中国航天产业链：把互联网建到月球去
本文为星船知造×澎湃号·湃客联合出品，作者：南庭芥，编辑：唐元元，原文标题：《星空产业链：轻抚宇宙的轮廓》，题图来自：视觉中国
费米悖论，一个关于星际旅行和外星人的科学悖论：如果广袤宇宙中存在大量外星文明，为什么我们至今没有发现外星人或者外星物品？
和费米悖论有关的众多猜测中，星船知造注意到一种：元宇宙发展太好，外星人大门不出二门不迈，都在家打游戏呢。
今天人类的想象力正同时向多个方向探索：向内，对虚拟世界的求索造就了今日元宇宙、人工智能、脑机接口等赛道的火热。向外，也从未停下向太空迈进的脚步。
毕竟，无论现实世界如何发展，虚拟世界如何繁荣，一个没有星际航行的人类未来始终是暗淡的。
我们星际航行踏足的第一片领地是地球的自然卫星。
月球，一片尚未开垦的处女地。
美国于1961年开始“阿波罗计划”。1969—1971的三年间，美国曾成功登月6次。近日，美国NASA航天局局长Bill Nelson称，在美国新一轮“阿尔忒弥斯计划”登月计划中，将送4名宇航员在月球停留300天（stay there for up to 300 days）。
但即使在美国，也有不少人认为，“阿波罗登月是假的”。因为如果是真的，时隔50多年，为什么没有一个美国人再次踏足月球？
50多年前，只有美苏开展太空竞赛。今天，登月更是一场综合实力的比拼。登月所需的各类技术只是先决条件之一，同样重要的是，让技术落地的能力。这个能力，就是产业链的协同制造。
支撑各国宇航员前往月球的背后，存在着一条巨大的航空航天产业链。它们汇聚成真正的“登月力量”。一旦产业链核心环节出现缺失、产业空心化等都将让登月难度指数级上升。
以美国“阿尔忒弥斯计划”、中国“探月工程”等为代表，各国今日的登月计划有更多任务、更高追求。
比如在月球建立卫星互联网，搭建通信网络，就是中国“探月工程”的一项重要任务，它也可能是地球的卫星互联网竞赛的2.0版本。
7月12日，蓝箭航天的朱雀二号遥二运载火箭成功发射，这是全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭。
液氧甲烷，作为目前全球公认的低成本可重复使用火箭的主流推进剂，相比目前技术比较成熟的液氧煤油发动机更具优势，仅次于液氢液氧推进剂。
马斯克的“星舰”火箭、贝佐斯的蓝色起源研发的BE-4，以及中国运载火箭技术研究院在研的新一代重型火箭长征九号，均采用了液氧甲烷发动机作为研发方向。
下文星船知造就中国航天产业链中的部分环节略作展开。这条由导弹、火箭、卫星、空间飞船以及深空探测器等航天装备构成的科技链，决定了中国能走多远、飞多高。
碳纤维：国产材料保障中国航天
减重，是航天飞行器结构设计与制造中考虑最多的问题之一。
碳纤维，正是结构减重的利器，也是航空材料主要三大细分赛道之一（碳纤维、高温合金及钛合金）。一般来说，碳纤维不会直接使用。通常以碳纤维为增强体，与树脂、金属、陶瓷等为基体结合形成为碳纤维复合材料。
位于嫦娥五号探测器系统最顶端的上升器，使用碳纤维复合材料，做到了结构自重占整器重量（769 kg）仅6. 2%（47. 758 kg），低于标准比例的7.6%。
2022年11月，NASA 新登月计划第一次发射的无载人火箭Space Launch System（SLS）的外壳也采用了橘红色的碳纤维复合材料。
再以上海航天八院抓总研制的新一代运载火箭为例，若能在现有金属贮箱的基础上减重30%，火箭的运载能力就会提升6%。在此基础上，火箭可以多搭载300公斤的载荷。对运力价格以克计的运载火箭来说，减重的重要性毋庸置疑。
碳纤维可按照力学性能、纤维数量、原丝类型进行分类。目前，国外应用较多的碳纤维包括M40、M40J、M55J 和M60J级高强高模碳纤维。
航天碳纤维是典型的“量少、价高”。2022年，全球碳纤维需求的应用领域中，航空航天军工领域占比仅14.9%。
太平洋证券数据显示，在2020年以前，航空航天领域碳纤维复材需求量仅在5%左右，但价值量（金额）却占到近40%。
碳纤维复材的自给自足，对保障航天事业顺利进行，对提高我国碳纤维行业进入高质量发展至关重要。2022年，是碳纤维行业国产替代的一个里程碑：国产用量首次超过了进口用量。
