航天任务设计产业深度调研及未来发展现状趋势

航天任务设计产业深度调研及未来发展现状趋势

航天产业行业概况航天产业是以航天技术为主导、多种学科专业集成的综合产业，应用领域广泛，包括通信、导航、遥感等，产业链包括航天器制造、航天器发射、航天器服务、管理和应用等。航天产业上游为航天器制造，中游包括发射服务和卫星运营，下游为各种终端应用领域；航天测控管理涉及航天产业中游的发射业务及卫星运营，航天工业设计涉及航天产业上中下游。航天产业是国家综合竞争力的集中体现，在国家经济社会发展中发挥着重要作用，具备显著的经济特征和技术特征。航天产业的经济特征明显，主要包括：①用途广泛。航天产业在特种领域、民用及商用领域应用场景丰富。特种领域航天以提升在太空方向的国防能力为目的，通常由特种领域用户制定目标、由政府主导投资建设，并由特种领域用户或相关政府部门运营；民用航天以社会效益为目的，由政府、企事业单位、科研院所等负责开展，主要包括对地观测、空间探索及载人航天等；商业航天以盈利为目的，由民营企业主导，以航天产品开发、系统运营、应用服务为核心。②产业带动效应显著。航天技术对衍生产业的拉动作用明显，带动了电子、材料、制造、化工、冶金、纺织多个行业的发展，整体效益十分明显。③投资额度高、开发风险大。航天产业的发展需要高投入，据Euroconsult（欧洲咨询）的报告，2021年世界各国在太空部门上总共花费920亿美元。同时航天活动涉及多学科、多部门统筹协调，未知因素多、探索性强，具有较高风险。然而，航天及其应用所产生的效益更大，投入产出比较高。航天产业的技术特性主要包括：①航天工程的高风险性。航天器需要在远离陆地的外太空、缺乏人类现场支持、真空及超低温等恶劣环境下以自主运行模式完成任务，航天器全生命周期内的运营风险较高；②航天工程的复杂性。航天工程系跨学科集成，跨行业协作，系统庞大，参与人员众多，技术和管理复杂性高；③航天工程的先进性。航天工程系统和产品研制需要集最新科技成果之大成，即需要综合运用相关专业领域最前沿的研究成果，使得航天工程成为技术先进性最为突出的复杂工程系统。航天行业市场规模近年来，随着国际国内航天产业发展提速，航天测控管理和航天工业设计行业也迎来快速发展。美国《2021年航天工业基础现状》报告指出，2020年全球太空产业规模为4，469亿美元，较2010年增长了55%，预计2040年前将达到1-1．5万亿美元，2050年前达到2．7-10万亿美元。根据《2021中国的航天》白皮书，2016年至2021年我国共完成207次发射任务，其中长征系列运载火箭发射共完成183次，共发射通信、导航及遥感卫星合计245颗。根据Statista预测，2020年至2030年，全球航天产业经济规模将由2020年度的3783亿美元增长至2030年的5996亿美元，年均复合增长率达4．7%。其中，根据数据，2015年以来我国商业航天市场保持高速增长，预计2024年市场规模将达23，382亿元。国际国内航天产业规模的快速增长，给作为重要技术支撑的航天测控管理和航天工业设计创造了大量市场需求。根据Statista预测，航天产业衍生应用市场2020年至2030年复合年均增长率将高达60．2%。我国航天产业发展迅猛，由此对航天工业设计和航测控管理的技术也提出了更高、更大、更深层次的要求，也带来更加旺盛的航天工业设计需求。行业内龙头企业在政策指引下，也逐步拓宽航天测控管理、航天工业设计的应用领域和应用方向。同时，近年来各主要航天大国相继推出了数十个星座建设计划。美国近几年利用已有技术优势深化对太空资源的争夺，通过SpaceX加速实施星链计划。截至2022年5月23日，SpaceX已经发射2，653颗星链卫星，其中1，800多颗（包括近300颗在轨备份星）处于工作状态，并计划在未来10年之内完成一个由42，000颗卫星构成的巨型星座。