中國首枚液氧甲烷火箭成功入軌，挑戰(zhàn)“星艦”？
來源：中國新聞周刊 作者： 發(fā)布時間：2023-08-02 09:45:27
7月12日9時整，中國民營航天企業(yè)藍箭航天自主研制的朱雀二號遙二運載火箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心升空，順利入軌并完成了飛行任務(wù)。這是全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭，標(biāo)志著中國運載火箭在新型低成本液體推進劑應(yīng)用方面取得重大突破。
今年，關(guān)于液氧甲烷火箭入軌，全球已有過兩次嘗試。4月20日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的新型運載火箭“星艦”首次發(fā)射，以解體爆炸告終；更早的3月23日，美國相對論空間公司的“人族一號”火箭嘗試首發(fā)，因二級點火失敗而無緣入軌。7月10日，SpaceX創(chuàng)始人馬斯克在推特上設(shè)想了“火星移民計劃”：平均每3天發(fā)射50枚“星艦”，每年將超過100萬噸有效載荷送入軌道，足以在火星上建造一座自給自足的城市。
2015年被視為中國商業(yè)航天發(fā)展元年。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員周炳紅對《中國新聞周刊》分析說，中國商業(yè)航天還需在火箭回收和重復(fù)使用、高運載系數(shù)、規(guī)?；a(chǎn)和發(fā)射這三個方面進行提升。中國與大規(guī)模批量交付火箭所代表的商業(yè)航天2.0時代間，還有一定距離。
7月12日9時0分，朱雀二號遙二運載火箭在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。圖/視覺中國7月12日9時0分，朱雀二號遙二運載火箭在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。圖/視覺中國
技術(shù)上從0到1
2015年7月11日，中國第一個民用商業(yè)遙感衛(wèi)星項目——“北京二號”遙感衛(wèi)星星座，在印度孟加拉灣，搭乘印度太空研究組織的極地軌道運載火箭升空入軌。同年，《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》出臺，藍箭航天、零壹空間等中國第一批商業(yè)火箭公司相繼注冊成立。
2016年11月，“麗水一號”商業(yè)遙感小衛(wèi)星星座，搭乘長征-11火箭，實現(xiàn)一箭多星入軌，為首次國家發(fā)射場與民營衛(wèi)星公司的搭檔發(fā)射。2021年12月，星河動力成功發(fā)射谷神星一號遙二固體運載火箭，將5顆商業(yè)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，國內(nèi)民營火箭公司開始獨立探索連續(xù)發(fā)射、一箭多星的道路。
到2023年的朱雀二號遙二運載火箭發(fā)射成功，中國企業(yè)已實現(xiàn)中型液體運載火箭的完全自主研發(fā)。該箭箭體直徑 3.35 米，總長 49.5 米，起飛質(zhì)量 219 噸，起飛推力 268 噸。一級采用4臺天鵲80噸液氧甲烷發(fā)動機并聯(lián)；二級發(fā)動機采用單臺天鵲80噸液氧甲烷發(fā)動機和天鵲10噸級游動液氧甲烷發(fā)動機（下稱游機）。
藍箭航天CEO張昌武在采訪中稱，朱雀二號承載著中國商業(yè)航天從0到1的過程。他介紹稱，“從0到1”的門檻很高，企業(yè)需獨立完成設(shè)計、工藝、制造、測試、發(fā)射等一系列鏈條，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，通過前期方案驗證，向市場批量化交付，從而形成商業(yè)化回報。這一步即使邁過，未來還有可重復(fù)使用的門檻。朱雀二號此次完成了液氧甲烷火箭技術(shù)上的從0到1，而關(guān)于商業(yè)上的從0到1，藍箭航天計劃于2024年面向市場進行小批量交付，年產(chǎn)3至4發(fā)，2025年翻倍。將要進行的遙三火箭試驗，將搭載有效載荷；可重復(fù)使用火箭項目也已啟動，將在2025年試飛。
