2025年太空算力行业深度研究：苍穹之下，算力之上

1. 太空算力范式跃迁：天感地算→天数天算

太空算力本质是近地轨道分布式太空数据中心。太空算力卫星通常指具备强大计算 和数据处理能力的卫星，它们在轨道上直接完成数据的采集、分析、存储与智能提 取，构建天基算力网络，其核心逻辑是利用太空的独特优势，从根本上解决地面 AI 数据中心（AIDC）面临的瓶颈。 传统边缘计算的核心逻辑是将算力节点部署于终端设备邻近区域，以此实现降低传 输延迟、削减网络成本的目标。太空算力是将计算资源部署于近地轨道等太空轨道 空间，通过星间链路形成分布式算力网络，与地面数据中心构建起 “去中心化分布 式调度+高性能在轨处理” 的协同融合模式，该架构不仅继承了边缘算力低时延、 高自治的技术优势，更突破了地面算力的场景限制，具备轨道侧大模型训练、遥感 数据协同处理、任务指令实时反馈等高阶能力。

从“天感地算”到“天数天算”，构建低时延、高效率的解决方案。低轨卫星主要定 位于数据采集以及转发终端，其核心价值在于获取和传输数据，运作方式为在太空 采集海量数据后，将原始数据全部回传至地面站，由地面数据中心进行处理、分析 和存储，这种模式为传统的“天感地算”。这种模式受限于地面站资源和传输带宽， 数据传输量大、时效性差，导致大量有价值的数据被丢弃。 算力卫星则定位于“太空 AI 大脑”，其核心价值在于将收集的数据直接在太空进行 智能处理，将数据转化为信息、知识甚至决策，实现了从“事后分析”向“实时响 应”的跨越。通过搭载高性能计算单元、AI 处理器和星间通信链路，卫星将计算资 源直接部署到太空环境，完成“天数天算”。

太空算力体系可拆解为三大核心层次，分别为太空边缘计算、太空云计算与太空分 布式计算，其功能定位与技术特征各有侧重： 1）太空边缘计算：以太空数据的源头处理为核心目标，通过在数据产生端就近完成 运算，实现通信带宽占用的缩减、数据处理效率的提升，同时强化任务执行的自主 决策能力。 2）太空云计算：依托太空边缘计算的底层支撑，借助高速互联通信链路与分布式计 算框架，在空间环境中搭建云原生算力基础设施，为各类太空任务提供弹性可扩展 的计算资源与标准化服务。 3）太空分布式计算：采用分布式架构，将系统功能组件部署于多个异构计算节点， 通过节点间的网络互联，实现数据处理、转发、存储与分析的协同执行，最终构建 跨平台的协同计算网络，显著提升系统整体的运算效率与性能表现。

2. 算力卫星组网，规模部署在即

轨道数据中心能够解锁新一代集群，远超地球现有设施。太空集群具备无限线性扩 展的特点，不会受到困扰同规模地面项目的物理与规划限制。若当前算力发展趋势 延续，到 2027 年将需要多个 GW 集群才能训练最大的大语言模型。Llama 5 或 GPT6 这类模型通常需要 5GW 集群的发电量，这一功率将超过美国最大发电厂的容量。 在太空轨道上要实现千兆瓦级规模，计算模块、电力、冷却与网络系统可采用模块 化方式组装。计算模块还能以 3D 架构而非地面的 2D 架构进行集成，确保集群内 部耦合紧密、延迟尽可能低。此外，真空环境中光速比典型玻璃光纤中快 35%，未 来也存在潜在的应用机遇。

太空算力正从“技术验证”走向“规模部署”的关键爬坡期。相较于地面数据中心， 2025 年 11 月 2 日，美国 Starcloud 借助 SpaceX 的猎鹰 9 号，将搭载英伟达 H100 芯 片与谷歌 Gemini 大模型的卫星 Starcloud-1 成功送入轨道，将在太空运行 Google Gemma 大语言模型，并实时处理合成孔径雷达数据，标志着人类首次将数据中心级 GPU 送入太空。2030 年 Starcloud 计划建成 40 兆瓦轨道数据中心集群，使太空数据 处理成本与地面持平，实现“地球作为银河系互联网边缘节点”的终极构想。 太空数据中心可利用低成本的太阳能供电，依托模块化部署模式快速组网，拓展规 模几乎不受物理条件限制，商业逻辑坚实。

（1）中国：全球首个太空计算星座组网

2025 年 5 月，由之江实验室牵头，联合国内民营航天国星宇航，完成“三体计算星 座”首批 12 颗卫星发射，本次发射的一箭十二星，最高单星算力达 744TOPS，具 备 5POPS 在轨计算能力和 30TB 存储容量，标志着全球首个“整轨互联太空计算星 座”正式进入组网阶段。“三体计算星座”计划 2030 年建成包含 1000 颗卫星的全球 网络覆盖。 2025 年 11 月，“辰光一号”算力试验星研制完成，正在开展总装试验。11 月 27 日 召开的“智绘星空 胜算在天——太空数据中心建设工作推进会”提出了太空数据中 心建设方案，将在 700-800 公里晨昏轨道建设运营超过 GW 功率的集中式大型数据 中心系统。该系统由空间算力、中继传输和地面管控分系统组成，空间算力计划部 署多座太空数据中心，每座功率约 1GW，可容纳百万卡级别的服务器集群，开展天 基数据中继传输和计算服务。 2025 年 11 月，无锡市星算科技有限公司发布“梁溪星座”项目公开招标公告，预算 金额 4.5 亿元，资金来自自筹。“梁溪星座”项目建设由 12 颗智算卫星组成的星座， 所有卫星实现 3D 打印增材制造，搭载全球领先的“梁溪造”超级算力载荷，完成 组网后总算力不低于 20P，内容涵盖梁溪星座的整体解决方案，包括卫星研制、运 载发射、频率占用、测运控及运营服务。

