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载人航天行业分析报告

2017年载人航天行业分析报告

2017年7月出版

我国载人航天工程实施三步走战略，天舟一号任务是第二步收官之战

我国载人航天工程实施“三步走”发展战略。

1992年我国确立了载人航天工程“三步走”的发展战略。

第一步为载人飞船阶段，第二步为空间实验室阶段，第三步为空间站阶段。

从1999年神舟一号无人实验飞船随着长征二号火箭飞入太空，到2003年10月15日神舟五号将我国首位航天员杨利伟送入太空，标志着中国成为前苏联（俄罗斯）和美国之后的第三个将人类送上太空的国家，

2005年神舟六号完成多人多天飞行试验任务，我国载人航天工程用了6年走完第一步。

在第二步，我国相继顺利完成了天宫一号、天宫二号两个空间实验室和神七、神八、神九、神十、神十一载人飞船发射等重大节点性工程，即将发生的首艘货运飞船天舟一号任务将是我国空间实验室任务的收官之战。

我国计划于

2018年左右开启第三步空间站阶段，2020年左右建成空间站，2022年正式全面运营。

图1：

我国载人航天工程“三步走”发展战略

天舟一号任务将是我国空间实验室阶段的收官之战。

在第二步空间实验室阶段，2011年9月，我国成功发射了“天宫一号”目标飞行器，“天宫一号”

实际上是空间实验室的实验版。

之后我国又成功发射的“神舟八号”、“神舟九号”、

“神舟十号”分别与“天宫一号”顺利完成了有人及无人自动对接等重大试验。

2016年9月，我国首个真正意义上的空间实验室“天宫二号”发射成功，同年

10月，“神舟十一号”载人飞船与“天宫二号”对接，完成30天的中期驻留。

我国首款货运飞船“天舟一号”即将由长征七号搭载首飞上天，与天宫二号空间实验室开展实施交会对接、推进剂在轨补加、空间科学实验和技术试验等任务，天舟一号任务将是我国空间实验室任务的收官之战。

图2：

我国第二步空间实验室阶段历程

我国空间实验室系统全面突破

天宫二号：

我国首个真正意义上的空间试验站

天宫二号是在天宫一号基础上研制而成的我国首个真正意义上的空间实验

室，主要任务是突破掌握推进剂补加、大型组合体控制、中期驻留支持以及在轨维修等空间站建造所需的关键技术，并开展空间科学试验。

“天宫二号”于2016年9月15日成功发射，同年10月19日与“神舟十一号”完成对接，预计于

2017年4月20日左右与“天舟一号”货运飞船交会对接。

图3：

“天宫二号”结构图

图4：

“天宫二号”科学实验

表1：

中外试验性空间站对比

天舟一号：

主管空间站货物运输的首艘飞船

天舟一号是我国首个货运飞船，4月发射为天宫二号“太空加油”。

天舟

一号具有与天宫二号空间实验室交会对接、实施推进剂在轨补加、开展空间科学

实验和技术试验等功能。

天舟一号计划2017年4月在海南文昌发射场搭乘长征七号火箭首飞，任务一是为天宫二号空间实验室运送补给物资，二是主要验证推进剂在轨补加技术，为未来我国空间站的建设搭桥铺路。

图5：

天舟一号研制历程

天舟一号货运飞船运载能力跻身世界前列。

天舟一号是两舱构型，由货物舱和推进舱组成，总长10.6米，舱体最大直径3.35米，太阳帆板展开后最大宽度14.9米，起飞重量约13吨，物资上行能力约6吨，推进剂补加能力约

为2吨，具备独立飞行3个月的能力。

天舟一号货运飞船基于神舟飞船和天宫

一号的技术研发，只运货不运人，在功能、性能上都处于国际先进水平。

天舟一号的运载能力是根据我国未来空间站的规模设计的，飞船的装货能力有一个指标，叫载货比，是以最小的结构重量达到最大的装货能力，天舟一号可以达到0.48，这个指标目前在国际上是领先的，同时也是我国目前体积和重量最大的航天器。