去年12月14日，朱雀二號遙一運載火箭試飛，過程中火箭二級飛行異常，未能達到入軌速度，最終再入大氣層，發(fā)射任務(wù)失敗。故障診斷為二級管路破裂，造成游機關(guān)機異常。
到今年3月，經(jīng)藍箭航天專項工作組多項措施的改進，通過地面試驗、發(fā)動機試車等驗證改進措施的有效性，火箭實現(xiàn)故障歸零。張昌武表示，火箭天然地需要更長周期去驗證產(chǎn)品方案，因此藍箭的目標(biāo)是通過遙一至遙三，三發(fā)以內(nèi)驗證產(chǎn)品的成功。
千域空天咨詢有限公司創(chuàng)始人藍天翼曾在航天一線工作多年，近年來從事商業(yè)航天市場調(diào)研。他向《中國新聞周刊》強調(diào)，朱雀二號的首要貢獻在于，它證明了液氧甲烷推進劑的可行性。國際宇航聯(lián)空間運輸委員會副主席楊宇光表示，相比固體燃料，以及最為普及的液氧煤油、液氧液氫燃料，液氧甲烷技術(shù)的從0到1，意味著未來火箭大規(guī)模批量交付有了可能。
楊宇光分析說，首先從性能角度，固體燃料雖然有密度高、耐儲存、推力強等優(yōu)勢，但單位燃料提供的動力（即比沖）太低，不適于軌道飛行。至于液氧煤油，其比沖與液氧甲烷相差無幾，但由于煤油在發(fā)動機紛繁復(fù)雜的管路中燃燒，很容易積碳，難以清理，與可重復(fù)利用的目標(biāo)相去甚遠。液氧液氫雖然比沖更優(yōu)、燃燒干凈，但成本問題限制了其發(fā)展。
從成本角度，固體燃料開采成本遠高于液體。煤油和甲烷都易得，但航天級別的煤油需提純制備，比只需液化的天然氣成本高。液氫的成本問題有兩點，一是和液氧沸點相差懸殊，難以共同儲存；二是密度太小，容積需求大，變相增加成本。同為可重復(fù)利用火箭燃料，液態(tài)甲烷相較液氫的優(yōu)勢為，其與液氧沸點近似，裝配時可以共同儲存，節(jié)約成本。
美國SpaceX的獵鷹9號系列火箭采用液氧煤油發(fā)動機，起飛質(zhì)量549噸，運載系數(shù)（有效載荷占火箭起飛總質(zhì)量的比例）超4%，每公斤載荷發(fā)射成本2700美元。中國長征5號運載火箭主發(fā)動機采用液氫液氧，起飛質(zhì)量859噸，運載系數(shù)近3%，每公斤載荷報價3萬元人民幣，折合超4100美元。在運載相同衛(wèi)星入軌的前提下，前者成本縮減超過50%。
朱雀二號的每公斤載荷報價還沒有公布，但此前有媒體預(yù)測，該數(shù)字有望低于獵鷹9號。而SpaceX公司的“星艦”，一級使用33臺液氧甲烷猛禽發(fā)動機驅(qū)動，二級使用3臺猛禽和3臺猛禽真空。相比獵鷹9號的部分回收，馬斯克稱，星艦計劃實現(xiàn)完全可回收，每公斤載荷發(fā)射成本報價將為10美元。
另一美國商業(yè)航天巨擘藍色起源公司，旗下的BE-3型號火箭發(fā)動機還采用液氧液氫，到BE-4已轉(zhuǎn)向液氧甲烷。目前，中國民營企業(yè)星際榮耀在研的雙曲線三號運載火箭、九州云箭在研的70噸級龍云火箭發(fā)動機，均以液氧甲烷驅(qū)動。中國長征9號超重型運載火箭，也已確定液氧甲烷作為推進劑。今年5月12日，其擬用的200噸級液氧甲烷發(fā)動機進行了點火試驗。
楊宇光表示，中國目前無論國企還是民企，都還沒能實現(xiàn)完整的火箭回收過程。獵鷹9號至今已進行超過200次回收，但即使發(fā)動機可復(fù)用，維修檢測、更換部件，直到再次發(fā)射，中間也面臨高額附加成本。楊宇光強調(diào)，“可重復(fù)使用不等于低成本”?；厥占夹g(shù)與成本控制共同決定了可重復(fù)利用的效率，進而為大規(guī)模批量交付的遠景奠定基礎(chǔ)。