（2）美国：大厂加速布局算力星座

2025 年 11 月 2 日，美国 Starcloud 借助 SpaceX 的猎鹰 9 号，将搭载英伟达 H100 芯 片与谷歌 Gemini 大模型的卫星 Starcloud-1 成功送入轨道，将在太空运行 Google Gemma 大语言模型，并实时处理合成孔径雷达数据，标志着人类首次将数据中心级 GPU 送入太空。2030 年 Starcloud 计划建成 40 兆瓦轨道数据中心集群，使太空数据 处理成本与地面持平，实现“地球作为银河系互联网边缘节点”的终极构想。 2025 年 11 月 5 日，谷歌提出“捕日者（Suncatcher）”计划，在 2027 年初发射两颗搭 载 Trillium 代 TPU 的原型卫星，将 AI 算力直接部署到太空，以探索建设大规模太 空数据中心集群的可能性，来应对 AI 发展所面临的巨大能源挑战。 SpaceX 在太空算力领域布局新一代星链 V3，每颗质量约 1.5 吨，通信容量达 1Tbps， 是早期 15Gbps 卫星的近 70 倍，SpaceX 与谷歌联合宣布星间激光通信速率突破 3.2Tbps，较此前提升 1 倍。

2.1. 政策护航，加速腾飞

我国卫星互联网起步较晚，在军民融合等国家政策支持下，商业卫星计划蓬勃发展。 我国卫星互联网在前期准备和空间布局上晚于海外巨头，2015 年，国家发布了《国 家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025)》，旨在大力支持商业卫星产业的 发展。2020 年 4 月，国家发改委首度将卫星互联网、5G 等作为“新基建”纳入到 国家战略工程，自此卫星互联网进入了快速发展期。2025 年 3 月政府报告提出，将 开展新技术新产品场景大规模应用示范行动，推动商业航天、低空经济等新兴行业 安全健康发展。2025 年 11 月国家航天局设立航天司，统筹监管、审批与产业服务， 终结多头管理，审批效率显著提升。 伴随政策红利释放，深空发展天然催生了算力卫星的核心需求。2025 年 11 月，国 家航天局发布的《推进商业航天高质量安全发展行动计划（2025—2027 年）》中提 出，到 2027 年，商业航天产业生态高效协同，科研生产安全有序，产业规模显著壮 大，创新创造活力显著增强，资源能力实现统筹建设和高效利用，行业治理能力显 著提升，基本实现商业航天高质量发展。国家通过准入松绑、千亿级基金支持、设 施共享等政策托举算力卫星技术攻关与场景开拓，叠加地面算力面临的能源与散热 瓶颈，太空算力的独特优势愈发凸显，正推动算力卫星从试验阶段迈向规模化部署， 相关需求将迎来爆发式增长。

2.2. 降耗增效，破解困局

北美数据中心的电力需求正经历爆发式增长。微软、亚马逊、谷歌、Meta 等科技巨 头正在建设数据中心，资本投入超 4000 亿美元。目前美国数据中心电力需求约 51GW，占美峰值用电的 5%，按增长预期，到 2028 年将新增 44GW 需求，然而未 来三年可接入电量只有约 25GW，缺口 19GW，将有 40%电力需求无法满足。 需求激增下，北美数据中心或面临严重电力短缺困局。根据 IEA 预测，2025-2026 年美国电力消耗将达 4199 亿千瓦时和 4267 亿千瓦时，创下新高，其中 AI 相关数 据中心是主要驱动因素。北美电网普遍老化，电力接入审批流程漫长，严重制约数 据中心电力供应能力。数据中心的地理分布与电力资源分布不匹配，也导致了地区 电力供应紧张，推高了数据中心的建设和运营成本。 《2025 年美国电网可靠性和安全评估报告》引入两个指标： 1）失负荷小时数（LOLH）：衡量当系统负荷超过可用发电容量时，预计停电的持续 时间（可靠性标准为每年 LOLH<2.4h）。 2）标准化未供电电量（NUSE）：衡量因发电或输电不足而未能满足的电量需求，通 常以兆瓦时（MWh）为单位，并除以总负荷进行标准化，以百分比表示（可靠性标 准为每年 NUSE<0.002%）。 报告中测算了“电厂退役”和“无电厂退役”下两种场景，在“电厂退役”情景下， 平均每年失负荷小时数（LOLH）从当前的 8.1 小时增长至 817.7 小时，NUSE 从 0.0005%飙升至 0.0465%。即便不淘汰任何机组，该模型分析显示到 2030 年，停电 的风险将增加 34 倍，电网压力依然巨大。

太空算力中心突破地面电力消耗瓶颈，实现经济效益与能源效率的双重跃升。太空 数据中心全天候不间断利用高强度太阳能，不受昼夜交替、天气变化及大气损耗的 影响。这使其边际能源成本降低数个数量级，相比地面数据中心，能大幅节省运营 成本。