我国则于2021成立中国卫星网络集团，开启单位星座计划整合之路，公开发布的星座计划卫星数量合计1，700余颗。目前仅入轨20余颗卫星左右，实施率不足2%。全球庞大的星座建设计划为航天测控管理提供了广阔的市场空间和发展潜力。我国航空航天行业市场发展前景目前我国航空航天行业处于成长期阶段，经过半个多世纪的努力，基本建成了中国的航空航天工业体系，航空航天工业在国防和经济建设中发挥着越来越重要的作用。航空航天为科学研究的发展做出了重要贡献。航空技术为人类提供了从空中观察自然界的条件。航天技术开启了从太空观测、研究地球和整个宇宙的新时代。通过航天活动获得的有关地球空间、行星际空间、太阳系和宇宙天体的丰富信息，更新了人类对地球、行星和宇宙的认识，推动了天文学、空间物理学、高能物理学和生物学的发展，形成了一些新的学科分支。空间实验室的特殊环境，可以被用于开展许多在地球上无法完成的物理、化学、生物、医学、新材料和新工艺等方面的综合研究工作。中国商业航天产业发展趋势在航天强国的发展思路下，中国航天进入创新发展的快车道。在航天技术的推动下，长征十一号、捷龙一号、谷神星一号等商业航天运输系统得到进一步发展，资源三号03星、高分多模综合成像卫星等商业空间基础设施，以及商业发射场与测控等技术与系统都得到蓬勃发展。在国家战略支持下，商业航天产业将在十四五期间进一步实现跨越式发展，满足经济建设、科技发展、国家安全和社会进步的发展需要。虽然近几年中国商业航天产业获得了长足发展，已经初步形成了商业航天新生态，但是商业航天仍处于产业发展的初级阶段。随着商业航天的应用范围及场景不断扩展，产业发展空间及潜力极大。2021年中国商业航天产业披露的融资金额达64．5亿元，融资事件共有35起，资本市场看中商业航天产业处于创新发展的快车道，予以高度关注并向商业航天持续投入资本。2018年是中国航天大放异彩的一年，全年发射39次。北斗建设提速，电磁监测试验卫星等国家项目上马，并且2018年中国商业航天公司在沉寂多年后开始崭露头角等要素，都为中国航天崛起提供了实质性的支撑。而这种进步也使得全球火箭每年发射次数突破100大关，并且基本能够维持在每年100箭的水平。根据目前市场公开的消息，单就中美俄三国在2021年规划发射的火箭就高达135枚，如果疫情能够得到控制，使计划顺利实施，那么2021年将创下人类火箭发射记录。在2018年中国航天明显提速后，2019年12月27日，具有决定性影响的长征五号火箭复飞成功，这代表中国在空间技术领域有了实质性的突破。运载能力的提高，很快会对深空探测，太空资源应用，自然科学等领域产生促进，这也将对固有的欧美排我性航天联盟形成冲击。恰逢科技成为全球竞争新格局的焦点，所以美国很快对航天领域展开进一步部署，太空军的成立，重返月球计划等都力求在航天领域对中国保持绝对优势。整体来看，未来依然充满艰险。目前，火箭推力与运载能力决定人类可以携带多少设备和资源进入太空，所以在发射频率提高之外，火箭能力的提升也是全球航天发力的关键要素。中国长征五号之后的新火箭，在起飞推力方面和过去有明显的提升，这也是中国航天产业未来想象空间的先决条件。中国的天宫空间站核心舱重量22吨，所以从全球现役火箭运载能力上看，能够负担近地轨道20吨以上重量这种任务的火箭只有六型。而这六型火箭在执行地球同步轨道以及更艰巨的深空探测任务时，可负担的载荷重量也非常有限，所以从全球视角来看，人类飞出地球摇篮的能力依然较弱。值得安慰的是，中国长征五号的运载能力已经达到国际顶尖水平，这也使在太空探索领域有了新的话语权。航天工业设计行业趋势（一）新兴技术进一步推动航天工业设计市场需求近年来，我国航天事业突飞猛进、在多个领域取得重大突破，北斗导航、载人航天、深空探测、运载系统等诸多工程异军突起。