经济外交观察·第29期 | 星链计划:美国经略“最后边疆”的新基建运动

来源:欧亚系统科学研究会时间:2022-02-01

2021年,在新冠疫情笼罩的巨大阴霾之下,全球航天却创下了144次轨道级发射的纪录。在美国的45次发射活动中,马斯克的私营公司太空探索技术公司(SpaceX)就贡献了高达31次,接近美国全年航天发射总次数的70%,可谓独领风骚,而在SpaceX的全部航天发射中,有60%用于部署其星链(Starlink)计划。也正是该公司的星链卫星在2021年先后两次接近中国天宫空间站,危及中国空间站的安全,这才使得星链计划的政治和经济意涵再次走进大众视野。

浩瀚无垠的宇宙被认为是人类“最后的边疆(final frontier)”,卫星则是这“最后边疆”上的“基站”。大国竞争的“战场”正在不断扩张其边界,在地球上,美国的基建设施已然落后,但在新的“太空基建”竞争中,美国正在设法确保其绝对领先地位。星链计划便是美国通过公私合作而发起的一场经略“最后边疆”的新基建运动,以确保其在太空的战略优势地位。

一、美国重启太空竞赛

在美国的太空战略史中,肯尼迪政府与里根政府分别提出过“新边疆”和“高边疆”的战略概念。在“新边疆”时代,太空被视为充满未知的领域,美国与苏联竞逐卫星发射,并且率先将人类送上了月球;在“高边疆”时代,太空被视为建立军事优势的战略要地,美国为此推出了著名的“星球大战”计划,该计划成为拖垮苏联的最后一根稻草。而在今日,有学者提出美国的太空战略又进入了一个新的时期——所谓“最后的边疆”。在人类的“最后边疆”进行大规模的基础设施建设,是大国产业竞争、技术竞争和战略竞争的重要领域。

冷战结束后,美国所面临的国际威胁骤降,民众开始难以接受政府主导的航天计划需要巨额的资金投入;苏联的崩塌也使美国民众认为太空竞赛“劳民伤财”,甚至连美国宇航局(NASA)存在的合法性都饱受质疑。对此,各届美国总统为了选举获胜或争取连任,纷纷提出了削减航天领域的公共预算的政策。2003年“哥伦比亚号”事件使得NASA声望降至谷底。NASA为了自身的政治声望而隐瞒故障不报,导致7名宇航员遇难。为此,小布什政府进一步削弱了NASA的权力。奥巴马政府则因金融危机所导致的财政紧张而进一步削减了NASA的预算。为了降低联邦政府航天计划的成本,在洛克希德·马丁公司CEO奥古斯丁的建议下,奥巴马决定以私企为主力来发展低轨载人航天,并发布了《商业航天发射竞争法案》等政策文件,从而开启了美国私人航天的新时代。在这一背景下,NASA有意识地扶植了一批深耕太空探索的私营“新星”企业,美国的商业航天自此走上了发展的“快车道”。

就在美国开始力推私人航天的十多年间,中国的航天事业则在新型举国体制之下快速发展,在载人航天、运载火箭、应用卫星、月球与深空探测等领域硕果累累。就载人航天领域而言,中国已达世界领先水平。目前为止,中国已将共计20人次送上太空。2011年中国首次部署空间站,发射“天宫一号”飞行器,2021年神舟十二号与天和核心舱对接,中国人首次进入自己设计的空间站。自2018年起,中国的年度航天发射次数已超过美国位居世界第一,2021全年中国航天发射次数更是高达55次。

表1  中国载人航天发展历史

资料来源:笔者根据公开资料自制

表2 2016-2021年航天发射总数前四名的国家或地区(括号中为失败次数)

资料来源:Space Launch Report

正是在这一背景下,美国日益感受到了中国对其航天优势地位的挑战。随着特朗普和拜登的先后上台,美国重新启动了针对竞争对手的太空竞赛。2017年,特朗普重启了在1993年被关闭的美国国家太空委员会(NSC),这一机构由副总统领导,是美国与苏联进行太空竞赛的产物,也是美国确保其太空领导力的主要制度工具。特朗普重启这一机构主要有两大重要目标:一是在政府内部建立起一个在各机构和部门间协调太空政策的机制,打造一个美国领导全球太空事业的中枢机构,并将其用于主导制定太空活动方面的准则、规则和框架。二是使该机构服务于新的太空战略,重建美国的太空优势,防止中俄威胁其太空主导权。拜登也在太空议题上不断发力,2021年12月,他签署了关于国家太空委员会的行政令,扩增了该机构的成员。签署行政令当日,副总统哈里斯召开了国家太空委员会的首次会议,并发布了《美国太空优先事项框架》,新增了“培养科学、技术、工程和数学(STEM)劳动力人才”以及“制定空间规则”这两大政策重心。