美国地面太阳能电站的平均容量因数仅为 24%，而在北欧等温带地区，太阳能项目 的容量因数通常不足 10%。大多数地面太阳能电站的发电潜力，会因太阳光照角度 不佳，以及大气和天气因素造成的损耗而不稳定。由于昼夜交替的因素，地面太阳 能电站的容量因数不可能突破 50%。 太空中的太阳能阵列容量因数可超过 95%——它不受昼夜交替的影响，电池板能始 终以最佳角度垂直对准太阳光，同时完全规避季节与天气带来的干扰。此外，大气 也会对太阳辐射产生衰减和散射作用，因此太空中太阳能阵列的峰值发电量，还能 比地面太阳能电站高出约 40%。同等规模的太阳能阵列，在太空的发电量可达地面 的 5 倍以上，因此在太空获取低成本太阳能具备现实可行性。 根据 Starcloud 白皮书测算，假设发射成本为每座 40 兆瓦数据中心 500 万美元，太 阳能电池的单位成本为 0.03 美元/瓦，所有成本均在 10 年内摊销完毕，那么我们能 够实现约 0.002 美元/千瓦时的等效能源成本。在地面能源市场，美国、英国和日本 的电力平均批发价格目前分别约为 0.045 美元/千瓦时、0.06 美元/千瓦时和 0.17 美 元/千瓦时。据此计算，轨道数据中心的能源成本，比当前地面能源价格低 22 倍。 地面数据中心需依赖高能耗的制冷机来实现低温，而太空无需此类设备。根据估算， 轨道数据中心的 PUE（电源使用效率）可与顶尖的超大规模地面数据中心持平。

2.3. 应用场景拓宽，商业化加速

太空算力正凭借“在轨实时处理、广域无缝覆盖、低时延高能效” 的核心优势，重 构多行业服务范式。我们认为遥感与通信星座是第一批刚性需求方，安全与国家任 务提供底层牵引，商业化云服务则在成本和技术成熟后自然展开。

军用侧

在轨实时情报处理能直接转化为战场优势，是传统地面处理模式无法比拟的“代差” 能力。天基计算可将遥感数据下传效率从“一天仅传 5%”提升至“直接输出结果”， 在时间效率上是质的飞跃。在处理信息上，通过只需在卫星平台或星座内部完成“感 知-计算-结果下发”闭环，技术路径和决策链明确。 由于信息收集处理完全在天基闭环内完成，无需落地他国或经过不可控的地面网络， 安全性最高，符合国家自主可控的核心战略。 通过梳理，我们认为在军用端太空算力将发挥重要作用： 1）战略级情报、监视与侦察： 对海量遥感卫星（光学、雷达、红外等）数据进行在轨实时处理与分析。在卫星过 顶的数分钟内，自动识别、定位并判断敌方航母战斗群、导弹发射车、机场等高价 值军事目标的位置、型号和动向。将原始数据（TB/GB 级）直接处理为可用情报 （KB/MB 级），将情报获取周期从“天/小时级”缩短至“分钟/秒级”。 2）空间态势感知与自主管理： 通过部署在轨的计算节点，快速处理全球航天器轨道数据。可实时评估卫星碰撞风 险，并自主或在轨指挥卫星进行避障机动。解决地面测控站全球覆盖不足、响应慢 的问题，保护己方高价值卫星。 3）大型军事星座的智能管控： 为类似“星链”的巨型军事通信/侦察星座提供在轨算力支持。通过实时进行星间拓 扑规划、动态路由计算、资源调度，提升星座的抗干扰性、韧性和通信效率。 4）战场通信与边缘计算：利用天基算力网络，为前线部队提供低延迟、高安全的加密通信和近实时的战场信 息处理（如无人机视频流分析、电子战信号处理）。 “星盾” 是美国太空探索技术公司（SpaceX）于 2022 年 12 月推出的军事专用低 轨卫星系统，核心服务于美国政府、国防及情报部门，“星盾”依托“星链”V2.0 卫 星技术与生产线，进行针对性强化，通过复用 Starlink 平台，提供加密通信、地球观 测和托管有效载荷服务，已成为美国太空军事力量的关键组成部分。 据路透社报道，美国最新的“金穹”系统架构一层基于卫星，三层部署在陆地，其 中 11 个短程导弹发射装置将分布在美国本土、阿拉斯加和夏威夷，称该系统将与美 国现有的导弹防御能力整合，计划在 2028 年内实现“全面运转”，一旦完全建成， 借助卫星系统，将能够拦截从世界其他地方甚至太空发射的导弹。

民用侧

1）地球科学与环境监测： 对气象、海洋、农业、林业、灾害等遥感数据进行在轨预处理和专题信息提取。实 时监测台风路径、森林火点、洪涝范围、农作物长势、极地冰盖融化等，大幅提升 预报精度和响应速度。 2）全球通信与互联网服务： 作为低轨互联网星座的在轨智能交换与计算节点。提升星间数据交换效率，为航空 （如飞机）、航海、偏远地区提供更低延迟的云游戏、视频会议、实时金融交易等服 务。 3）超大规模 AI 模型训练： 利用太空近乎免费的太阳能和无限散热能力，运行耗电巨大的千亿/万亿参数大模型 训练任务。服务于谷歌、微软、OpenAI、国内互联网巨头等的大模型研发，解决其 地面数据中心面临的电力瓶颈和“热岛效应”。GPT-5 及后续模型需要千卡级到百万 卡级集群，对应功率从十兆瓦到 G 瓦级，地面数据中心面临巨大的电力和散热压力。 4）前沿科研与太空探索： 为深空探测、空间科学实验提供在轨高性能计算支持。在火星轨道卫星上直接处理 探测器传回的数据，减少回传地球的延迟和数据量；在空间站进行蛋白质折叠、新 材料合成等复杂模拟计算。

