商业航天之通往未来的一大步，百年内能实现自由往返太空的梦想

　　本文由B站UP主传说中的葱酱授权传载
　　如果50年前我们就成功登月了，那今天为什么这么多年来没有人再登陆一次呢？
　　葱：因为我们以为月球上没有可以改善地球生活的资源。阿波罗之所以可以成功、国会每年都印大把现钞给NASA烧的原因是：肯尼迪死了，没有人能够做到与已死之人辩论登月的意义。＂完成年轻的总统未竟的愿望，让他的在天之灵可以看到这个国家最好的一面＂成为了阿波罗前进的动力。这也意味着当阿姆斯特朗登陆月球 的那一刻，这一前进的动力就消失了。留下的只有脚印、国旗、巨大的财政开支，和依旧荒芜的月球。
　　在登月 后的40年里，我们都没有想过要回到那个冰冷、没有生命、甚至连水都没有的世界；要问原因？因为人们一直以为：月球没有供人生活的环境，也没有可以开发的资源。
　　但如果我们往回看，我们在地球轨道里有着庞大的产业，光是地球静止轨道就拥有402颗卫星；在2018年，全球太空产业的总产值超过了4150亿美元-几乎与北京市（2100万人口）的产值相当，在过去的十年间卫星产业的总产值增长了超过1000亿美元。
　　什么样的魔法造成了这如同东西德之间那般巨大的差距？
　　第二次太空纪元竟然是因为---
　　诚然，地球与月球轨道之间的第一堵＂柏林墙＂是轨道特征能量-去月球要比地球难很多。但各位请不要忘记，GEO轨道相较LEO也是非常难以进入的，可那里有上千亿的产业。
　　所以轨道能量差距并不是造成近月太空惨景的唯一原因。
　　企业大力开发地球轨道，是因为地球轨道的＂空间资源＂可以更直接的转化为收入。换句话说，地球轨道里的卫星可以更直接的为我们的生活提供高价值的服务，客户群也更普适化。生活在郊区的人们/水手会愿意为互联网服务支付大价钱，而遥感卫星的照片可以极大程度的提升从农业到交通运输、天气预报，甚至国家安全等一系列产业的服务质量。
　　月球轨道没有这样的价值，这才是真正隔离两个世界的＂柏林墙＂。
　　简单来说：
　　阿波罗由美国政府作为驱动力，故变化的政治环境与两党关系创造了登月奇迹、在政治力量失去兴趣后，月球就被抛弃了 ；而在地球轨道里，市场与利润 驱动着企业发射卫星，所以地球轨道的太空产业是繁荣而长寿 的。
　　但葱酱相信随着月球、小行星资源的开发技术成熟，我们可以将商业公司们也带去月球。最终真正的留在那里，让这片＂荒芜的东德＂焕发生机。
　　不过这就是其他专栏的内容了，我们回到目前的商业市场，进行一个简单的市场区域划分。市场划分
　　由于EELV级火箭流行通过小载荷专属转接器来发射小卫星，从而达到了＂向下兼容＂。所以我不从供应方（火箭）来划分市场，转而从需求方（载荷）来划分。
　　轨道级商业发射服务的对象主要分布在三个市场：以美国政府为客户的NASA_LSP（探测器、望远镜、深空网等探索任务）与NatSec（国家安全发射服务），和商业载荷市场。
　　你们可能注意到我将NASA空间站补给给划进了＂商业载荷＂，原因是NASA自己将CRS发射服务采购和NASA_LSP采购服务区分了开来。像MARS2020、Solar Orbiter、PSP这样的＂探索载荷＂被认为是＂USG＂采购由LSP监管团队控制质量，但龙飞船、天鹅座、追梦者的空间站货运任务则被归在＂商业采购＂中由CRS控制。
　　同理、五角大楼也有一系列独立于NatSec服务的＂商业采购＂，我们会在一篇独立的专栏里进行介绍。
　　尽管NSSL是一级特殊的火箭、但由于与载荷绑定的性质，也可以被认为是载荷市场
