2015-12-28

練乙錚:太空私企跑贏國企 科技肥貓有益人類


信報 2015年12月28日

太空私企跑贏國企 科技肥貓有益人類

消息指李國章出任港大校委會主席事即將刊憲。記得月前校委會否決陳文敏當副校長,理由之一是「委任陳文敏將令港大更分裂」;難道現在由李國章掌校委會,港大上上下下會更團結?筆者「冇眼睇」,連寫什麼包單也懶。來日方長,今天不論國事,只談「風月」。

2001年4月28日,人類第一位商業性的太空旅客Dennis A. Tito進入了外太空近地軌道(low earth orbit, LEO),繞地球飛行8天128圈並登上國際太空站之後,安全返抵地面。Tito是一位美國富翁工程師,自掏腰包付出2000萬美元的「票價」,完成了這一個世界第一。載搭他的不是美國航太總署(NASA),因為當時的總署總經理認為太空還不適合遊人擅進,但是缺錢的俄羅斯聯邦航天局(FKA)卻認為機不可失,與Tito一拍即合。

太空經濟學的演變

2011年,Tito接受BBC作10周年訪問的時候,依然眉飛色舞,認為那次太空之旅是他畢生幹過最幸運最開心的事,並斷言未來的太空旅客只須付出他付出的票價的5%,便可得償心願。2000萬美元的5%是100萬美元,也不是普通人付得起的價格。不過,誰知道這個未來市場的供求平衡點在哪裏?打國際長途電話,現在每分鐘的費用是20年前的1%;如果你用skype或facetime,邊際費用是0。那也是九十年代以前不可想像的。

1980年秋,筆者初進研究院念經濟,第一位老師兼adviser是Prof. John O. Ledyard,是一位「非典」學者,40出頭已經是公共經濟學權威、出名大教授,上課卻永遠穿波鞋配褪色牛仔褲嚼香口膠;後來才知道,他是太空經濟學的一個開山祖。1985年,他轉職加州理工學院,任該校社會人文學部主任,更有助他在太空經濟學方面的研究。1986年,他發表了一篇經典論文,用機制設計理論研究國際太空站的收費合約問題;當時國際太空站還在研製階段,要到1998年年底,第一部分才製造完成並升空進入穩定的LEO。

太空是公共資源,太空站也是多國合資合作的產物,在使用上會出現經濟學裏有名的「公地問題」(problem of thecommons),可能嚴重影響資源分配效率,一如在地球上的公海及海裏繁殖的魚類都是公共財,不恰當地使用及撈捕,會導致海洋污染、生物絕種。如何在本來的「非市場」裏設計並設置類市場價格合約機制,無疑是航天界當時須要解決的問題。吾師Ledyard的論文,就是為此而寫的【註1】。大家留意到,那篇 論文立論於公共財的定價問題上面,但Tito講的,卻是一個如假包換即將出現的私有財市場裏的供求關係。技術革命了,時代不同了。

太空商業競爭出現注意!

20年前的經濟學入門課本裏談「政府」的存在意義之一,是擔起有重大經濟價值的、但論投資額和風險都是市場無法承擔的項目,例子之一就是太空的開發。不過,時至今日,起碼在一些經濟發達、科技先進的大國裏,這個教科書觀點恐怕很快便要過時;人們談論太空開發,首先聯想到的,不是NASA或FKA的 那些無可避免帶有戰略意義甚至若干敵意的國家行為,而是「充滿銅臭綠臭」的商業行為:太空旅遊、軌道太陽能發電、放射性廢料棄置、星球開礦,或者更遙遠一點的外星不動產開發……。至於利用現有太空設施而開闢的在地或近地活動有關的市場如GPS系統、衞星電話和通訊等,則早已不是新鮮事物。

如果大家現在看的是本文網上版,不妨先跳到維基百科的「私人航天公司列表」詞條,看一看裏面那七八十家公司的名稱、投資規模、項目和進度,也許會嚇 一跳【註2】。原來,近日搶盡科技新聞鏡頭的SpaceX公司,不過是在某些方面跑先了別人半步。當然,那半步也是值得大書特書的。上周四,SpaceX 成功垂直硬地回收了軌道火箭最昂貴的含主推進器的箭身第一節。不到一個月之前的11月23日,SpaceX的勁敵Blue Origin公司同樣成功地首次回收了它的次軌道(suborbital)火箭的第一節。