2.4. 可复用火箭+新材料赋能，突破运力瓶颈

2.4.1. 可复用火箭

可回收火箭技术从根本上改变了传统火箭的发射模式，将火箭从一次性消耗品转变 为可重复使用的耐用工具，通过多次重复使用显著降低单次发射成本。火箭回收方 式有 3 种：1）“降落伞+气囊”式；2）滑翔飞行水平降落；3）利用发动机的反推作 用垂直回收。 “降落伞+气囊”式回收：隶属于早期火箭回收常用的低成本方案，多见于小型火 箭或火箭子级回收。当火箭完成推进任务后，先通过姿态调整进入返回轨道，再利 用气动减速降低速度；当降至一定高度时，依次打开引导伞、主降落伞进一步减速， 在接近地面时，火箭箭体上的气囊快速充气膨胀，在接触瞬间缓冲冲击力，实现软 着陆。方案的技术成熟度高，研发和成本低，但回收精度差，仅适用于重量较轻的 火箭部件。

滑翔飞行水平降落：可以类比飞机的回收方式，核心是让火箭具备滑翔能力，多用 于有翼火箭的回收。当火箭完成任务后，调整姿态进入大气层，借助箭体产生的升 力进行滑翔飞行，像飞机一样调整速度、高度，最终在跑道上水平着陆。由于采用 飞机式回收，精度较为准确，但对火箭气动设计要求极高，研发难度大。 垂直着陆技术：对火箭动力系统提出较高技术要求，其核心原理在于利用发动机二 次点火实现"逆推减速"，并结合高精度导航控制技术完成垂直软着陆。这一技术的 突破关键在于火箭发动机，在火箭完成推进任务后，启动姿控发动机调整姿态，让 箭体垂直朝向地面；进入大气层后，利用气动减速和栅格舵控制落点；接近地面时， 点燃主发动机进行多次反推减速。采用该方案的火箭回收精度极高，从火箭一子级 到整个箭体均可回收，适用范围广。要成功完成垂直着陆技术，必须攻克发动机深 度推力调节技术以及发动机多次启动技术等核心难题。 美国 SpaceX 开创性地采用了垂直起降技术来回收火箭一级助推器。2015 年，猎鹰 9 号首次成功实现海上回收；2017 年，该公司又成功发射了使用过的二手火箭。截 至 2025 年 8 月 18 日，SpaceX 已经累计完成了 488 次一级助推器回收，其中 458 次 实现了重复使用，单枚助推器最高复用次数已达到 29 次。 运载火箭发动机作为整个航天系统的核心，直接影响着载荷的运载能力、太空探索 的深度和效率，因此其性能和可靠性的提升一直是航天领域持续关注的焦点之一。 Merlin 发动机是 SpaceX 研发的液氧煤油发动机，主要应用于猎鹰 1 号、9 号和猎鹰 重型运载火箭。梅林发动机采用燃气发生器循环工作流程：燃料箱中的煤油和过冷 液氧经加压后，通过双主管道输送至发动机。其中少量推进剂被引入预燃室燃烧， 产生的高温燃气驱动涡轮泵运转。该系列发动机按开发时序依次包括 Merlin 1A、 Merlin 1B、Merlin 1C 及其真空版、Merlin 1D 及其真空版等六个主要型号及多个改 进衍生型。当前主流的 Merlin 1D 发动机凭借其卓越性能，堪称全球最先进的液氧 煤油火箭发动机之一，同时具备极高的性价比优势。

2011 年，Space X 公司公布可重复使用火箭的试验器“蚱蜢”项目，提出了大推力 液体火箭发动机计划，其中包括液氧甲烷发动机，即“猛禽”（Raptor）发动机。“猛 禽”发动机采用了分级燃烧循环方式，其采用甲烷液氧以 3.6 的混合比作为推进剂， 可多次点火启动，推力调节范围在 40%-100%，未来将主要应用于星际运输系统及 火星探索。

液体火箭凭借出色的运载能力和可重复使用特性，已成为各国运载火箭发展的重点 与核心。按推进剂来分，运载火箭可分为固体火箭、液体火箭和固液混合型火箭， 其中固体火箭是用固体火箭发动机推进的火箭，液体火箭是由液体火箭发动机推进 的火箭，固液混合型火箭的推进剂则包含固态的燃料以及液态的氧化剂。固体火箭 发动机以其结构简单、可靠性高且易于储存运输的优势著称，不过其推力相对较小， 难以实现多次启动功能；而液体火箭发动机则具备比冲大、推力强劲且可灵活调节 的特点，但结构较为复杂，对推进剂的储存和运输提出了较高要求。