“基礎(chǔ)科研能力是核心競爭力。”楊宇光指出，美國獵鷹9號的高性能與高成功率，很大程度上得益于鋁鋰合金工業(yè)的成熟。該合金在同樣強度下，比傳統(tǒng)鋁合金輕得多。每添加1%的金屬鋰，其密度降低3%，該性能特質(zhì)，在大體量的航天器外殼上表現(xiàn)顯著。獵鷹9號艦體高達70米，全艦外殼使用鋁鋰合金。楊宇光表示，目前中國還缺乏生產(chǎn)這種大型構(gòu)件的能力。
“朱雀二號雖然在發(fā)動機體量、可重復(fù)利用技術(shù)等方面仍有提升空間，但它確實實現(xiàn)了液氧甲烷的從0到1。它沒有購買技術(shù)，自己走通了整條路。”藍天翼說。
全產(chǎn)業(yè)鏈的商業(yè)模式
在藍天翼眼中，朱雀二號發(fā)射成功的另一則意義，便證明了全產(chǎn)業(yè)鏈的商業(yè)模式有望走通。
艾媒咨詢2022年研報顯示，中國商業(yè)航天自起步以來，產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年增長，產(chǎn)值由2015年的3764億元增長至2020年的10202億元， 2015~2021年中國商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)保持著22.3%的年均復(fù)合增長率，預(yù)計2024年將突破2.3萬億元。商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)平均單筆融資額從2014~2015年的0.02億元，增長至2020-2021年的2.11億元。
艾媒咨詢稱，商業(yè)航天的上游為火箭、衛(wèi)星等制造業(yè)，以及原材料行業(yè)，被稱為硬件層；中游包含了發(fā)射、地面設(shè)備等支撐層；下游則是應(yīng)用及服務(wù)層，包括運營、衛(wèi)星應(yīng)用等。
藍天翼認(rèn)為，國內(nèi)商業(yè)航天崛起的背后，是行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展探索。火箭制造與發(fā)射在前兩層，前期投入非常大，企業(yè)很可能“倒在黎明前”。市場機制意味著，民營航天企業(yè)要首先證明自身實力，才能在下游應(yīng)用服務(wù)層取得優(yōu)勢。
零壹空間自研的“重慶兩江之星”火箭，是中國首枚“民營自研商用亞軌道火箭”，其采用固體燃料。藍箭航天在朱雀二號前，也開發(fā)過基于固體燃料的朱雀一號，雖然入軌失敗，卻仍是中國首枚“民營軌道運載火箭”。
朱雀二號運載火箭發(fā)動機的測試場景。圖/CCTV+朱雀二號運載火箭發(fā)動機的測試場景。圖/CCTV+
為什么民營企業(yè)都傾向于首發(fā)小固體火箭？楊宇光認(rèn)為這取決于融資模式。固體和液體火箭有不同的市場，小型固體火箭發(fā)射靈活快速，更便于搭載微小衛(wèi)星。而市場上的大規(guī)模批量交付，則是液體火箭的主場。企業(yè)要證明自己的上天實力，最快方式就是發(fā)射固體火箭，甚至直接從國企購買發(fā)動機，縮短研發(fā)周期，加速融資，以此為基礎(chǔ)再進軍液體火箭市場。
張昌武則表示，“先固后液”只是商業(yè)航天探索初期涌現(xiàn)的模式，并不是必要的。中國商業(yè)航天從技術(shù)上講，不是直接選擇走哪一條路，而是以產(chǎn)品的充分驗證為導(dǎo)向，摸索前進。因此藍箭航天投入大量精力，建設(shè)試車臺、冷試系統(tǒng)、模態(tài)試驗系統(tǒng)等，都是為了液氧甲烷這套產(chǎn)品的頂層需求服務(wù)的。這過程中，對于資源整合能力的要求極高。
“SpaceX的商業(yè)模式與中國民企不同，它的成功是不可復(fù)制的。”楊宇光說，SpaceX接受了許多美國航空航天局（NASA）的運輸訂單，這是它前期的重要盈利模式。除了推進劑，國內(nèi)還有很多要追趕的方向。中國處在商業(yè)航天模式探索初期，不能一蹴而就。