大家知道,SpaceX和Blue Origin分別是美國兩位頂級「新經濟」富豪Elon Musk和Jeff Bezos擁有的私企。44歲的Elon Musk本是搞軟件Zip2、金融服務平台PayPal出身的,身家130億美元,除了SpaceX還是電動車Tesla公司的老闆,在《福布斯》(Forbes)「世界最具影響力人士排行榜」上位列38;51歲的Jeff Bezos則是Amazon的創辦人、大老細,身家580餘億美元,在《福布斯》榜上排17(這個榜不是按個人財富多少排名,多少帶主觀性;現時排榜首的是普京,馬雲排22,李嘉誠排31)【註3】。

Falcon9 v1.1推力超越Long March 3B

SpaceX於2002年創建,現時的僱員總數已超過4000;Musk的心頭高,最終目的是實現星際殖民,所以一開始就投資開發最大規模的火箭製造、發射和回收技術。本月成功發射並回收的Falcon 9 v1.1型火箭,發射至LEO的有效載重(payload)是13150公斤(相當於9輛最新款豐田Camry LE的自重),不及日本2009年初次發射的H-IIB火箭的19000公斤,卻已經比中國目前使用中最大型的長征3乙型(Long March 3B)火箭的12000公斤超出10%。

此外,處於研發最後階段、預計明年試射的Falcon Heavy,至LEO有效載重是53000公斤,比本世紀使用過的最大型火箭(美國的太空穿梭系統)高出1.2倍。Falcon 9 v1.1已經在賺錢,目前是運送物品至國際太空站的唯一美國火箭,每次運載所收費用達6120萬美元。相比,Blue Origin的火箭小得多,公司的規模按人頭算也只是SpaceX的八分一。這是因為Bezos創辦Blue Origin的第一目的是次軌道商業旅遊,不需要很強力的火箭;達成這一步,再慢慢發展更遠大的旅遊目的。Blue Origin企業口號是「循序猛進」!

但是,這兩個火箭公司的技術突破,並不在於火箭的重量、製造和發射。關於大型火箭的各種基本技術(製造、發射、遙控、有效載體回收),其實都不是什麼高科技了,美蘇早已於上世紀六十年代便完善掌握,後來好幾個第三世界國家也學會。

上述Falcon Heavy的有效載重,也及不上美國當年用以發射探月衞星的Saturn V型火箭。SpaceX和BlueOrigin這兩所私企做到了,而世界各國憑舉國之力凡70年卻還未做到的是,火箭的第一節垂直硬地回收。這才是技術革命。為什麼那麼重要?已經停止使用的美國太空梭,不是可以回收、重複使用的嗎?

美國太空梭的可回收不具經濟意義

火箭技術在上世紀六十年代已經成熟,但是之後幾乎沒有突破;進一步的載人太空探索在美國登月之後也止步了。最重要的原因是火箭發射的成本過高。代客發射商業衞星沒有新技術依然有利可圖;但替實驗用的國際太空站不斷往來運送人員和物件,成本就無法回籠,非常吃力。

美國為此開發的太空穿梭系統,回收和重複使用的技術的確成功了,舉世無雙,但經濟上依然不划算,使用成本甚至比一次即棄的普通火箭更高,所以美國捱到2011年,終於把穿梭系統的使用終止了。

穿梭系統的使用成本高,因為穿梭機每次回收之後的保養維修成本是天價。穿梭機本身既是一部火箭,也是一部特別昂貴的飛機。大家知道,研製一部飛機的 技術要求,比研製火箭高得多(這不奇怪,研製一部賣得錢的小汽車也比研製火箭難,此所以大陸能開發出世界級的火箭,卻造不出世界級小汽車,而且還差得遠)。

穿梭機回航的時候,自重太大而燃料有限的關係,只能作少許減速,再進入大氣層的時候的速度因而很高,純粹要靠機體與大氣之間的摩擦力把速度降至普通 飛機一般的甚低速度才可安全降落,因此穿梭機體底部須要鋪上一塊一塊的特殊耐熱材料,靠這些材料的揮發性散熱。因此,穿梭機不僅造價高,每次回航之後的維修成本高,而且時間長,平均要幾個月,根本不划算;從經濟觀點看,穿梭系統的研發是失敗的。國家機構,幾十年也只是得出這個結果,不太奇怪。