可重复火箭引领低成本革命，是卫星商业化落地的基础。 从成本构成来看，传统不 可回收火箭（如美国 SLS 火箭）的单枚造价高达 10 亿美元，而 SpaceX 的"猎鹰九 号"初始造价仅为 6000 万美元。“猎鹰九号”可以分为一级、二级火箭和整流罩三部 分，通过回收一级火箭和整流罩，可回收近 80%的成本，且这些部件能够重复使用 达 30 次。经过测算，回收复用后每次发射成本降至初始水平的四分之一，毛利率超 80%。以"猎鹰重型"火箭为例，其报价约 9700 万美元，运载能力达 64 吨；相比之 下，NASA 的 SLS 火箭虽然运载能力为 70-80 吨，造价却高达 10 亿美元，"猎鹰"系 列的性价比达到传统国有体系火箭的 10 倍。在单位成本方面，传统火箭每公斤发射 成本为 1 万-2 万美元，而"猎鹰九号"已降至 3000 美元以下，未来有望进一步降低至 500-1000 美元。 根据钛资本数据，中国以主力火箭长征五号为例，其运载能力与“猎鹰”系列相近， 但单发费用和每公斤发射成本均约为 “猎鹰九号”的 3 倍。中国在液体可回收火箭 领域已有 5 家商业航天企业开展高空回收实验，技术进度整体处于 SpaceX2014 年 中水平。八院研制的长征 12 号甲可复用火箭预计于 12 月完成首飞，深蓝航天计划 在明年一季度前发射可回收版本液体火箭，若能实现发射与回收成功，有望成为我 国航天事业的重要里程碑。

2.4.2. 新材料

PEEK 是一种工程热塑性塑料，具有高强度重量比，同时具备耐极端温度与耐化学 腐蚀性能。随着商业航天致力于研发更轻量化、更高效能的火箭飞行区，PEEK 的 应用或具有革命意义。 钢、钛合金和铝合金一直是航空航天制造的首选材料，金属具备高强度与耐用性的 优势但是密度大、重量大的缺陷突出。PEEK 塑料于 20 世纪 80 年代被研发，其卓 越的重量比使其天然适配于金属部件的替代场景。

PEEK 塑料凭借核心优势，在航空航天领域的应用热度持续攀升。 1）耐用与抗损伤：相较于其他塑料，PEEK 的显著优势在于其高耐用性与抗损伤能 力，该材料的聚合物分子链具备强键合力，赋予其优异的抗断裂与抗疲劳性能。 航空航天应用对材料的要求极为严苛，需能承受长年的强振动、摩擦及循环应力作 用。在这类工况下，其他塑料会快速老化失效，而 PEEK 能保持稳定性能。 2）轻量化减重与火箭运输效率提升：PEEK 塑料密度低，与金属材料相比可实现大 幅减重。该材料的比重低于 1.4，相较铝合金减重超 40%，相较钢材减重近 85%。 在飞行器上大面积采用 PEEK 部件，能带来极为可观的减重效果。减重可直接提升 火箭的运输经济性，同时还能增加有效载荷。 3）耐极端温度性能优异：太空运行环境温度跨度极大，需耐受零下低温至数百度高 温的考验。PEEK 塑料的卓越热性能，使其能够满足环境温度波动。PEEK 的熔点超 过 330℃，几乎超过所有其他热塑性塑料，其高耐热的特性，确保材料即便在火焰 灼烧、发动机高温及高温流体冲刷等场景下，仍能保持刚度与强度稳定；PEEK 的 脆化转变温度低于零下 50℃。从高空严寒环境到火箭发动机附近的高温区域，凭借 出色的热稳定性，可实现轻量化聚合物部件的安全应用，且无失效风险。

SpaceX 选用 PEEK 塑料制造 Merlin 火箭发动机的各类零部件。在火箭燃烧室的极 端高温高压环境中，金属材料会随时间推移逐渐失效，而 PEEK 塑料能耐受恶劣条 件。涡轮泵轴套等 PEEK 制零部件，在火箭发动机的运行条件下，使用寿命超过同 类零部件。同时，这类部件惯性更低，进行姿态调整时所需的扭矩更小，这一特性 为火箭的可重复使用设计提供有力支撑。 航天器所处的太空环境更为复杂，除 PEEK 外，其他新材料也展现出优异的综合防 护性能。尽管航天器与火箭会共用碳纤维复合材料、铝合金、防热系统材料等部分 品类，但航天器有其专属的材料应用场景：例如内部会采用铅板或聚乙烯作为辐射 屏蔽层，抵御太空高能粒子对宇航员的伤害；舱内座椅、仪表盘支架等部件选用钛 合金与高强度工程塑料，在轻量化的同时保障耐用性；舱门、接口等关键密封部位， 则依赖聚四氟乙烯（PTFE）、全氟醚橡胶（FFKM，弹性体类）等耐高低温密封材料， 维持舱内气压稳定，隔绝太空真空环境对舱体的影响。 在航天材料体系中，塑料及聚合物基材料是不可或缺的核心品类。凭借耐极端环境、 密封防护、轻量化等独特优势，这类材料在火箭与航天器的关键场景中发挥着不可 替代的作用。 聚四氟乙烯（PTFE）：据 SpaceX 工程白皮书，猎鹰 9 号火箭发动机阀门搭载的 PTFE 复合 O 形密封件，可在-196℃至 300℃的超宽温差区间保持密封性能，循环使用寿 命超 1000 次；星链卫星推进系统中，0.1mm 厚的 PTFE 包覆层经石墨烯改性后， 可适配全介质环境，单颗卫星由此实现 1.2kg 的减重效果。此外，星链计划 Ka/Q/V 波段电路板大量采用 PTFE 基覆铜板，以满足卫星通信高数据吞吐的技术要求。 全氟醚橡胶（FFKM）：火箭发动机阀门的 O 形密封件采用 FFKM 材质制作，在甲 烷/液氧燃烧的极端环境下，其耐等离子体侵蚀的特性使使用寿命较传统材料提升 8 倍，同时成本降低 70%，可完美适配火箭发动机的高温燃烧工况。 聚酰亚胺（PI，含光敏性 PSPI）：作为商业航天领域的核心材料，聚酰亚胺可用于 卫星支架、防护薄膜等部件，既能实现设备减重，又能提供极端环境下的防护能力。