与小布什、奥巴马政府时期相比,特朗普、拜登政府的太空政策更加强调商业航天对军事的支持作用,更加重视太空规则的主导权和制定权,更为大力地渲染其他国家对美国的“太空威胁”,并将太空竞争作为大国竞争的新战场。在此背景下,SpaceX所推出的星链计划因其商业价值和军事潜力成为美国太空战略中的重要一环。

二、星链计划:美国式军民融合的产物

2015年,SpaceX的CEO马斯克提出了星链计划,并规划在未来若干年内发射1.2万颗卫星至距地340千米、550千米及1150千米的三层近地轨道上。2019年SpaceX又追加申报了新计划,其部署卫星总数将达4.2万颗。目前,SpaceX已发射1900多颗星链卫星。

大众传媒常将这一计划归功于马斯克的个人才华和私人投入,但作为资本密集型和技术密集型的项目,星链计划的诞生和推进离不开NASA的资金与技术支持。在SpaceX的起步阶段,NASA及美国军方的合同和补贴是其最为重要的资金来源,为该公司的早期研发提供了累计超过70.2亿美元的经费。在SpaceX的商业航天项目逐渐得到市场认可之后,市场融资逐渐成为其资金主要来源。2017年至今的短短5年间,SpaceX共获得高达60.2亿美元的市场融资,是其发展初期的前15年所获市场融资的5倍有余。

NASA的合同、资金和技术指导为SpaceX掌控最具有竞争力的核心技术——火箭回收技术——提供了重要帮助。大部分国家的火箭只能回收一部分可用零件,而SpaceX研制出了可重复使用的猎鹰9号火箭,做到了第一级火箭的垂直回收,它是人类航天史上第一枚可多次重复使用一级助推器的运载火箭。2005年,猎鹰9号开始研发,NASA便为其提供了启动资金。马斯克曾多次提到,假如没有NASA的资金支持,开发猎鹰9号会耗时更长。而在猎鹰9号研发及星链计划推进的过程中,NASA为SpaceX提供的技术支持还涉及了包括运载火箭研制在内的多个领域。原先这些航天领域的相关技术长期被美国军方和洛克希德·马丁、波音等老牌军工企业垄断,是NASA为SpaceX的崛起打碎了垄断下的技术枷锁。目前,猎鹰9号是世界上重复回收使用次数最多的运载火箭,代表了人类航天史上最重要的技术成就。其中,一级火箭B1051已经重复使用了11次,SpaceX所有一级火箭的成功回收次数也已达101次。目前其他国家的可回收火箭大多在研发或测试之中,尚未投入使用。作为唯一一家实现火箭回收技术大规模商用的公司,SpaceX的领先优势十分明显。

表3 各国可重复使用发射系统技术对比

资料来源:笔者根据公开资料整理

可重复使用的猎鹰9号是星链计划得以实施的关键。想要将多达4.2万颗的卫星在短时间内送上太空,这对火箭的运载能力和商业效用提出了很高的要求:一方面,火箭单次运载的卫星要达到一定数量;另一方面,火箭发射的次数要足够多,才能运送为数众多的卫星。这就要求火箭本身运载能力较强,且需要将过去高昂的发射成本大幅降低。猎鹰9号已经做到了一次发射搭载60颗卫星,创人类航天历史记录,大幅降低了单颗卫星的发射成本。不仅如此,火箭回收技术的大规模使用,则进一步降低了卫星发射成本,使得短期内发射大量卫星成为可能。最初,猎鹰9号火箭的单次发射成本在5000万美元左右。随着火箭可回收能力的提升,加之“一箭60星”的技术使得星链计划越来越具有经济上的“规模效应”,单个卫星上天的成本目前已降至50万美元以下,且随着火箭重复使用次数的逐渐增加,这一成本还在进一步降低。相较其他国家高昂的发射成本,猎鹰9号使得星链计划的商用空间大幅提升。

表4 各国运载火箭比较(截至2021年12月)

资料来源:Space Launch Report等公开资料

除了资金和技术支持之外,NASA还打造了以NASA为主客户的开发模式,致力于借助自由竞争的市场模式促进SpaceX等企业释放创新潜能。NASA并非一味补贴某个特定企业,而是让这些企业参与订单竞标,通过市场竞争的力量激发SpaceX等太空“新星”企业的创新活力。而获得订单也并非一了百了,为了获取后续订单,SpaceX必须根据NASA的航天运输需求,不断研发出最为适合的产品。该公司运载火箭的研制和卫星技术的优化都得益于这种国家支持与市场竞争相结合的开发模式。