要注意的是,穿梭系統的主要技術(散熱技術和飛機技術),也是上世紀六十年代已有的。NASA不敢研發理論上最經濟的火箭垂直硬地回收技術,因為所需技術是全新的,風險大。大家可以想像:研製和發射最簡單的「火箭」,小孩子也會——把黑火藥和引線包在厚厚的紙捲裏,插上一條幼長的竹簽,放到瓶子裏,把引線燃點,「火箭」就嗖的一聲射出去了,容易得很;但是要把「火箭」回收,而且要原原本本地回收到竹簽掉在瓶子裏,卻是難似登天的。

先前以為,國家機構可以承擔更高的成本和研發風險,事實上證明並不如此。像NASA這樣的國家機構,試驗成功還是失敗,不僅有成本風險,還有機構領 導人要面對的政治風險。但是像SpaceX或Blue Origin這類私企,卻沒有什麼政治風險;更由於還不是上市公司,試驗就算是失敗了,連股價壓力也沒有,因為只要老闆肯為追求個人夢想而燒錢,是可以心 安理得地燒很多錢的。

然而,市場規律是,高風險、高回報。據Musk自己說:發射一次火箭的燃料成本30萬美元,相比只是每支火箭造價6000萬美元的0.5%,故如果 後者可以回收並以低成本、短時間維修後就可再用,那麼,將來發射火箭的單次成本有可能減省到現時的百分之一;那就可能意味着非常高的回報率了【註4】。

如此,像Musk和Bezos那樣的高科技資本家的個人私企,不鍥而不捨地追求火箭回收,反倒是很奇怪了。

所有技術大國的火箭國企幾十年也沒搞出的垂直硬地回收技術,成立了僅僅13年的SpaceX和15年的Blue Origin,幾乎同一時間試驗成功了。兩家採用的技術概念其實很相似,就是當火箭升空達到某一高度(約100公里,即所謂的「馮卡門高度」)、其餘部分 可以準備進入軌道之時,第一節便和其餘部分分離,之後翻一個180度的觔斗,讓火箭本來的尾部反指向前方,以這個姿勢開始進入大氣層向下重返;此時,火箭 再次發動,噴射氣流便向着火箭前進/下墮的方向噴出,產生強大減速作用。火箭速度因此而大幅下降,與大氣之間的摩擦不大,於是就不必在箭體外壁裝上散熱用 的塗料。據Bezos講,Blue Origin的New Shepard 火箭回收着地的時候,速度控制在4.4mph左右,即小汽車在停車場裏的標準速度而已。

競爭令高科技私企進步神速

Musk和Bezos之間,有沒有競爭意識、瑜亮情結呢?肯定是有的,而且似乎很有趣。從試驗成功的先後次序而言,Blue Origin的確贏了SpaceX一個馬鼻。不過,就操控火箭回收的技術而言,SpaceX所嘗試的,無疑比Blue Origin困難。Blue Origin的New Shepard是一支次軌道火箭。所謂次軌道火箭,就是差不多直上直落的火箭,其最高速度比SpaceX的Falcon 9 v1.1軌道火箭低得多;而且,到達100公里左右的高度要回落的時候,次軌道火箭的速度是零,但軌道火箭此時的速度,卻是其第一節所達到的最高速度;因此,後者的掉頭和減速動作,要比前者難控制得多。

Musk後發後至,宣布成功之後,Bezos發了一條推特說:「歡迎加入俱樂部!」可說有點尖酸的味道。不過,那只是「報仇」而已。Bezos的New Shepard成功着地之後,Musk發的一條推特說:「要分清楚嘛,『太空』不一定是『軌道』!」

市場經濟縱有諸多不是,但最有利科學發展。過去透過接近一世紀與國家主義或社會主義經濟的比併,這方面的高下已經十分明顯;這次SpaceX和Blue Origin的表現,贏了NASA、FKA等國有體制裏頭的龐大機構,則更是明證。

註1:Prof. John O. Ledyard題為Incentive Compatible Space Station Pricing的論文見《美國經濟評論》(AER)1986年5月號;免費下載連結在:http://people.hss.caltech.edu/~jledyard/John's%20Papers/jl25.pdf
註2:見英文維基網頁:https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_private_spaceflight_companies
註3:《福布斯》「世界最具影響力人士排行榜」在:http://www.forbes.com/sites/davi ... werful-people-2015/
註4:見Musk今年10月在北京清華大學的講座上接受公開訪問的記錄:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz= ... lUc6kDs3kEXDAK%23rd;這個訪問非常精采,對高科技和高科技企業有興趣的讀者不可放過。

練乙錚 特約評論員


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