3. 核心技术革新，聚焦太空算力关键环节

3.1. 能源材料

能源供给是太空算力规模化发展的核心命题之一。在太空中，卫星要持续运性，首 先就是需要稳定的能源供给，AM0 代表了地球大气层之外、距离太阳一个天文单位 处的太阳光谱， AM0 标准的总辐射强度为 1366.1W/ m²，而地球表面为 AM1.5，辐 射强度为 1000W/ m²，在太空中，由于太阳辐射强度比地球高约 30%，使光伏天然 成为长效的能源供给形式。卫星通过太阳电池将太阳能转化为电能，由多块电池组 合而成的发电装置就是太阳能电池阵。 电池阵面积是决定卫星供电功率的核心因素，理论上面积越大供电能力越强，但受 限于火箭发射载荷与成本约束，大尺寸电池阵无法直接入轨，需在发射前进行折叠 或压缩处理，这一需求催生了太阳翼技术，即一种可展开式大型供电组件。太阳翼 在发射阶段呈折叠收纳状态，待卫星成功入轨后再完成在轨展开，并通过姿态调整 系统实时对准太阳，从而为卫星提供持续稳定的电力支持。

太阳翼的核心构成包含电池片、基板及展开结构三大关键组件。近年来，伴随卫星 星座规模化组网提速、通信与遥感载荷性能迭代升级，叠加太空计算、在轨服务等 新兴航天业务的落地应用，市场对太阳能阵列的比功率、收纳效率及在轨部署可靠 性提出了更为严苛的技术要求。 从技术路径看，柔性太阳翼电池片主要围绕晶硅、砷化镓和钙钛矿三种材料展开。 Starcloud -1 算力卫星太阳能电池采用的是晶硅薄膜电池方案。晶硅电池是依托地 面光伏的成熟化产业链，通过针对性技术改良提升空间环境耐受性，具有低成本的 特性。假设采用晶硅太阳能电池，填充因子为 90%，初始效能为 22%，5GW 的数据 中心大约需要面积为 4KM×4KM 的太阳能电池阵列，单位功率成本仅为$0.03。 太空环境的容量因子更高，峰值发电量优于地面，与同等装机容量的地面太阳能电 站相比，太空中太阳能阵列的面积将大幅缩小、成本也显著降低。Starcloud 采用厚 度小于 25 微米的硅片，可折叠/卷绕，发射时体积紧凑，在轨展开面积大，功率密 度可达 1000 瓦/千克以上，实现了极高的质量与体积利用率，适配低成本运载的高 密集度发射需求。SpaceX 当前已在测试 200-300 平方米的超大面积太阳翼，未来可 能应用于星链 V3 上。

砷化镓凭借高光电转化率，是理想的电池片材料。作为典型的Ⅲ-Ⅴ族半导体与直接 带隙材料，预计 2029 年砷化镓太阳能电池市场规模将达 5.5 亿美元，其中三结砷化 镓处于主导地位，在航空航天领域占有 90%以上份额，其禁带较硅更宽，使得它的 光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好，是制备化合物空间太阳电池的理想基 底材料： 1）高光电转换效率：单结砷化镓电池仅包含一个 PN 结，带隙宽度固定，仅能吸收 能量高的光子，当光子能量超过带隙时，多余能量会以热形式耗散，导致能量损失； 而能量低于带隙的光子则无法被吸收，效率通常在 20%左右，多节砷化镓采用 GaInP/GaAs/InGaAs 等叠层结构，可实现更宽太阳光谱的全波段吸收，产业级三结 砷化镓效率有望在 2030 年提升至 40%以上。多结电池通过匹配不同波段的光子， 将能量损失降低至 30%以下，并且电压输出更高，进一步提升能量转化效率。

2）优异的耐辐射与耐高温特性：凭借直接带隙的晶体结构优势，砷化镓电池的抗辐 射性能远超晶硅电池，在太空强辐射环境下性能衰减幅度更小，稳定性更突出；耐 高温能力同样优异，可在 250℃高温环境下稳定工作，而晶硅电池在 200℃时效率便 会出现大幅下滑。 3）轻量化与柔性化：砷化镓材料具备高光吸收系数，电池有源层厚度仅需 3–5 微 米，远低于晶硅电池上百微米的厚度要求，可制成超薄薄膜结构，有效降低电池的质量与体积，契合航天器严苛的减重需求；同时可在金属箔、聚合物等柔性衬底上 制备，适配可穿戴设备、曲面载体等多样化安装场景。