　　大型商业卫星市场可能是大家最熟悉的，总之就是把商业卫星给丢进某条合同里规定的转移轨道。地球静止轨道卫星发射是最传统的一类商业市场，自从里根总统签署1984商业航天法案以来一直延续到现在。
　　尽管静止轨道通讯卫星从太空纪元早期就有所发展，对GTO轨道需求的爆发是在1990年Atlas I首飞后的＂商业纪元＂开始的。Atlas I与Delta II的出现大幅降低了前往太空的难度，两款火箭所提供的可靠性也让更多公司有信心投资数千万美元购买一颗卫星送去太空。
　　大型商业卫星本身最大的特点就是单颗造价昂贵，换句话来说就是＂企业负担不起几十颗上百科这样的卫星＂。但同时单颗大型卫星就有能力服务大量的客户，所以为了增加服务面积，通常会选择较高的运行轨道。
　　葱酱之所以首先介绍大型商业卫星，是希望给读者们一个参考、作为比较的基准，从而更好的理解其他新兴的市场。
　　今天的GEO通讯卫星市场缺乏弹性，也就是卫星运营商不愿意因为发射价格上升/下降而调整计划运营的卫星数量，这也是促成洛马与波音在06年成立ULA合并生产的原因之一。发射服务市场缺乏弹性主要的原因是，从新服役一颗卫星的角度来看，发射服务的成本占比太小。
　　这其实很好理解，我们可以尝试从运营商的角度来看待这个问题：一颗非常普通的GEO卫星造价可以轻松超过3亿美元、多运营一枚卫星就意味着钱包里3-4亿美元飞天了 。相比之下，发射价格全价也就6000万-1亿（如果你不找ULA）、发射商给予折扣最多省个1000-2000万，并不值得运营商为之调整策略 。
　　说到这里，你可能会问
　　葱酱葱酱，SpaceX最新报价最低5200万起，和阿丽亚娜5比起来省了5000万、整整一半呢。你怎么能说只省2000万不到？
　　我们来看几个会减少SpaceX发射报价的因素
　　一、卫星整合开销
　　卫星发射服务中最容易被爱好者忽略的成本来自与卫星整合，这对大型商业卫星来说尤为显著。
　　GEO通讯卫星很多时候体型巨大，像空军的AEHF-6（尽管它是NSSL，但也是GEO通讯卫星，LM2100平台）重达6.2吨。这么重的卫星要保证不在发射时因为过载把自己压扁; 同时又要减少重量，因为每一kg节省下来的死重，都意味着你可以多带1kg燃料/官能元件，从而增加卫星的性能。
　　在设计卫星时、为了优化重量，最常见的方法就是假设同一方向称重来设计卫星的结构，也就是让卫星仅能接受一面朝上的摆放 。如果强行将一颗卫星倒转过来摆放，很可能会损坏太阳能板、传感器、服务舱等重要的部件 。
　　来自ESA的友情提醒：质子不仅会倒飞、还要水平转运起竖
　　当发射商没有能力进行垂直整合时，卫星就必须重新设计 来让它至少可以接受平放与竖放。同时、与火箭一起起竖，这对于灌满燃料的卫星而言是非常头疼的事情、服务舱内的流体运动可能会损坏卫星本体。重新设计卫星需要
　　（1）额外的时间
　　（2）增加制造成本
　　（3）且增加卫星的重量
　　但从发射商的角度来说，水平整合要省事的多。举个简单子的例子：从VAB顶楼掉个扳手下来可以把拖车给砸出一个大洞。吊车同样也比千斤顶更加容易出现故障（想象大客户的卫星从20层楼掉下来摔个粉碎的场景）
　　而且垂直整装塔通常造价要比水平整装设备昂贵不少，要求发射商一口气支付一大笔费用进行投资。
　　要点：垂直整合工序复杂、昂贵、危险 不适合新手尝试
　　NSSL的邀约里明确提到了要解决卫星整合费用与重新设计的影响