图6：

天舟一号货运飞船指标介绍

图7：

天舟一号货运飞船结构

表2：

天舟一号与国外货运飞船对比

天舟一号今年将与天宫二号进行三次对接。

天舟一号货运飞船总设计师白明生介绍天舟一号发射上天两天后，首先完成一次交会对接，组成组合体进行两个月的在轨飞行，完成推进剂在轨补加试验，同时测试货运飞船对组合体的控制能力。

然后撤离天宫二号，从另一侧与天宫二号进行二次对接完成绕飞试验，然

后两个飞行器再次分离将独立飞行三个月，这期间，天舟一号主要完成搭载的空

间科学试验。

最后在这三个月的末期，天舟一号还要与天宫二号进行最后一次对接，验证自主快速交会对接技术，要求在6个小时左右实现对接。

图8：

天舟一号今年将与天宫二号进行三次对接

天舟货运飞船将作为我国空间站的五个模块之一，与核心舱、实验舱I、实验舱II、载人飞船（即已经命名的“神舟”号飞船）一起，在核心舱统一调度下协同工作，完成空间站承担的各项任务。

按计划，我国2018年将发射空间站核心舱。

到2020年，将建成由核心舱、实验舱、节点舱、载人飞船和货运飞船组成的总重80吨的空间站。

待到2024年，由美国和俄罗斯等国家主导的国际空间站退役后，我国或将成为全球唯一拥有空间站的国家。

图9：

天舟一号四大能力

图10：

空间站中的天舟一号

长征七号：

我国全新研制的新一代中型主力运载火箭

长征七号是我国全新研制的新一代主力运载火箭。

2016年6月25日，长征七号首飞取得成功，是我国全新研制的新一代主力运载火箭。

长征七号箭体总长53.1米，芯级直径3.35米，捆绑4个直径2.25米的助推器。

长征七号是一枚“数字火箭”，设计阶段全数字化，生产加工阶段“一键式”，试验装配应用“虚拟现实技术”，预计到2021年火箭各项技术趋于成熟稳定时，将逐步替代现有的长征二号、三号、四号系列，承担我国航天80%左右的发射任务。

图11：

长征七号研制历程

图12：

长征七号特点和性能

近地轨道有效载荷和发射可靠性均达到国际先进水平。

长征七号的近地轨道运载能力为13.5吨，700千米太阳同步轨道5.5吨，发射可靠性为98%。

它将承担我国未来的空间站物资运送补给重任，也可承担国内外主流卫星发射任务。

表3：

长征七号与国外中型运载火箭对比

长征七号运载火箭具有高性能、高可靠的显著优势，应用前景十分广阔。

与长二F相比，长征七号显著特点是运载能力更大，通过采用新型无毒无污染的大推力发动机实现了动力的更新换代、能力的跨越发展，它的近地轨道运载能力达到13.5吨，是以往火箭的1.5倍，其目标是“近期载货，远期载人；多种改型、全面覆盖”。

表4：

长征七号中型运载火箭系列改型

长征五号：

我国全新研制的新一代重型主力运载火箭

长征五号是我国目前运载能力最大的火箭。

又被称为“大火箭”“冰箭”“胖五”，是在2006年立项研制的一次性大型低温液体捆绑式运载火箭，也是我国新一代运载火箭中芯级直径为5米的火箭系列，它的地球同步转移轨道和近地轨道运载能力将分别达到14吨和25吨，已于2016年11月3日在海南文昌航天发射场首飞成功，由此成为我国运载能力最大的火箭。