砷化镓电池存在成本刚性，短期适配高价值场景。砷化镓的原材料镓全球年产量 800 吨，且多为铝土矿开采副产品，供给稀缺，提纯技术被美国、日本等少数国家垄断。 在制造工艺方面，主流的分子束外延（MBE）与金属有机化学气相沉积（MOCVD） 技术，需在超高真空环境中逐层沉积原子，6 英寸晶圆沉积耗时 8 小时，工艺成本 高于传统晶硅电池。基于成本特性，前砷化镓电池主要应用于对功率密度、环境适 应性要求严苛，且成本敏感度较低的高端航天任务。 全球砷化镓锗太阳能电池规模化生产企业数量仅 10 余家，技术壁垒高，行业集中度 高。美国 Emcore 与波音旗下 Spectrolab 凭借领先的技术实力，是全球范围内的主流 制造商，在我国航天八院 811 所、中电科 18 所、乾照光电等是砷化镓太阳能电池的 主要生产商。 钙钛矿是第三代新型太阳电池。钙钛矿含有 ABX3 型化学组的化合物，具有立方对 称性，百纳米厚度钙钛矿材料对可见光吸收系数可达 10^5cm-，具备优异的光捕获 效率。由于 A\B\X 离子涉及到的元素自然储量大，材料廉价用料少，目标成本为砷 化镓的 1/10，具备更高效率、更低成本、可制成柔性组件的优势，有望成为远期市 场的主流方案。 单结钙钛矿为 p-i-n 结构，主要包括透明电极、电子传输层、钙钛矿光敏层、空穴传 输层和金属电极，工作原理包括载流子产生分离→载流子扩散→载流子传输→载流 子被电极吸收。

单结太阳能电池效率极限约为 33%，叠层电池可突破单结电池的 Shockley-Queisser 极限，依托钙钛矿材料带隙可调节的特性，此类电池能覆盖更宽的光谱吸收区间， 其典型结构为底层宽带隙钙钛矿电池吸收高能量光子，顶层窄带隙钙钛矿电池捕捉 低能量光子，两结钙钛矿极限效率约为 45%。

钙钛矿远期有望加速替代。蓝箭航天朱雀二号遥三运载火箭于 2023 年 12 月 9 日发 射升空，全球首次钙钛矿组件空间搭载试验启动，上海港湾旗下的伏曦炘空公司自 主设计、研发的钙钛矿卫星新材料电池及能控系统，已搭载多颗卫星在轨试验，2025 年 11 月 11 日钧天航宇卫星公司报道：03 星钙钛矿电池搭载试验一年持续正常进 行，目前伏曦炘空已经形成“专利-产品设计-在轨验证”的完整技术闭环。12 月 8 日，航天宏图与众能光储签署战略合作协议，面向太空算力与空间能源钙钛矿技术， 设立合资公司航天超能。 柔性薄膜基板是实现太阳翼高效折叠的基础。柔性薄膜基板具备轻薄、柔性的特征， 适配于狭小空间，并在卫星入轨后稳定展开，为电池片提供支撑，突破了太阳翼“面 积越大越难发射”的困局，满足卫星高功率供电对大电池阵的需求。 PI 膜具备轻薄和强韧的特性，在航空航天和消费电子中均有应用。60 年代美国杜邦 公司为应对航天飞行器在复杂太空环境中发明的材料，其具有刚性、平面性和对称 性的化学结构，可以应对太空高低温交替、强辐射、原子氧侵蚀等问题。 PI 薄膜厚度在 5-200μm，能承受 200Mpa 以上的拉伸强度。在 SpaceX 的星链卫星 中，0.05mm 厚度的 PI 薄膜替代了传统玻璃基板，使整个太阳能电池组件重量减轻 90%。由于单发运载火箭原材料成本可占总成本的 35%，原材料国产化势必大幅降 低制造成本，从而推进特种级 PI 薄膜增长。在昼夜温差较大的环境下，PI 薄膜通过 热膨胀系数匹配，避免电池片因热应力开裂，可靠性提升至 99.7%。

CPI 薄膜，是 PI 薄膜品类下的一款新型功能性薄膜材料，属于高性能双向拉伸透明 薄膜。CPI 薄膜具优异的化学稳定性、耐高温性、阻燃性与延展性，且具备不易破 碎的结构特性。卫星太阳翼对发射阶段的高折叠比与在轨阶段的极致功率质量比有 着严苛要求，这使得重量大、体积大的玻璃与金属基材存在先天应用劣势，CPI 膜 凭借突出的综合性能，已在航空航天等高端领域展现出广阔的应用前景。 CPI 薄膜具备较高的技术壁垒，全球范围内具备量产能力的厂商数量稀少，市场供 应主要集中于日本、韩国两国，行业整体发展节奏相对平缓。目前，能够实现 CPI 薄膜规模化生产的企业以韩国可隆、日本住友化学、SKI 等少数日韩龙头为主。中 国 CPI 薄膜行业起步时间较晚，国产替代市场潜力较大，主要生产企业包括瑞华泰、 长阳科技、中天电子等。

3.2. 散热方案

在太空中，由于没有空气进行热对流，传统数据中心最主要的散热机制——热对流 在轨道环境中基本失效，太空算力冷却主要依赖于热辐射和热传导。 低功率的卫星主要采用热管/环路热管技术方案。热管是一种在封闭系统中运行的被 动式两相热传递装置。热管由蒸发器、绝热段和冷凝器三部分组成，蒸发器是热量 输入区，热源的热量传入导管，使内部液体吸热汽化，绝热段处于蒸发器和冷凝器 之间，蒸汽会在这个区域流动，同时吸液芯负责液态的回流，冷凝器是热量输出区， 蒸汽流动到该区域后，向冷源释放热量并凝结成液体。蒸发器是吸热端，冷凝器是 放热端，温度差导致蒸发器的压力略高于冷凝器，由此压力差推动蒸汽从蒸发器向 冷凝器流动。