中国国内碳纤维需求量，曾长期处于“低水平”发展阶段，主要仰赖于进口产品。2018年，我国国内碳纤维需求量约为3.1万吨，但是自给率只有29%。
直到近几年，市场发生了天翻地覆的变化。国产碳纤维市场份额增速惊人。
从2019年的31.7%，2020年的38%，2021年的46.9%，到2022年，碳纤维自给率达到60.5%。根据赛奥碳纤维《2022全球碳纤维复合材料市场报告》显示，2022年中国市场碳纤维需求总量为74429吨，其中国产碳纤维供应量为45000吨。
星船知造总结国产替代跑出加速度的两大原因。二者缺一不可，同步共振：1. 持续扩大国内市场规模。2. 不断突破技术瓶颈。
2021年，中国大陆地区首次超过美国，成为碳纤维全球最大产能国。当年碳纤维产能达到6.34万吨，占全球总产能比重超过30%。
2022年国内碳纤维需求占全球比值约55.1%，成为全球第一大碳纤维消费市场。碳纤维需求的应用领域，主要得益于下游的风电叶片和体育休闲——两者拉动明显。2022年，这两大领域相关的碳纤维需求总和超过了43.5%。
但狂飙的碳纤维市场之下，中国碳纤维在航天领域的产能，却还是一度保持“慢速度”。
根据百川盈孚，截至2023Q1国内碳纤维总产能10.32万吨，但2023Q1新增1.4万吨均为T300级（T300级合计占比达72.9%，T700/T800产能占比仅为21.5%）。
“T”代表了技术难度，航天领域利用的正是T700/T800为主的“高T”产品。
高价值的“高T”产品的产能占比较小，导致的结果是中国仍然是高端碳纤维进口大国。产能阶段性过剩则主要集中在T300等通用级碳纤维领域。
国产替代通常有一个循序渐进的过程。在碳纤维领域，先把“低T”产品做大，获得资金，有助于对“高T”高性能产品的技术攻坚。二者彼此共生。
有了这个基本概况的了解，再来看碳纤维航天领域，就能得到更精准的全貌。
碳纤维在高端应用领域的核心诉求仍是性能突破。高性能进口比例不低，因此，以日本东丽为首的老牌碳纤维公司，在这一领域仍然赚取了大量利润。参考太平洋证券数据：军用碳纤维价格在3000~4000元/公斤，复材价格更是达到上万元/公斤，相比之下，民用碳纤维价格仅为约300元/公斤或更低。
“高T”和“低T”产品，二者价格相差10倍。处在碳纤维产业链上的企业，一旦绑定了航天军工的订单，会呈现高毛利的特征。
从全产业链看，制造碳纤维产品的上游原丝端与中游复合材料，是碳纤维产业链的核心环节。仅原丝的制造成本就占了碳纤维的51%。
在原丝领域，吉林碳谷市占率达50%左右。2022年，吉林碳谷国内碳纤维原丝产销量5万吨以上。
“吉林系”的吉利化纤集团在扩产能上，2022年实现了这一领域无人企及的神话：一年内，吉利化纤的原丝产能增加了50,000吨，碳化线产能增加了26,000吨。吉林化纤2023年一季报显示，净利润1207.77万元，同比大增124.65%。
原丝环节下一步，是碳纤维产品。
业务重点涉及航天军用的企业，以中简科技为代表，生产ZT7（性能优于同等级别下日本东丽的T700产品）及以上级高性能碳纤维系列产品，用于飞行器主承力结构件。
2012年中简科技生产的ZT7系列国产高性能碳纤维，首次真正应用在我国自主研发的航空航天装备上，打破了国外的技术封锁和限制。2020年11月13日，中简科技获得国家级专精特新“小巨人”称号，是第二批获得此称号的公司之一。
日前，中简科技官方发布消息表示，已具备更高性能的ZT9系列（T1000/T1100级别）碳纤维的产业化能力。对于中国航天碳纤维，或将进入一个新阶段。吉林化纤2023年一季报显示，中简科技净利润1.48亿元，同比增长63.67%。
主攻军民两用碳纤维的光威复材，生产上正在大力推动碳纤维T700级、T800级的产业化。谁能够先拿下T800级，亦是商战胜败的关键。
以上代表性企业中，中简科技因航天军用业务占比大，毛利率相对最高，2022年达75.63%。光威复材的碳纤维业务板块的毛利率，也维持在70%以上。
《中国制造2025》中提到，到2020年，国产碳纤维复材要满足大飞机技术要求，其用量达4000吨以上，到2025年基本实现高性能碳纤维的自主保障。