图13：

长征五号研制历程

图14：

长征五号解构图

图15：

长征五号——冰箭

长征五号综合性能比肩欧美火箭。

在火箭综合指标上说，长征五号的LEO

轨道运载能力不仅超过了欧洲阿里安5和美国宇宙神5，也超过俄罗斯的质子

-M和安加拉-A5，尤其是由于文昌发射场纬度较低外加高性能氢氧发动机的优势，在GTO轨道运载能力上以14吨对6.8吨的优势远远超过安加拉-A5火箭。

表5：

长征五号与国外重型运载火箭对比

长征五号系列运载火箭分为六种构型，用字母A-F表示，分别对应其下属的六款火箭。

其中A、B、C为带助推器的一级火箭结构（即“一级半”），主要用于发射近地轨道航天器；构型D、E、F为带助推器的二级火箭结构（即“二级半”），主要用于发射高轨道航天器，其中构型D为基本型。

图16：

长征五号研制历程

长五将在探月三期和深空探测实施以及空间站和北斗建设中扮演主力军角色。

长征五号可以用于发射未来天宫号空间站的大型舱段，运用一箭四星发射北斗导航定位卫星，加速北斗导航系统的部署速度，其奔月轨道运载能力可达

8.2吨以上，未来将用它发射我国第一颗执行月球取样返回任务的嫦娥五号，大火箭运载能力的提高，还将用于发射未来2020年的火星探测器。

图17：

长征五号未来承担的重大使命

神舟十一：

目前我国最先进的航天员天地往返搭载平台

我国载人航天工程被定名为“神舟”号，代号为“921”工程。

1992年9

月21日，江泽民总书记主持召开中共中央政治局常委会议，做出了实施我国载

人航天工程的战略决策。

在这次会议上，江总书记明确指出，要下决心搞载人航天。

我国载人航天由此又掀开了崭新的一页。

我国载人航天工程被定名为“神舟”号，代号为“921”工程。

表6：

神舟飞船发展历史

神舟飞船跻身世界前列。

神舟飞船是典型的“三舱式”结构，由轨道舱、返回舱、推进舱三个舱组成，是载人飞船最复杂的舱型，航天技术较成熟的国家一般使用此结构。

从“神州八号”起我国神舟飞船基本定型，并有交会对接功能，可小批量生产，因而能提高可靠性、缩短研制周期。

和俄罗斯的“联盟号”相比，神舟飞船比“联盟号”更大，且具备更强的轨道行动能力，可以在任务结束后继续在轨停留半年以上，扩大子任务范围。

表7：

神舟十一与俄罗斯“联盟号TMA-01M”号对比

图18：

神舟十一号全貌

图19：

神舟十一号和天宫二号组合体

国际空间站经营模式转变，商业化低成本航天时代来临

空间站：

国际空间站运营成熟，2024年或转为私人运营

现代空间站的雏形，美国空间站的试验阶段——“天空实验室”。

天空实验

室基于“土星”火箭的S-IVB第三级设计制造，是美国的第一座空间站，也是当时曾经运行在地球轨道上的最大的飞行器。

第一批宇航员于天空实验室发射后

11天到达。

共有三批宇航员访问了天空实验室，他们分别进行了为期28天、59天和84天的三次任务。

进行了紫外线天文学实验与太阳x射线研究、地球遥感和生物与医学研究。

“天空实验室”一共执行四次任务，其中三次实现了载人任务，最后于1979年坠毁。

在这四次试验当中，载人航天技术得到了显著的发展，同时也为空间站的建立积累了经验，为之后的国际空间站的建立打下了良好的基础。

图20：

宇航员航拍下的“天空实验室”照片

图21：

天空实验室轨道车间结构示意图

表8：

美国空间实验室发展历程

美国空间站的成熟阶段——多国合作，共建国际空间站。

国际空间站（简称ISS）是一个由六个国际主要太空机构联合推进的国际合作计划。

这六个太空

机构分别是美国国家航空航天局、俄罗斯联邦航天局、欧洲航天局、日本宇宙航