　　然而对究极大客户-美国太空军，和它那些究极昂贵（动辄20亿，一不小心40+）的钞级卫星来说，为了将就发射商的小心思而改装卫星是绝对不可能的。
　　对于商业客户来收，假设改装会造成8%的制造费用增加、对于3亿的卫星来说就是整整2400万，极大程度的削弱了SpaceX的价格优势。
　　转移轨道精度对卫星的影响
　　我们在先前的一个动态里聊过MSL为什么一定要宇宙神V的精度才可以发射成功，原因是在激活卫星时总是会有这样那样的问题、使得第一次轨道机动无法在分离后马上进行（毅力号也遇上了、由于信号强度太高进入了安全模式）；而任务的设计中需要考虑到这一点，在第一次轨道机动与星箭分离之间留出足够的时间调试，确保航天器不会错过第一次轨道修正。这段时间内卫星的误差积累是全靠火箭上面级轨道插入精度决定的，也就是说：火箭的误差会在这段时间内被不断放大，要求卫星使用更多的轨道机动燃料进行修正，放大的倍数与具体任务流程相关。
　　以GTO轨道插入为例，精度对标准GTO轨道中最大的影响来自于对轨道机动时间的限制。要进入地球静止轨道，卫星必须在远近点连线与升降交点连线共线时点火。说人话就是：如果你想要相对地球静止，完成轨道机动后必须处于赤道的正上方(否则你就进入了地球同步, 但非静止的轨道)；而卫星GTO轨道的远地点不一定在赤道正上方。而在倾角非0的GTO中（包括库鲁）每次达到最高点时，卫星所处的纬度是不同的；也就是说，卫星在发射后要等几个周期来到远地点与升交点重合的那圈的远地点点火圆轨。对于从库鲁发射的阿丽亚娜5来说，第六个远地点正好与升交点重合，一次点火即可进入地球静止轨道。
　　阿丽亚娜5的＂apogee 6＂，来自2016阿丽亚娜5用户手册
　　但如果你的卫星被丢在了一个不是很准的GTO轨道时，那就没有办法提前确定第几个远地点会与升交点重合。也就要求卫星使用更长的时间进行轨道机动，推迟服役时间。如果是在NSSL军用发射市场，或者是在竞争比较激烈的通讯卫星服务地区，推迟服役可能是无法接受的。
　　每个发射场都会有自己的标准GTO（参考GTO）除了标准的GTO之外，也可以有低能量GTO与超GTO供卫星运行商选择（想看详细介绍可以移步CV6241312 ）。
　　GTO轨道选取中的机遇成本与＂取舍研究＂（这段非常重要、不能跳过 ）
　　既然是商业航天专栏，我们就要从商业的角度来思考轨道选取的问题。同时一定要提醒自己以＂取舍＂的思想来考虑这些问题，简单来说就是机遇成本（opportunity cost）与取舍研究（trade-off study）。
　　名词解释
　　机遇成本：企业在从事某项经营活动时，需要放弃从事另几项经营活动的机会，这些被放弃的选项中价值最高的那个选项所带来的收益、便是从事该项活动的机遇成本。
　　人话解释：葱酱今天手上有5元，走进便利店考虑要不要购买一瓶汽水。便利店里有雪碧与可乐两种供葱酱选择，除此以外葱酱还有第三选项＂存下5元钱＂，这三个选项构成了机遇成本中的＂隐性成本＂。如果葱酱此时非常的口渴（也就是说一瓶汽水对葱酱而言非常重要，价值极高）此时此刻，因为可乐与雪碧的价值对葱酱而言远大于多存5元，所以购买雪碧的机遇成本是购买可乐、而非存下5元。也就是说，葱酱购买这瓶雪碧所付出的代价并不只是5元钱（显性成本）还有购买一瓶可乐的机会（隐性成本）。葱酱通过放弃购买可乐的机会，而获得了一瓶雪碧。
　　取舍研究：葱酱在做出这个选择时，便进行了一次＂取舍（trade-off）＂，即选择了雪碧、放弃了可乐。而分别权衡可乐与雪碧两个选项的优劣的行为，便是所谓的＂trade study＂。
