摘要：光学技术在航天器上使用已有数十年历史，最初主要用于对地球和天体的成像。如今，随着被称为“新太空”（NewSpace）的商业化航天时代的到来，光学技术特别是在光学通信的广泛应用正在引发行业热潮。太空产业正在经历一场从“国家队”到“商业队”的权力交接。

光学技术在航天器上使用已有数十年历史，最初主要用于对地球和天体的成像。如今，随着被称为“新太空”（NewSpace）的商业化航天时代的到来，光学技术特别是在光学通信的广泛应用正在引发行业热潮。太空产业正在经历一场从“国家队”到“商业队”的权力交接。

根据卫星工业协会最新数据，2024年全球航天产业总收入达到2930亿美元（约合2.1万亿元人民币），其中卫星制造业以200亿美元的规模实现了17%的同比增长，商业通信领域更是独占160亿美元份额（约占81%，部分资金流向了激光和光学组件系统），其他应用还包括遥感监测、导航、科研与研发。美国公司获得了商业卫星制造收入的69%份额。

在这片星辰大海中，光学技术正从辅助性的成像工具，升级为新时代太空经济的核心基础设施。

NewSpace正在为光学和光子学领域的新机遇打开大门（图片：gorodenkoff/Getty Image）

成本革命：从“航天贵族”到“平民时代”

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从“旧太空”到新太空”的范式转移

冷战时期形成的航天工业注重性能而轻视成本。像詹姆斯·韦伯太空望远镜这样的高价值载荷，需要极高的可靠性和长寿命，导致成本高昂。人类航天飞行更是需要大型昂贵火箭来运送维持人类在太空生存的大量载荷。

太空光学成本高昂有多重原因：部件需要承受高振动发射和恶劣的太空环境；某些组件需要进行抗辐射加固；系统必须多年持续运行而无法调试或更换；采用“成本加成”合同模式缺乏降本激励；以及小批量生产推高了单位成本。

所以，传统航天模式（OldSpace）带着深刻的冷战烙印：在美国，这种NASA主导的“旧太空”模式以低产量、低容错率、复杂设计、细致监管以及耗时数年的供应商认证体系为特征。政治因素有时会凌驾于技术决策之上，供应链布局也考虑政府资金分配而分散各地。这种模式被批评为过于规避风险且成本高昂，限制了创新和市场发展。

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商业航天的崛起

政策变化使私营航天公司在过去20年大量涌入市场，仅在2015年就成立了超过50家公司。这些公司几乎都提议使用低地球轨道（LEO）卫星进行地球观测或通信。LEO对通信特别有吸引力，因其到地面的单向物理延迟仅2-4毫秒，而地球静止轨道卫星的延迟超过100毫秒。

与首次发射日期相比，每公斤LEO的发射成本（根据通货膨胀调整至2018年）。（图源：Harry Jones，2018年NASA技术报告服务器）

相比NASA太空梭每次发射成本近20亿美元（调整至2025年通胀水平），相当于每公斤约7万美元；美国SpaceX公司通过可回收火箭和商业化运营，将发射成本压缩到每公斤2000美元以下，相当于把太空物流成本打到了一折。这种成本重构彻底改变了光学部件的命运——从需要服役15年的“航天贵族”，变成了5年一换的“太空快消品”，开创了降低发射和卫星成本的新路径。

2019年，SpaceX开始部署星链卫星星座，进入快速增长期。目前约有8000颗星链卫星在轨运行，且几乎全部处于工作状态。该公司已获得到2040年运营4.2万颗卫星的许可，这还不包括在其相对较短的五年寿命期内返回地球的卫星。为此，SpaceX的一些助推火箭已重复使用超过20次，每次发射可携带20颗或更多卫星。

SpaceX也在为美国国防部发射有效载荷和部署卫星，军方已经接受了这种低成本发射模式。作为市场领导者，SpaceX处于令人羡慕的地位：发射量不断增加，市场份额持续扩大。这给SpaceX带来了竞争对手难以超越的市场优势，至少短期内如此。

根据Quilty Space数据分析，如果所有申请卫星的公司都获得批准并部署，到2030年底太空中将出现47.8万颗卫星（虽然这一数字不太可能实现）。麦肯锡在2023年4月的报告中警告，如果竞争对手成功实现目标，发射能力的激增可能导致供应过剩。麦肯锡的高估值是到那时部署约6.5万颗，低估值是2.7万颗。

每年发射新卫星。（图源J. McDowell）

太空行业面临着双重挑战：一方面，麦肯锡警告可能出现的产能过剩风险；另一方面，如果企业未能按时完成部署目标，可能失去运营许可和政府支持。更复杂的是，全球保护主义贸易政策正在迫使客户在成本性能和地缘政治之间做出平衡选择。

激光通信：新太空经济的重要技术

自由空间光通信正在成为新太空经济的重要技术。首次演示发生在30多年前，最近已有许多部署计划和演示。SpaceX自2020年在其星链星座中部署了激光光学通信。与传统射频通信相比，光学通信具有多个优势：带宽提高近100倍，尺寸、重量和功耗更低，安全性更高且传输管制较少。

航天器上的光学系统称为激光通信终端（LCT）或光学通信终端（OCT），可以安装在提供标准外形尺寸和接口的立方卫星（CubeSat）中。航天器包含多个激光器，每个通道运行速率高达100 Gbps，比传统射频通信带宽提升两个数量级。这些搭载光学系统的立方星（CubeSat）单价在10-100万美元区间，但规模化生产正在快速摊薄成本。业内估算，2023年太空光学系统市场规模已达5-10亿美元，未来五年有望再翻一番。

新太空光学器件的未来

OldSpace行业很容易被低成本商业模式颠覆，而发射成本一直是太空业务的主要制约因素。NewSpace较低的发射成本为光学和光子供应商开辟了新机遇，特别是那些能够快速创新的企业。这带来了全新的设计决策，例如使用现成的低成本、坚固耐用且经过充分测试的技术，还允许使用以前望而却步的冗余或替换方案。

超越传统通信领域，光学技术正在多维度开拓：

✓ 星地激光通信互补系统

✓ 量子密钥分发（QKD）空间链路

✓ 高轨卫星与深空通信中继

✓ 太空导航星跟踪系统

✓ 在轨服务与碰撞规避系统

✓ 美国军方导弹预警星座

✓ 空间碎片激光清理技术

✓ 微重力环境光子制造实验

双轨并行的市场格局

OldSpace市场不会消失，传统高价值项目（如韦伯望远镜）仍维持着“高精尖”市场，单项目价值可达商业航天的数倍。业界预测，今年空间光学市场总体规模约10-20亿美元，年增速保持10-20%的强劲势头。值得注意的是，NewSpace和OldSpace两大板块目前市场规模相当，但增长路径截然不同——前者靠规模取胜，后者以价值见长。

这场由商业化驱动的光学革命正在重写太空经济规则：当航天器告别“终身制”，当光学元件成为定期更换的消耗品，全球航天产业链正迎来历史性机遇。据预测，整个太空经济规模将在未来几年迈向万亿美元级别，而光学技术作为核心赋能技术，正在这个宏大叙事中扮演越来越重要的角色。

（注：本文数据源自卫星工业协会、麦肯锡2023年4月报告及行业访谈信息，信息来源Optica）

来源：江苏激光联盟