空研究开发机构、加拿大国家航天局和巴西航天局。

参与该计划的共有16个国家或地区组织，以美国、俄罗斯为首，其他4个重要成员是欧空局、日本、加拿大和巴西。

欧空局成员国中参与到国际空间站计划的国家有：

比利时、丹麦、法国、德国、意大利、挪威、荷兰、西班牙、瑞典、瑞士和英国，其中英国是项目开始之后参与进来的。

图22：

天舟一号今年将与天宫二号进行三次对接

图23：

国际空间站（简称ISS）

美国空间站未来经营模式转变，由国家经营转向私人经营。

由美国、俄罗斯、欧盟等共同建设的国际空间站原定2024年退役，但美国国家航空航天局

（NASA）官员近日表示，该机构考虑届时把国际空间站移交给私营企业继续运营。

为维持空间站运行，NASA每年支付约40亿美元，约占航天局总预算的20％。

NASA现在已把空间站货运任务交给两家私企，下一步将把空间站载人任务也交给私企，以把工作重点转向火星，其目标是本世纪30年代实现载人登陆火星。

除了传统的科技研发之外，航天事业还可以更加商业化，实现较大的商业利益，而通过将其承包给私有企业，将更好的迸发出新的活力。

太空，向来是最能激发人类好奇心和探索欲的地方，而人类也一直都在将这种好奇转化为更为强大的技术能力，创造出全新的商业机会和产业市场。

货运飞船：

近年发展迅速，呈现商业化、低成本化趋势

各国积极参与，美国实现商业化。

目前，成功发射货运飞船的国家除了我

国外，还有俄罗斯、欧洲、日本以及美国。

近年来，货运飞船得到了快速的发展。

其中，美国的货运飞船成功实现了商业化。

近些年，欧洲、日本、美国相继发射了货运飞船。

图24：

近年各国积极参与货运飞船的发射

表9：

各国货运飞船各有特点、美国实现商业化

现有技术成熟、进一步控制成本成为趋势。

目前，在国外，货运飞船的相关技术都较为成熟。

目前，在国外货运飞船更倾向于利用现有制造的技术，尽可能控制成本，并拓展其他相应的技术，例如火箭回收技术，进一步的降低发射成本。

目前，美国SpaceX公司已经成功实现了一级火箭的回收以及再发射。

据称，此技术的实现可以降低发射成本30%以上。

随着火箭回收技术的进一步发展，成本进一步降低，货运飞船完全实现商业化指日可待。

表10：

控制货运飞船发射成本成为发展趋势

龙飞船标志着商业化、低成本的货运航天时代来临。

龙飞船由太空民企-美国太空探索技术公司（SpaceX）牵头研发，是全球屈指可数的商用太空飞船之一，是世界上第一艘由私人公司研发的航天飞船。

第一代货运龙飞船于2010年

12月8日试飞成功，2012年5月22日发射成功，2012年10月7日发射升空，首次向国际空间站运送重达455公斤的货物。

SpaceX的目标是将航天运输的成本降到最低，为了降低成本，SpaceX甚至从网上购买过二手仪器，找最便宜的打捞公司打捞火箭残骸。

该公司单次费用为1.33亿美元，是目前发射成本最低的公司。

图25：

美国龙飞船

火箭动力：

固体发动机助推器、液体发动机主级依然是首选，火箭技术稳步发展，成本不断降低

固体火箭发动机结构简单、成本低，依然是助推器首选。

货运飞船的动力系统包括助推器和运载火箭。

助推器的基本元件有发动机（含壳体，推进剂，点

火器和喷管），主结构体，分离系统，飞行控制仪器，设备减速系统推力矢量控

制器，回收系统，安全自毁系统。

目前，助推器主要分为固体助推器和液体助推器。

两者各有优缺点，固体火箭发动机结构简单、造价便宜，便于回收。

液体火箭发动机安全性较高，可紧急关机，比冲高。