2022年12月9日，国产大飞机C919正式交付。作为国内首个使用T800级高强碳纤维复合材料的民机型号，碳纤维复材占C919机身重量的11.5%。
光威集团董事长陈亮曾评价日本厂商对国内的碳纤维供给，“全面涨价之外，高兴才给你点，不高兴就不给”。中国碳纤维受制于人的时代正在过去。
国产碳纤维在航天领域的速度，超过了业内预期。2022年，除了以T1100级、IM10级和M60J级等碳纤维为代表的顶级品种，其他“高T”产品均已经或正在实现工业量产。
卫星互联网：差异化竞争，6G空天地一体化挑战
中国打算让月球也通网。
探月四期工程推进之际，中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁宣布未来计划在月球上建立互联网。
借助月球互联网，可以实现在地月及行星际之间，进行通信、导航、遥感等功能。而通信、导航、遥感，三大功能正是地球卫星互联网的基本能力。
世界范围内，美国有“月球网”项目，欧洲有“月光计划”。但建立月球互联网，我们可能比其他国家走得更快。2018年5月21日，探月工程嫦娥四号任务，“鹊桥”号中继星发射升空。当嫦娥四号远离地球，在月球背面执行任务时，可以借助“鹊桥”实现通信。
“鹊桥”是世界首颗运行于地月拉格朗日Ｌ2点的通信卫星。2024年，鹊桥二号中继星将升空，为后续嫦娥六号、七号、八号任务提供中继通讯服务。
欧洲航天局的“月光计划”迟至2024年才会发射首颗月球通信中继星。美国国家航空航天局等机构要去月球，也需要和中国“鹊桥”合作。
在月球搭建互联网，某种程度上可以理解为“地球卫星互联网的翻版”。
中国探月工程让月球通网的故事，已经写在地球卫星互联网这一集里。
中国发展卫星互联网，星链是竞争对手之一。
马斯克的“星链”卫星在源源不断涌入近地轨道。2023年6月12日，SpaceX总计第87次“星链”组批发射完成，这也是今年以来“星链”组网发射的第20次。至此，“星链”卫星总计升空数量达到4595颗，其中2023年已升空数量为929颗。
和“星链”卫星对标并极具竞争实力的是中国星网。2021年4月28日，中国星网正式成立。7月9日，长征二号丙运载火箭成功将中国的“卫星互联网技术试验星”发射升空，中国星网建设迈入了实质性阶段。
截至2022年底，全球在轨航天器数量达到7218个，其中美国4731个，占全球总数的65.5%；中国704个，占全球9.7%，稳居世界第二。
导航卫星之中，美国GPS，一共有24颗卫星；中国北斗导航卫星在轨46颗。中国成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家，已有120余个国家和地区使用北斗系统。
世界各国在发射卫星前，需要向ITU（国际电信联盟）申报，该机构负责分配卫星的频轨资源，据“先到先得”的基本原则进行协调。所以马斯克狂放卫星，不妨理解为“抢太空资源”——抢占轨道坑位和频谱。
因轨道存在分层，后来者尚有机会。真正让各国展开卫星互联网竞赛的红线，是频率。好的频段竞争非常激烈。它直接决定了导航系统的品质。
首先，不同频段的信号差异很大。
例如在0.3Hz~10GHz频段间，通信损耗最少，被称为“无线电窗口”；其次是30GHz附近频段，损耗也相对较小，被称为“半透明无线电窗口”。
而被称为“黄金导航频段”的最优频率资源，早在上世纪就已经被美国和苏联几乎抢光了。对于其他国家来说，只能抢占为数不多的剩余次优频段。
美国的星链、中国的星网，主要在近地轨道提供宽带通信。面对强势扩张的星链，在频段竞争中，中国星网走差异化的道路。
中国“星网”申报的卫星频段落在Q/V频段，一定程度上避开了最拥挤的Ku、Ka频段，降低了申报难度。但建设成本也会增加。
在月球互联网的建设上，中国有一定的领先优势。那么问题来了，为什么我们在地球卫星互联网建设上相比星链看起来优势并不太明显？
一大原因是，中国基站实在太发达了。
互联网发展至今，基本形成了地面通讯网络与卫星互联网两种形态。
中国凭借强大基建能力，让广大农村地区也能轻松上网。2020年中国4G网络覆盖率就已经达到98%；截至2021年11月行政村已全面实现“村村通宽带”，累计支持全国13万个行政村光纤网络建设和6万个农村4G基站建设。2021年底，国内所有地级市、98%县城城区和80%乡镇都能被5G信号覆盖。