这些成就标志着我国从世界航天大国迈向航天强国，反映出我国航天实力不断增强，也对航天工业设计提出了更高的要求。随着我国航天任务的复杂化、航天工业信息化程度不断提高，对航天工业设计的应用需求也越来越迫切。航天工业设计技术与手段正在向数字化、高效化、信息化、智能化等方向演进。当前业内研究热点包括复杂系统建模仿真理论与方法、网络化建模仿真、虚拟现实技术与仿真融合等。此类技术吸纳了新兴电子信息技术的研究成果，对传统建模仿真等设计手段的理论、方法与平台技术提出了严峻的挑战，将对航天工业设计的继承与发展产生重大影响。航天工业设计不仅将在功能、任务、应用场景等方面更加丰富，而且也正逐渐在立项论证、方案设计试验验证、生产制造、定型评估、服务保障等航天任务全生命周期发挥更大作用。（二）特种领域等传统应用方向的航天工业设计需求增加特种领域是航天工业设计的传统应用方向。一方面，根据《新时代的中国国防》白皮书，2012年以来，中国国防支出进入适度增长阶段，总体保持与国家经济和财政支出同步适度协调增长。2015年至2022年，中国国防支出从9，087．84亿元人民币增加到14，760．81亿元人民币，年平均增长7．17%。国防开支的增长为航天工业设计创造了更广阔的市场空间。另一方面，随着未来各国对太空主权、混合战的深化发展，装备的现代化，装备自动化、智能化程度将不断提高，同时，由于航天相关领域的高风险、高价值和高投入的特点，相关单位对航天装备的数字化论证和设计的要求更加迫切，航天工业设计的需求更复杂、经费投入也持续增加。整体来看，航天工业设计在特种领域等传统应用方向的需求将持续增加。（三）航天工业设计标准持续完善随着太空技术的成熟与太空商业化的推进，在太空民主化的趋势逐步显现的背景下，美国基于对自身太空能力及其面临的威胁进行的评估与反思，促成其太空战略理念经历了从新边疆到高边疆再到最后的边疆两次转变。受此影响，全球太空竞赛加剧、太空的武器化进一步加速，也造成国际分化且压缩中国参与国际太空合作的空间。目前，我国航天工业设计技术在建模、操作、算法、系统、平台等方面尚未形成统一标准，导致不同单位、不同建模平台之间在统筹规划、设计、研制、集成等方面存在数据与信息孤岛现象，导致数据利用率低。为支撑未来更高的航天布局需求，标准先行是确保航天工业设计有据可依、层次情形的基础，航天工业设计的标准也将持续完善。综上，随着中美两个主要太空大国在航天领域的持续投入，作为重要技术支撑的航天工业设计技术将持续迭代优化、标准也将持续完善。航空航天行上游材料碳纤维是由有机纤维（主要是聚丙烯腈纤维）经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料纤维。碳纤维的含碳量在90%以上，具有强度高、比模量高（强度为钢铁的10倍，质量仅有铝材的一半）、质量轻、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小、耐高低温等优越性能，是军民用重要基础材料，应用于航空航天、体育、汽车、建筑及其结构补强等领域。相比传统金属材料，树脂基碳纤维模量高于钛合金等传统工业材料，强度通过设计可达到高强钢水平、明显高于钛合金，在性能和轻量化两方面优势都非常明显。然而碳纤维成本也相对较高，虽然目前在航空航天等高精尖领域已部分取代传统材料，但对力学性能要求相对不高的传统行业则更看重经济效益，传统材料依然为主力军。根据测算，2021-2030年军机列装扩编是高温合金市场的主要增量点，总规模约为497亿元，2030年军机换代基本完成后，维修需求是高温合金市场的主要贡献点，年均市场规模达到295亿元。