可以看出，除了苏联和欧洲使用过液体推进器外，其余国家基本使用的是固体推进器。

就目前来说，固体推进器依然是货运飞船的首选。

这主要是因为固体推进器的技术成熟，成本低。

这也说明目前大家的关注点依然在如何降低成本以及提高稳定性上。

图26：

美国航天飞机固体助推器基本结构

图27：

固、液助推器

表11：

固体助推器依然是货运飞船首选

表12：

固、液助推器各有优缺点，固体助推器成本更低

美俄处于运载火箭霸主地位，主级动力采用大推力高能量的液体火箭发动机。

运载火箭末级有仪器舱，内装制导与控制系统、遥测系统和发射场安全系统。

有效载荷装在仪器舱的上面，外面套有整流罩。

它每一级都包括箭体结构、推进系统和飞行控制系统，级与级之间靠级间段连接。

美俄两国在运载火箭的实力上依然处于霸主地位，各运载火箭主级动力方案大多采用成熟的液体火箭发动机，可以降低火箭总体的总质量、提高可靠性和保证研制进度。

图28：

运载火箭的基本结构

表13：

美、俄依然处于霸主地位，更倾向使用技术成熟的发动机

表14：

大推力发动机依然是液体发动机的首选

运载火箭回收技术取得突破，可进一步控制成本。

目前的运载火箭都是一次性使用，发射成本很高。

美国太空探索技术公司（SpaceX）于美国东部时间2015年12月21日成功发射并且成功回收一级火箭，并与2017年3月31日实现了回收火箭的再发射。

猎鹰-9火箭标准报价为6200万美元，发射至近地轨道最大载荷22.8吨；发射至地球同步转移轨道最大载荷8.3吨。

回收“猎鹰-9”火箭第一级并重复使用，火箭的成本将再降低70%，如果回收第一级和第二级，火箭的发射成本将降低98%，SpaceX公司多次海上回收火箭，对于降低航天发射成本具有巨大的推动作用。

图29：

运载火箭回收技术发展，进一步控制成本

航天经济延续繁荣势头，未来十年我国载人航天市场规模接近500亿元

全球航天经济延续繁荣势头，2015年实现3230亿美元收入

2015年，全球航天产业继续稳步向前，延续繁荣发展态势，全年总收入约为3229.4亿美元，略低于2014年的3290亿美元，主要原因是以美元计价的产业收入受美元升值影响所导致。

如果均以各国的本国货币进行统计，全球大多数国家的政府预算和商业航天收入相较2014年均呈增长趋势，发展势头良好。

其中，商业基础设施与保障业收入1200.9亿美元，商业航天产品与服务收入

1263.3亿美元，全球政府航天预算与商业市场收入保持约1:

3的比例，为765.2亿美元。

若以卫星产业和非卫星产业划分，则卫星产业收入占比为62%，非卫星产业占比为38%。

非卫星产业主要包括载人航天飞行收入、非地球轨道航天器收入和政府预算。

图30：

2005-2015年全球航天产业收入

图31：

2015年全球航天产业收入（亿美元）

图32：

美国航天基金会定义的航天经济构成

图33：

2015年全球航天产业、卫星产业收入概况

我国载人航天进入新篇章，未来商用太空旅游前景广阔

我国载人航天领域稳步发展，货运飞船即将实现零突破。

载人飞船领域，当

前掌握载人航天技术的只有美国、俄罗斯和我国。

2016年，我国成功发射神舟

十一号飞船，顺利完成第6次载人飞行任务，从神五到神十一的13年，我国平均每两年发射一次载人飞船，未来随着空间站建设，载人飞船发射频率会有所提高；俄罗斯在2016年成功发射了“联盟号”MS-01、MS-02和MS-03三艘载人飞船，为国际空间站运送了7位宇航员；而美国在2011年发射“亚特兰蒂斯”号航天飞机后，至今未发射过载人飞行器，因此当前各国宇航员都通过俄罗斯载人飞船送往国际空间站。