热管承担芯片的热传输，通过结构与表面涂层实现被动辐射，结构简单，无需运动 部件，适合传统卫星连续低功耗负载。当发热期间快速波动时，单靠热管结构难控 制热点温升，且为增加传热能力往往需要增加热管数量，进而推高重量和成本。 中等功率的卫星，如较大通信卫星和 StarlinkV1.0 等多采用“被动辐射板+热管“的 扩展方案。方案通过热管将不同设备热量集中至辐射板，星体背面采用高发射率涂 层与中等面积辐射板组合，提高散热功能。 Starcloud 等高功率算力卫星采用“液冷+大型散热翼板”的混合方案。液冷冷板靠 住高功率芯片，芯片的热量依靠液体循环带走。液体再通过热管/两相液体回路传递 至远端散热板，再由散热板以辐射形式将热量发散至太空，散热效率与散热板的面 积呈现正相关。美国 Lumen Orbit 正研发一种轻量化可展开式散热器，散热器拥有 超大散热面积，是迄今为止在轨部署的尺寸最大的散热器，其散热面主要朝向零下 270 度的宇宙深空，散热器可与太阳能电池阵列呈线性排布，单侧直面太阳光照射。

相变材料（PCM）是一种在物相转变过程中吸收或释放大量能量的材料。在卫星轨 道运行过程中，未配备相变材料（PCM）的部件会因 “日照加热 - 阴影辐射冷却” 的周期性交替，出现显著的温度振荡。PCM 的引入可有效抑制这一波动：其在熔化、 凝固过程中会吸收或释放潜热，形成“热缓冲” 效应：当电池板温度高于 PCM 熔 点时，部分太阳热能会以潜热形式储存，从而限制温度上升；进入日食阶段后，PCM 凝固释放储存的热量，减缓部件冷却速度。这种双向潜热交换大幅压缩了温度波动 区间，提升了系统热稳定性。

3.3. 抗辐射元器件

空间辐射指来自空间中带电粒子的辐射，主要包括地球辐射带、太阳宇宙线和银河 宇宙线等类型，其强度受太阳活动周期性影响。航天器在轨运行的空间环境中，充 斥着大量高能粒子与宇宙射线。这类高能辐射可穿透航天器的防护屏蔽层，与星载 元器件的基体材料发生相互作用并诱发辐射效应，进而造成器件性能衰退、功能异 常，对航天器在轨运行的安全性构成显著威胁。 针对太空辐射对芯片造成的影响，各国主要从硬件加固、系统容错、物理防护三个 维度消除影响： 1）抗辐射加固：抗辐射加固是宇航级芯片的核心防护手段，在高辐射的地方，元器 件容易出现“单粒子翻转”的情况。单粒子翻转（SEU）是指星载元器件受空间高 能辐射影响，其存储单元的电位状态发生非预期跳变，即二进制信号“0”与“1” 之间的相互翻转。在制程上，航天领域对芯片制程的选择并非越小越好，更小的制 程往往对应更弱的抗辐射能力。为确保可靠性，通常采用 0.18μm、90nm、65nm 等 大线宽制程，而非一味追求摩尔定律下的先进制程。在材料上，选择使用碳化硅、 氮化镓等耐辐射材料作为衬底、采用绝缘层加固工艺，能减少高能粒子对晶格的损 伤。在封装工艺上，采用金属陶瓷封装替代传统塑料封装，提升芯片抗辐射与耐极 端温度能力。

2）系统容错设计：通过软件与系统架构补偿硬件抗辐射短板，是针对商业货架芯片 （COTS）的低成本方案。（COTS） 指的是经过更新迭代、在商业市场出售、通过 政府合同使用或获得的非研发项目。COTS 产品相比宇航级产品具有集成度高、技 术更新换代快、体积小、成本低的优点，但是由于使用环境、器件质量等级、生产过程控制的差异，导致 COTS 产品空间应用存在一定的可靠性风险。针对空间粒子 问题，通过系统、硬件、FPGA 多个方面采取容错设计，使 COTS 具有较高可靠性。

3）物理屏蔽防护：通过增加屏蔽层阻挡或吸收高能辐射粒子，是辅助防护手段。一 是被动屏蔽，在芯片或设备外部包裹铅、钨合金等高密度材料，衰减宇宙射线与太 阳高能粒子；二是主动屏蔽，利用磁场偏转带电粒子，适合深空探测等强辐射场景。 随着集成电路工艺的不断提升，处理器的集成密度不断提升，主频不断提高，相对 功耗不断降低，而这也推动着处理器计算效能的提升。航天级芯片需通过严苛的抗 辐射、耐极端温湿度、长寿命稳定性验证，从工艺选型到量产应用需要经历漫长的 测试认证周期；同时，成熟的航天工艺更倾向于选择高可靠性的成熟制程，而非追 求最先进的商用制程，对于航天器上使用的抗辐射加固处理器，通常比商用处理器 性能落后一至两代。

编辑：火腿肠