假设2021-2030军机列装数量平均分布，年均49．7亿元，那么2030年高温合金总市场规模约为345亿元。2020年我国高温合金市场规模达到231亿元，其中航空航天部分占比55%，约为127亿元。2021-2030年我国高温合金市场规模CAGR约为10．5%。航空航天制造工程是航空航天高科技产业的重要组成部分。航空航天工业就其行业性质来说，是属于制造业范畴的。现代航空航天制造技术是集现代科学技术成果之大成的制造技术，远远高于一般机械制造技术，日益由一般机械制造向高技术和提供技术密集型产品的高精尖先进制造技术的方向发展。航空航天是人类拓展大气层和宇宙空间的产物。经过百余年的快速发展，航空航天已经成为21世纪最活跃和最有影响的科学技术领域之一，该领域取得的重大成就标志着人类文明的最新发展，也表征着一个国家科学技术的先进水平。航空航天材料的发展对航空航天技术起到强有力的支撑和保障作用;反过来，航空航天技术的发展需求又极大地引领和促进航空航天材料的发展。21世纪以来，航空航天事业的发展进入新的阶段，将会推动航空航天材料朝着质量更高、品类更新、功能更强和更具经济实效的方向发展。航天行业竞争格局随着航天事业快速发展，航天测控管理与航天工业设计将更加激烈，率先研判未来发展趋势并提前迭代技术适应改变有助于企业脱颖而出，行业竞争逐渐向智能化、多任务化方向转变，并与太空数据深度融合。（一）航天测控管理服务与太空数据深度融合传统航天卫星功能单一、轨道卫星数量少，因此测控任务可以重点依靠投入资源和增加人力模式完成需求，但是随着各类卫星星座等项目的持续推进，以及航天器的商业应用日趋普及，以平台载荷为核心的航天测控管理服务模式，正通过与各类太空数据深度融合的方式，进一步提升测控管理水平。（二）航天工业设计愈加复杂、需求增多随着我国及全球航天事业的发展，航天器在轨数量将愈来愈多、规模愈来愈大，应用与功能模式愈加复杂，如通信、导航和遥感卫星融合系统相互增强，突破单一种类卫星性能，其仿真、测控指令与难度将大幅增加。在传统单卫星仿真与测控任务之外，多星同时仿真、测控支持、星座在轨运行管控等需求对地面网络提出极高的要求，极大增加了航天工业设计与测控系统的操作复杂性和负担。（三）商业航天领域向虚拟现实与人工智能方向迈进人工智能领域的战略布局是近些年来各国发展热点，是提升国家竞争力的重要手段。我国虽起步较晚，但在政府与社会各界的支持下，取得迅速发展。我国在语音及图像识别、中文信息处理、机器翻译等方面已处于世界领先地位。未来随着航天卫星等数量以及功能的快速扩张，未来架构将会是多星、多中心、多站架构，整个智能化测控系统中、虚拟现实仿真系统将实现星上各种数据的直接处理及卫星的精准仿真与自主管控。航天行业发展历程1971年，前苏联发射了世界第一座空间站礼炮一号，在轨运行近半年后，礼炮一号空间站结束任务。辗转来到1986年，和平号空间站核心舱发射升空，由此开启了人类长时间驻留空间的历史。和平号空间站运行的15年间，共有31艘载人飞船、62艘货运飞船与其对接，28个长期考察组和16个短期考察组先后访问过和平号空间站，共进行了16500次科学试验，完成了23项国际科学考察计划。直到2001年和平号空间站坠落于南太平洋预定海域。1998年，至今还在运行的国际空间站曙光号功能仓发射升空，后续国际空间站的建成，延续了人类驻留太空继续完成科学实验的使命。预计2024年到2028年间，国际空间站也将退役。截至目前，尚无新的国际空间站建造计划发布。在此期间，中国天宫空间站核心舱预计2021年发生升空，整体空间站预计2022年投入使用，曾经将中国拒之门外的欧美排我性太空联盟进得以进一步瓦解。而此举也意味着，困扰中国多年的长时间空间环境问题得以解决，未来天宫空间站内的科研实验和相关技术验证，都将对中国未来空间技术和自然科学的进步提供巨大支撑。