　　这两种概念读者们可能不熟悉，但请相信我，大家在生活中都会这样思考，只是没有意识到这样的行为有术语来描述罢了。
　　在理解了＂取舍＂的思想后，我们来看从卫星发射商的角度思考GTO轨道的选取。
　　假设火箭的工作性能不变，摆在我们面前的有三大类选项：
　　A. 将卫星送进标准GTO轨道，我们将此时卫星的加注量称为＂标准加注量＂，作为我们的思考基础
　　B. 将卫星送进高特征能量GTO轨道（超GTO），由于火箭性能不变、要获得更高的特征能量，此时卫星必须减少重量（减少加注量）。超GTO所给卫星带来的好处是：减少轨道插入时所需要的燃料，坏处是：减少卫星燃料、推迟服役时间（无法一次变轨进入运行轨道）
　　C. 将卫星送进低特征能量GTO轨道（亚GTO），由于火箭性能不变、进入更低特征能量轨道允许增加载荷质量（增加加注量）。亚GTO给卫星带来的好处是：增加卫星燃料，坏处是：增加轨道插入时所需燃料、推迟服役时间。
　　即使是同一平台的卫星也可以根据所需性能调整重量
　　需要注意的是，上述选择所带来的好处与坏处是经过极度简化的；现实中运营商进行取舍研究时会有许多其他的考量（市场竞争、风险控制、文书申请、地面追踪、卫星导航及企业策略等），进入标准GTO也不代表卫星会进行单次机动圆轨。
　　葱酱通过这个例子是希望读者们理解：商业卫星的重量并不是在选取运载火箭时的决定性条件。比方说: SpaceX要使用猎鹰9（可回收）发射一枚7吨的卫星时，并不是由于猎鹰9没有能力把这次任务送进标准GTO。而是在客户在经过了细致的取舍研究后，主动选择了＂C＂选项，因为他们想要自己的卫星有多一些燃料、从而愿意接受低特征能量的轨道（选择亚GTO的边际成本小于边际收益）。
　　而载具间的取舍便是介于＂更少燃料、低发射成本＂与＂更多燃料、高发射价格＂之间的取舍。今天的通讯卫星寿命不完全是受限于燃料(可以是如元件寿限等)，所以更强运力所给卫星留下的额外的燃料可能不会给卫星运营商带来许多额外寿命，此时选择猎鹰重型的边际收益就会偏低。最理想的任务规划是：在卫星燃料耗尽时正好通讯设备也达到寿限无法使用、移向坟场退役。所以卫星燃料并不是越多越好的，通讯设备失效后无论留下多少燃料都是浪费。
　　应用刚才介绍的取舍研究思路， 我们可以写出选择入轨精度差的火箭，所带来机遇成本
　　（1）损耗卫星燃料、折损卫星寿命（造价*折寿/总寿）
　　或 要求卫星在分离后快速启动自行补差（制造成本）
　　（2）延迟服役所带来的战略损失
　　（3）变轨时间所带来的现金流损失（日收益*折寿日期）
　　这样一来一回，Ariane 5与Falcon 9之间的价格差异是不是就减少了许多呢？
　　不过我们都不是卫星运营商，这种令人挠头的问题还是让他们头疼去好了。我们来总结一下传统大型商业卫星市场
　　市场特性
　　大型商业卫星市场的特征有：
　　（1） 价格需求弹性差
　　（2） 对发射商要求较高，自家至少要有中型以上的运载火箭才可以接受这样的任务
　　（3） 由于（2）（没有哪个小公司可以拿出猎鹰9等级的火箭），发射商选择少、发射市场寡头化严重。
　　（4） 卫星数量少
　　最重要的因素：价格 -即以最低成本将卫星送往转移轨道是客户们最看重的能力，但上面提到的整合方式与轨道精度这两方面如果无法达到客户要求，会给卫星的制造和运行带来额外的成本。
　　我们知道，竞争总是会带来更低的价格与更好的服务；第二期我们会讲述NASA如何努力、试图做到这点-加强商业发射市场中的竞争。