总之,在美国式的军民融合体系下,NASA的资金、技术为星链计划的孵化提供了重要基础。无怪乎SpaceX在关于NASA合同的官方声明中强调,SpaceX的成就离不开NASA的支持。

三、经略“最后边疆”的新基建运动

SpaceX的星链计划为卫星互联网的大规模商用提供了基建基础。卫星互联网是与当前日常使用的基站互联网截然不同的通讯体系。前者应用场景广泛,存在巨大战略价值,正在成为未来太空竞争和通讯竞争的一个重点领域。拥有航天能力的大国都在尝试打造属于自身的卫星互联网体系,中国发改委已经将其纳入新基建的范畴,欧洲的太空企业也部署了类似计划。目前,美国SpaceX一家独大,在卫星互联网领域一马当先。

卫星互联网具有巨大的市场潜力、军事潜力和战略价值,这也是各国都想部署同款“星链”的原因。首先,卫星互联网本身蕴藏极大的市场空间。SpaceX的内部文件表明,预计到2025年,星链计划的收入将超过300亿美元。在陆地基站难以覆盖的地区,市场原本由传统的卫星通信系统占据,但如今星链相对低廉的价格和低至20毫秒的时延,使其相较时延高达上百毫秒的卫星具有无可比拟的优势。其次,就军事潜力而言,星链计划的价值主要体现在通讯、监测、跟踪及导弹拦截等方面。“星链”计划可提供全球无死角的高速卫星互联网,不受天气、地形及地面基站的影响,为美军提供强大的通讯指挥网络。星链还能在对航天器进行跟踪的基础上做到导弹预警及拦截。最后,星链的战略价值体现在其对珍贵而有限的轨道资源和频谱资源的占领。任一固定高度的轨道所能容纳的卫星数量是有限的,更为重要的是,太空的频谱资源不但稀缺,还遵循“先到先得”的原则。“太空基建”的战略空间正在被数量庞大的星链卫星所蚕食。此外,由于星链卫星数量过多,应用反卫星武器摧毁的成本极其高昂,一旦按计划部署成功,要将其摧毁则困难重重。

作为通讯互联网的一种,星链常常被拿来与5G比较,甚至出现部分星链取代5G的言论,但目前两者各有优劣。5G是以陆基基站为基础的最新一代移动通信技术,而星链则是基于低轨卫星群组成的卫星星座,来提供天基互联网服务。根据2021年第三季度的测速报告,5G的下载速度整体高于星链。在时延上,星链也不及5G。不过,星链全球覆盖、不受地形干扰的特点使其在航空、科考、远洋通讯等领域具备极高的商用价值。

表5 5G及星链优劣势及应用场景对比

资料来源:笔者根据公开资料自制

通过对比可以看出,短期而言,以陆基基站为基础的5G通讯系统在陆地上的应用更具优势;但长期来看,以SpaceX为首的太空互联网体系可能会对陆基基站的体系产生根本性颠覆,这并非仅出于技术和经济考量,更多是为了实现安全和战略目标。5G是基于4G技术的推陈出新,而星链则是对传统卫星互联网的超越升级。二者技术迭代与创新的基础不同,因此也会演化出不同的市场体系。

5G的领先技术掌握在中国企业手中,而星链则是美国商业航天代表SpaceX在卫星互联网领域遥遥领先的证明。因此,问题的关键并非在于两者技术的差异,而在于不同技术体系和市场标准的竞争。5G商用略早于星链,由于两者在应用场景上互补的特性,在5G商用的基础上接入星链互联网,这本应是能够使人口密集的城市和人口分散的不发达地区共同受益的最好方法。但现实是,由于美国以“安全间谍”等“莫须有”的罪名大力打压华为5G技术和海外市场,部分国家已经禁止使用华为5G设备,纷纷转向了美国的星链“朋友圈”。随着加入星链互联网的国家不断增多,美国有可能带领其盟友形成以星链为基础的卫星互联网联盟,遏制中国在陆基基站互联网的技术优势,从而实现对中国通讯互联技术的弯道超车。

从陆地到海洋,再从天空到无垠的宇宙,人类的脚步正在迈向漫天星辰,大国竞逐的舞台也随之变换。大型卫星互联网的部署并非简单的商业模式竞争,根本上是大国战略竞争在“最后边疆”的延续。目前SpaceX的运载火箭技术和低轨卫星技术独占鳌头,牢牢占据卫星互联网的领先位置。越来越多的星链卫星在太空中“跑马圈地”,占领着越发珍贵稀缺的轨道及频谱资源,留给后来者进行“太空基建”的空间越来越少,中国在这“最后边疆”上的基建也将面临重重挑战。而2021年连续两次的星链卫星接近事件,则预示着大国围绕“最后边疆”竞争的一个新的开始。