藍天翼分析說，中國民營航天企業(yè)在商業(yè)模式探索中會否遇到更多困難，取決于商業(yè)模式的成熟度。從大行業(yè)角度來看，絕大多數(shù)公司還在從0到1的過程中。中國現(xiàn)在缺乏一個足夠體量的運營商，去支撐中下游。美國空間互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)公司OneWeb則扮演著這樣的角色。
據(jù)公開資料，商業(yè)航天1.0的傳統(tǒng)模式為銀行貸款、購買衛(wèi)星、販賣帶寬、收益購買新衛(wèi)星等，業(yè)務(wù)范疇集中在中下游，較為單一。而OneWeb的資金不是從銀行來，是靠市場和投資，其最大融資者為日本移動通信運營商Softbank。2014年，OneWeb對衛(wèi)星制造商招標(biāo)，總共建造約900顆小型互聯(lián)網(wǎng)傳輸衛(wèi)星，此后才催生SpaceX及其StarLink星鏈計劃。
藍天翼分析說，美國商業(yè)航天邏輯完善、模式成熟，涉及全球招標(biāo)采購、市場運營、工業(yè)定價等方方面面。中國在航天業(yè)發(fā)展的60多年里，國家資本占大頭，以服務(wù)國家相關(guān)部門需求作為主要任務(wù)，這是一種以科研體系為主的模式，因此除技術(shù)、行政風(fēng)險外，國企很少需要承擔(dān)商業(yè)風(fēng)險。
“民商航天和國有航天有不同的側(cè)重。”周炳紅補充道。民商航天更注重市場導(dǎo)向和商業(yè)化運作，通常以低成本、高效率的方式進行研發(fā)，并更加關(guān)注商業(yè)應(yīng)用和市場需求。國有航天在國家重大任務(wù)中有著重要的地位，更注重長期科研和技術(shù)積累，兩者相互補充。民商航天可以為國有航天帶來市場化思維和商業(yè)模式創(chuàng)新，國有航天則能提供豐富的科研和技術(shù)支持。
“商業(yè)航天模式帶來了定價機制、成本核算的機制，以及項目招標(biāo)等清晰的商業(yè)邏輯。藍箭航天因此被人稱為行業(yè)中的‘鲇魚’。”藍天翼分析說。但在他看來，“鲇魚”代表著對原有模式一定程度的改變，但商業(yè)航天對“國家隊”模式影響不大，二者的關(guān)系應(yīng)該稱為并行。
下游應(yīng)用待發(fā)展
藍天翼曾就職于東方紅海特衛(wèi)星有限公司，其為中國空間技術(shù)研究院下屬微小衛(wèi)星研制總體單位。他曾擔(dān)任過多個航天預(yù)研項目的分系統(tǒng)設(shè)計師，現(xiàn)創(chuàng)辦的千域空天則是一家航天咨詢公司。
作為航天領(lǐng)域從業(yè)者，藍天翼認(rèn)為商業(yè)航天創(chuàng)業(yè)門檻較高。這體現(xiàn)在其產(chǎn)業(yè)鏈條長、跨度大等方面。過去一段時間，商業(yè)火箭最普遍的下游應(yīng)用是衛(wèi)星發(fā)射，其涉及許可證、火箭采購、協(xié)調(diào)接口、測控等多方面。“只從事具體某一制造業(yè)的人，很少關(guān)注下游應(yīng)用。”藍天翼說。
他舉例稱，如果下游想用某個頻段的衛(wèi)星，一個做載荷的研究人員，可能只負(fù)責(zé)搭載，并不關(guān)心這一頻段的作用以及潛在干擾等。因此，通常從國有航天企業(yè)出來的一線航天從業(yè)者，要去完成一個行業(yè)從0到1的過程，其實是很難的。
下游產(chǎn)品的迭代周期普遍較上游制造更快。以衛(wèi)星為例，高軌衛(wèi)星15年的迭代周期已跟不上通信的發(fā)展，因此商業(yè)航天也多瞄準(zhǔn)低軌衛(wèi)星。此次朱雀二號遙二箭進入的便是低軌道，即近地軌道。該軌道衛(wèi)星的安置所需的能量最低，并能提供高帶寬和低通信延遲。
2015年，馬斯克首次提出星鏈計劃，致力于在低軌道部署4.2萬顆通信衛(wèi)星。2020年，中國國家發(fā)改委提出“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略性工程，同年正式發(fā)布“GW”星座計劃，預(yù)計發(fā)射近1.3萬顆的衛(wèi)星。藍天翼表示，如今低軌衛(wèi)星也有摩爾定律，即每18個月性能提升一倍，價格下降一半。在這樣的速度下，衛(wèi)星數(shù)量增多，發(fā)射成本需大幅下降，相應(yīng)的火箭載荷需求日益提升。