放在全球来看，这是非常炸裂的辐射范围。全球只有75%的农村人口接入4G网络，其中88%处于3G覆盖范围内，12%仍然使用30多年前推出的2G网络。
上世纪八十年代起，微软资助的Teledesic和摩托罗拉公司铱星星座都曾试图建设卫星互联网，取代地面互联网。这一批先行者统统以失败告终，未能挑战地面通信网络的普及。
结局现在大家都知道了。从2G、3G、4G到5G地面通信网络提供的蜂窝数据，以高性价比成为全球主流的通信手段。
可能改变竞争格局的是6G。6G的传输速度最高可达5G的100倍，通信时延是5G的十分之一甚至更低。更重要的是，6G能借助卫星互联网通信等技术，实现空天地一体化的全球无缝覆盖。
近日，中国信通院牵头立项的《卫星国际移动通信（IMT）未来技术趋势》正式获得通过，这是国际电信联盟无线电局（ITU-R）立项的首个面向6G卫星的研究项目，标志着面向未来的星地融合技术标准化工作迈出了一大步。
目前卫星互联网的产业链价值重心，正在向终端及运营服务转移。
根据SIA数据，2021年卫星服务实现收入1180亿美元，占卫星产业的比重达到42.3%。
两点原因让中国持续发展卫星互联网成为必然。
首先是国家安全。美国曾运用GPS导航卫星，在不熟悉地形的情况下横穿伊拉克西部沙漠。美国有GPS、欧洲有伽利略，中国也必须发展自己的北斗导航系统——防止受制于人。
其次是商业角度。在过去，发射火箭看上去像是在太空放烟花。有去无回，单次发射花费巨大。SpaceX的猎鹰9号目前已实现火箭多次重复发射。猎鹰系列火箭为目前成本最低的运载火箭。在重型火箭方面，长征9号可回收火箭也正在研制。
中国卫星互联网的一个当务之急，就是用更大的市场需求，来牵引整个产业链的持续升级。无人驾驶等技术的真正落地，也离不开地面网络与卫星互联网的推动。
值得一提的是星链火箭的商业模式。星链火箭采用的是自研火箭，负责从发射到运营的一条龙服务。而由国家主导的中国星网，类似三大运营商的定位，卫星需要其他供应商企业来提供。
2023年7月13日下午3时，中国举办了首次火箭竞拍。有卫星发射需求的企业都可以通过竞拍的方式，拍下进入太空的机会。竞拍的火箭是航天科技集团八院研制的长征六号丙运载火箭，起拍价格为每公斤8万元。
卫星互联网的搭建，商业卫星市场的爆发，背后都离不开国家集成化半导体设计制造等能力的提升。
尾声
地球上的贵金属元素，大多来自超新星爆炸。比如黄金并不产自地球。人类追逐迷恋的，从来都是璀璨的星辰。
五十多年前的7月20日，阿姆斯特朗登上月球。今年7月，中国航天领域也发生了两件大事——7月9日，长征二号丙运载火箭成功将中国的“卫星互联网技术试验星”发射升空；7月12日，朱雀二号遥二运载火箭成功发射。
一条由航空航天产业链构筑的通往星辰大海之路在不断延展，轻抚宇宙的轮廓。支撑着人类对于星空的想象。
参考资料
[1]《产业链视角的世界航天发展情况分析》 中国航天系统科学与工程研究院
[2]《我国未来探月工程任务对材料需求展望》中国空间技术研究院
[3]《嫦娥五号轻量化高精度上升器结构设计》北京空间飞行器总体设计部
[4]《新一轮载人登月渐近，亮点知多少？》中国航天报
[5]《长征系列火箭发射机会首次公开竞拍》央视网
[6]《嫦娥四号中继星成功发射 将搭建地月“鹊桥”》 新华社
[7]《航空航天产业链研究报告（2022年）》冯申
[8]《碳纤维行业深度报告：无惧短期扰动，23年把握三条主线》德邦证券
[9]《2022全球碳纤维复合材料市场报告》赛奥碳纤维
[10]《热点 | “飞天”逐梦武装高精尖，国产碳纤维奋战航空航天应用市场》中国纺织报
[11]《行研报告 —— 碳纤维》零度资本
[12]《卫星互联网行业专题研究：空天地泛在通信的必要环节》西南证券
本文为星船知造×澎湃号·湃客联合出品，作者：南庭芥，编辑：唐元元，本文不构成任何投资建议
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网址: 中国航天产业链：把互联网建到月球去 http://m.xishuta.com/newsview83636.html
