ART-8460-2811-30552845.html
https://app.myzaker.com/news/article.php?f=normal&pk=60d3fa5b32ce400724000011
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。
但现在算出来亏损，是用刚刚启动的营业收入减去早期航天发射费用，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。对于这些落后地区来说，不用每户都有星链终端，每个村子有一台，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。
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截至2022年5月5日的Starlink覆盖地图
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，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。
如果最近的星舰测试成功，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只有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，一个原因就是他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。光靠5G地面基站去覆盖城市区，全国要修600万个，每年电费就要2400亿，而三大运营商一年利润才1500多亿。所以5G商业化普及遇到了市场障碍，对普通人来说并不比4G更强，只是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。
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1687310927435952638&wfr=spider&for=pc
中国电讯企业的发展目标不仅仅是国内市场，还有国际市场。而且星链相对地面网络的优势不仅仅是节省了光缆和基站，长期来看，干线传输能力也压倒地面网络。
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传统的卫星轨道高，彼此间距大，所以通讯使用无线电信号，用低频率换可靠性。而星链的轨道低，彼此间距小，可以使用激光通讯。对于远距离通讯来说，频率越高，信息传输效率越高，激光通讯就意味着高密度信息流。
目前地球上98%的国际互联网通讯靠海底光缆，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，和星链系统比没有成本优势。
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https://baijiahao.baidu.com/s?id=1704170124473907449&wfr=spider&for=pc
对于激光来说，太空真空环境没什么信号衰减，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。
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。但目前达美航空已经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，正式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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能服务运动目标，就有军事应用潜力。最近的乌克兰战争证明，基层单位信息化是打现代战争的前提。和一线战场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，保证每一支乌克兰小部队都能接入网络，乌克兰最小的单位也能给后方的重火力单位提供信息，获得快速支援。所以俄罗斯机动力量再多，也没法在心理和信息上孤立任何一支乌克兰军队。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。
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。
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。马斯克的野心，绝对不只是给全世界提供通讯服务。
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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，并不一定是只提供各种信息卫星，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，所以只能到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。之前美军就提出过“凤凰计划”，要在太空中修卫星。
修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。其他的金属铸造，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。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。
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国际空间站R2机器人
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DARPA凤凰计划
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。地面上有重力影响，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，经常要用电泳技术，但是电泳有加热效果，在重力环境下会制造对流，也会影响生物工厂的效率。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素，效率比地面高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，都是按克计算的，只要发射成本足够低，制药行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，制药厂肯定不会放过
https://new.qq.com/omn/20210305/20210305A05F7T00.html
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美国AST SpaceMobile公司的“BlueWalker3”原型卫星
https://spacenews.com/operational-ast-spacemobile-satellites-could-proceed-without-prototype/
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《Sat5G白皮书》
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，这些空间站工厂，和普通人的距离会很近，比如现在的国际空间站飞行高度只有300多公里，中国正在逐步扩大的轨道空间站高度也只有400公里。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？
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，而马斯克和美国是市场化航天的代表。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学习行航天管理经验，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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