而且随着詹姆斯韦伯太空望远镜在今年大概率发射升空，美国X37B空天飞机及中国可复用航天器的重大突破，未来长期驻留空间的太空应用将成为国际航天的发展重点，这些都势必让中国航天的战略重心，由空间往返，向空间驻留转移。2020年全球共发射卫星1281颗，其中星链卫星占833颗，2021年疫情如能得到稳定，卫星发射数量将创下新高。如果排除星链卫星数量对数据的干扰，可以发现自2018年开始，全球对于空间应用的探索与开发迎来新高潮，各类科学、深空探测和技术验证类卫星和航天器发射占比显著提高，2019年达到峰值45．4%，2020年骤然降低亦是疫情影响。这背后得原因是：随着运载能力和科技能力的提高，卫星和航天器等载荷质量和能力都得到了有效提升，这使人类具备了在宇宙中实践更多新技术的能力，这些能力如果成为生产力，就需要大量试验卫星验证。量子通信、空间站、引力波探测以及新型太空望远镜等复杂应用都将享受卫星工业能力提升带来的支持，广义上看，星链卫星本身也是新的空间应用。并且，这个趋势伴随而来的问题是，新型材料和新技术需要在空间中得到可行性的验证，这亦会促进科学验证类卫星的发射规模。通常这类材料和技术验证卫星需要至少两年的在轨时间监测，可以预计2022到2024，科学验证类卫星的成果会集中显现。2016年6月25日，长征七号从海南文昌发射场顺利升空并完成任务。对标美国卡纳维拉尔角空军基地，这标志着我国也拥有了可最大限度利用地球自转惯性的优质发射场。经过四年的发展，长征五号，长征五号B，长征七号甲，长征八号等高性能新火箭，都从文昌顺利升空，并完成包括天问一号在内的深空探测任务的发射，基建保障能力得到完美验证。进入2020年，中国航天产业链上相关的民营机构加快基础设施的建设，在全球各地相继建好测控站，并与国际机构达成战略合作，提高了中国测控能力，并以商业化的方式，在一定程度上降低了成本。但相比于美国和俄罗斯这两个传统航天强国来说，我国基础设施还需要继续强化，美国不仅在发射场数量上有优势，仅卡纳维拉尔角空军基地一处发射场的发射工位，就比中国四个发射场发射工位的总和还要多。而且值得注意的有两点，第一是美国很多发射场是只供近地轨道发射的，第二是蓝色起源和SpaceX这两个商业航天公司均有属于自己的专用发射场。航天是一个需要实证和技术验证的系统工程，所以这些低轨发射场和专用发射场，对美国本土的航天技术发展大有裨益。2016年至2019年，美国探空火箭发射次数呈现上升趋势，探空火箭以及由常规火箭送入轨的试验卫星，都是为了下一代技术储备进行的必要实验，而中国在这方面却略显保守。实际上对于中国的商业航天来说，迅速积累大量实验数据，是有效降低航天整体成本，提升效率，研发新材料等科研任务的重要方法，随着中国整体航天能力的增强，未来实验验证体系也必然随之完善，由此会带来新市场和新需求。除此之外，基于星链计划带来的全球低轨星座热潮，也将为中国航天带来新的需求。除了低轨通信星座以外，低轨导航增强星座，低轨物联网星座都是基于低轨技术衍生出来的新生事物，这些星座在理论上可以对当下互联网公司、新能源汽车公司、智能装备公司和智慧城市等产业链相关方的建设提供助力，无论哪一个星座率先组网，都将引爆这个市场。火箭是目前人类往返宇宙空间的最主要手段，但是航天的需求、技术的难度以及空间里可做的事情三者制约着火箭的发射成本，而往往需求和成本之间又互为因果，所以产业内常常陷入一个死循环。这个死循环的逻辑对于中国航天的潜在伤害非常大，因为在元器件生产领域，规模效应起不来就不会有更多的商业机构涉猎其中，当竞争者固定，订单固定以后，所有的弊病就会逐渐爆发，随之而来的效能问题就会成为产业的慢性病。这是中国航天火箭产业链的基本环境。对于航天产