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1、航天工业设计行业投资价值分析及发展前景预测一、 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
2、。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
3、。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454%，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
4、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
5、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
6、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
7、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。对于航天产业自身来说，其无法控制航天需求的多寡，只能从产业自身着手，破开上述死循环，所以降低火箭的发射成
8、本就是制约全球航天产业发展最核心的问题。对于外界来说，火箭运输工具的属性与地表运输工具之间的近似性太大，以至于大家都会以制造业的思路去审视火箭，这样一来，制造工艺，原材成本等与物料息息相关的问题免不了成为最核心关注的问题。但实际上，火箭作为发射服务的一环，从立项设计到最终发射是一个庞大的系统工程，每一个分系统的制造环节，其问题源头都可以追溯到设计和系统工程理念方面的问题。火箭无论是哪一个分系统，其逻辑都是要从设计线，生产线，测试线依次思考，而显然在生产和测试端能解决的问题有限。一系列测试和生产制造的问题，其根源都是设计之初的自身实用主义，导致系统整合在一起的时候，多了过多的冗余对接流程。这种对
9、接流程不但使各系统更加繁琐，电气元件越来越多，管线电缆越来越复杂。还为发射前的总装和检测带来了隐患。历史上有一些发射任务出现问题，就与接口过多有关。如今模块化生产已经成为工业口的趋势共识，理想状态下，每个系统之间的接口对接，只需要一进一出，并且需要保障不同功能所用接口的制式相同。这样做的好处不仅仅是结构简单化，还可以大幅节约测试成本，几乎只用一次测试就可以完成。对于最核心的动力系统，占全箭成本的70%到80%，所以其他系统无论采取怎样的方式降低成本，都不会对整枚火箭成本有实质性的影响。而火箭的动力系统随着火箭发射任务的结束，就一次性的消耗掉了，只要不对一级火箭进行回收，这70%到80%的成本就
10、绝无降低的可能，这也是为什么不能以工业生产的视角对待火箭产业链的核心原因。而要解决动力系统的可回收问题，又必须回归到消耗经费最多的设计线。火箭的运载能力决定火箭的实用价值，所以并非所有能力的火箭都适合垂直回收。如果保证垂直回收，那么火箭会预留30%燃料，再加上相关的设计，整枚火箭要损失40%运载能力。所以运载能力较弱的火箭实现可回收，有可能使成本不降反增。另外，整体火箭使用的是否为统一或近似能力的发动机，也时决定一级回收价值高低的影响要素。二、 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
11、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1-15万亿美元，2050年前达到27-10万亿美元。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47%。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
12、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602%。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
13、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。三、 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
14、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：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。产业带动效应显著。航天技术
15、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。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：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；航天工程的复杂性。航天工程系跨学科集成，跨行业协
16、作，系统庞大，参与人员众多，技术和管理复杂性高；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。四、 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