目前美国的下一代载人太空船“猎户座（Orion）”的研制工作目前正在进行，未来将会作为载人月球及火星计划中的一个关键装备。

货运飞船领域，俄罗斯、美国、欧洲和日本的货运飞船当前都与国际空间站进行对接。

我国的货运飞船“天舟一号”实现货运飞船零突破，“天舟”系列未来主要服务于我国自己的空间站。

随着2020年我国航天事业进入第三步空间站建设，以及国际空间站预计于2024年退役或转为私人经营，我国未来极有可

能成为全球唯一具有政府经营的空间站的国家。

届时，国际社会都有可能参与到

我国的空间站运营，我国在载人航天领域将掌握更多话语权，航天事业进入新篇章。

商业发射领域太空旅行处于起步阶段，到2030年年均收入达到30亿-45亿美元。

从广义上来说，常被提及的太空旅游至少有4种途径：

飞机的抛物线飞行、接近太空的高空飞行、亚轨道飞行和轨道飞行。

当前比较成熟的高端太空旅行是亚轨道飞行，而真正意义上的太空旅游是轨道飞行，其市场并未成熟。

2012-2015年，亚轨道商业载人飞行稳步发展，每次每人成本在10-15万美元，实现了年均1000万美元的收入。

在轨道飞行领域，目前轨道飞行单次票价保持在2000万美元，由于费用昂贵，全球经历过轨道飞行的还不超过十人。

未来随着航天技术和商业模式的成熟，亚轨道飞行和轨道飞行的费用都有望下降，从而扩大太空旅游市场。

到2030年，亚轨道飞行有望达到年均10亿-15亿美元收入，轨道飞行太空旅游市场有望达到年均20亿-30亿美元。

太空旅游总市场可达到年均30亿-45亿美元。

图34：

太空旅游的四种模式

表15：

主要太空旅游公司亚轨道飞行产品

我国18年将开建空间站，未来十年载人航天市场规模接近500亿元

我国空间站将于2018年开建，2020年左右建成并开始运营。

目前，我

国己全面展开空间站研制建设工作，空间站工程己全面进入初样详细设计阶段，

同时我国正在进行空间站各舱段及新型运载火箭和其他相关设施研制，此外也在

开展空间站运营管理和运营总体技术方案的深入论证。

预计在2018年左右，我

国将研制和发射空间站试验核心舱，对空间站组装建造、舱外操作、航天员长期驻留等空间站关键技术进行飞行验证。

飞行验证结束后，对试验核心舱及空间站建造技术进行全面评估，满足要求后，发射实验舱开始进行空间站建造。

预计

2020年左右空间站完成建设开始运营，开展科学研究和太空实验。

空间站基本构型包括核心舱、实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ，采用水平对称T形构型作为空间站三舱组合体基本拓扑结构，所有舱段均位于组合体当地水平面内。

核心舱居中，实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ分别连接于两侧。

核心舱有五个对接口，可以对接一艘货运飞船、两艘载人飞船和两个实验舱，另有一个供航天员出舱活动的出舱口。

图35：

我国空间站基本构型

表16：

我国未来空间站主要构成

未来10年，我国载人航天工程市场规模接近500亿元。

我国空间站的基本舱段囊括了一个核心舱，一个实验舱I和一个实验舱Ⅱ，三者均将在2020年之前发射升空。

核心舱与实验舱的重量均为20吨左右，假设造价约80亿元左右。

参考国外同类型火箭的发射费用，结合国内航天业实际情况，长征二号F火箭与长征七号火箭的单次发射费用5亿元左右；长征五号火箭由于其两倍于长征七号的运载能力，单次发射费用8亿元左右。

假设在空间站正式建成后，我国每年向空间站发射一次神舟载人飞船和天舟货运飞船，飞船造价约10亿元

/艘，未来10年，我国空间站制造和发射总市场规模接近500亿元。

表17：

未来10年我国载人航天工程市场规模接近500亿元

企业分析：

航天电子、中国卫星、航天动力、航天机电

航天五院负责未来空间站相关的大部分飞行器的总体研制工作，航天八院负责实验舱Ⅱ“梦天”号的总体研制工作。

无论是核心舱、实验舱，或是神舟载人飞船以及天舟货运飞船，其分系统——动力系统、控制系统、能源系统等，均由相关