去年11月舉辦的中國航天大會上，商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)服務(wù)平臺未來宇航研究院正式發(fā)布國內(nèi)首個商業(yè)空間飛行器FutureX。它“像空間擺渡車一樣”，長期在軌，有望實現(xiàn)衛(wèi)星部署、多種實驗載荷的攜帶、太空碎片清理等多種功能服務(wù)。
6月14日，北京藍箭航天空間科技股份有限公司展廳里的火箭發(fā)動機。圖/視覺中國6月14日，北京藍箭航天空間科技股份有限公司展廳里的火箭發(fā)動機。圖/視覺中國
未來宇航研究院創(chuàng)始人牛旼告訴《中國新聞周刊》， 2015年剛?cè)胄刑焓雇顿Y時，他便與藍箭航天達成合作。他認(rèn)為，火箭作為通往太空的唯一工具，必然是投資者的重要切入點。FutureX也是低軌火箭的有效載荷，旨在填補軌道間運輸?shù)目瞻?，屬于新開發(fā)的下游應(yīng)用。而大規(guī)模批量交付后的可重復(fù)利用火箭更遠的應(yīng)用，還包括太空旅游、深空探測等。
藍天翼表示，雖然可以預(yù)測商業(yè)航天的應(yīng)用前景，但很難預(yù)測其出現(xiàn)的時間。因此，投資方“回歸理性”，大家希望看到更低成本更高效率的產(chǎn)品出現(xiàn)。究竟大規(guī)模批量交付局面能否在近期出現(xiàn)，仍需拭目以待。
“商業(yè)航天是個長跑項目，未來兩年將依然是成果集中亮相的沖刺期。”藍天翼分析說。中國商業(yè)航天發(fā)展的支持舉措仍在不斷出臺。國務(wù)院發(fā)布的《2021中國的航天》白皮書，明確了促進商業(yè)航天快速發(fā)展的原則和舉措，相關(guān)財稅補貼、市場培育、產(chǎn)業(yè)開發(fā)等多形式發(fā)展政策落地。
“從國內(nèi)目前對于航天發(fā)射活動的政策而言，從來沒有人為設(shè)置的阻力，這個行業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，不論是面向市場端還是監(jiān)管端，真正的短板從來都是企業(yè)自己。”張昌武說道。
發(fā)于2023.7.24總第1101期《中國新聞周刊》雜志
雜志標(biāo)題：全球首枚液氧甲烷火箭成功入軌
記者：周游
今年，關(guān)于液氧甲烷火箭入軌，全球已有過兩次嘗試。4月20日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的新型運載火箭“星艦”首次發(fā)射，以解體爆炸告終；更早的3月23日，美國相對論空間公司的“人族一號”火箭嘗試首發(fā)，因二級點火失敗而無緣入軌。7月10日，SpaceX創(chuàng)始人馬斯克在推特上設(shè)想了“火星移民計劃”：平均每3天發(fā)射50枚“星艦”，每年將超過100萬噸有效載荷送入軌道，足以在火星上建造一座自給自足的城市。
2015年被視為中國商業(yè)航天發(fā)展元年。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員周炳紅對《中國新聞周刊》分析說，中國商業(yè)航天還需在火箭回收和重復(fù)使用、高運載系數(shù)、規(guī)?；a(chǎn)和發(fā)射這三個方面進行提升。中國與大規(guī)模批量交付火箭所代表的商業(yè)航天2.0時代間，還有一定距離。
7月12日9時0分，朱雀二號遙二運載火箭在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。圖/視覺中國7月12日9時0分，朱雀二號遙二運載火箭在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。圖/視覺中國
技術(shù)上從0到1
2015年7月11日，中國第一個民用商業(yè)遙感衛(wèi)星項目——“北京二號”遙感衛(wèi)星星座，在印度孟加拉灣，搭乘印度太空研究組織的極地軌道運載火箭升空入軌。同年，《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》出臺，藍箭航天、零壹空間等中國第一批商業(yè)火箭公司相繼注冊成立。
2016年11月，“麗水一號”商業(yè)遙感小衛(wèi)星星座，搭乘長征-11火箭，實現(xiàn)一箭多星入軌，為首次國家發(fā)射場與民營衛(wèi)星公司的搭檔發(fā)射。2021年12月，星河動力成功發(fā)射谷神星一號遙二固體運載火箭，將5顆商業(yè)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，國內(nèi)民營火箭公司開始獨立探索連續(xù)發(fā)射、一箭多星的道路。
到2023年的朱雀二號遙二運載火箭發(fā)射成功，中國企業(yè)已實現(xiàn)中型液體運載火箭的完全自主研發(fā)。該箭箭體直徑 3.35 米，總長 49.5 米，起飛質(zhì)量 219 噸，起飛推力 268 噸。一級采用4臺天鵲80噸液氧甲烷發(fā)動機并聯(lián)；二級發(fā)動機采用單臺天鵲80噸液氧甲烷發(fā)動機和天鵲10噸級游動液氧甲烷發(fā)動機（下稱游機）。
藍箭航天CEO張昌武在采訪中稱，朱雀二號承載著中國商業(yè)航天從0到1的過程。他介紹稱，“從0到1”的門檻很高，企業(yè)需獨立完成設(shè)計、工藝、制造、測試、發(fā)射等一系列鏈條，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，通過前期方案驗證，向市場批量化交付，從而形成商業(yè)化回報。這一步即使邁過，未來還有可重復(fù)使用的門檻。朱雀二號此次完成了液氧甲烷火箭技術(shù)上的從0到1，而關(guān)于商業(yè)上的從0到1，藍箭航天計劃于2024年面向市場進行小批量交付，年產(chǎn)3至4發(fā)，2025年翻倍。將要進行的遙三火箭試驗，將搭載有效載荷；可重復(fù)使用火箭項目也已啟動，將在2025年試飛。
去年12月14日，朱雀二號遙一運載火箭試飛，過程中火箭二級飛行異常，未能達到入軌速度，最終再入大氣層，發(fā)射任務(wù)失敗。故障診斷為二級管路破裂，造成游機關(guān)機異常。
到今年3月，經(jīng)藍箭航天專項工作組多項措施的改進，通過地面試驗、發(fā)動機試車等驗證改進措施的有效性，火箭實現(xiàn)故障歸零。張昌武表示，火箭天然地需要更長周期去驗證產(chǎn)品方案，因此藍箭的目標(biāo)是通過遙一至遙三，三發(fā)以內(nèi)驗證產(chǎn)品的成功。
千域空天咨詢有限公司創(chuàng)始人藍天翼曾在航天一線工作多年，近年來從事商業(yè)航天市場調(diào)研。他向《中國新聞周刊》強調(diào)，朱雀二號的首要貢獻在于，它證明了液氧甲烷推進劑的可行性。國際宇航聯(lián)空間運輸委員會副主席楊宇光表示，相比固體燃料，以及最為普及的液氧煤油、液氧液氫燃料，液氧甲烷技術(shù)的從0到1，意味著未來火箭大規(guī)模批量交付有了可能。
楊宇光分析說，首先從性能角度，固體燃料雖然有密度高、耐儲存、推力強等優(yōu)勢，但單位燃料提供的動力（即比沖）太低，不適于軌道飛行。至于液氧煤油，其比沖與液氧甲烷相差無幾，但由于煤油在發(fā)動機紛繁復(fù)雜的管路中燃燒，很容易積碳，難以清理，與可重復(fù)利用的目標(biāo)相去甚遠。液氧液氫雖然比沖更優(yōu)、燃燒干凈，但成本問題限制了其發(fā)展。
從成本角度，固體燃料開采成本遠高于液體。煤油和甲烷都易得，但航天級別的煤油需提純制備，比只需液化的天然氣成本高。液氫的成本問題有兩點，一是和液氧沸點相差懸殊，難以共同儲存；二是密度太小，容積需求大，變相增加成本。同為可重復(fù)利用火箭燃料，液態(tài)甲烷相較液氫的優(yōu)勢為，其與液氧沸點近似，裝配時可以共同儲存，節(jié)約成本。
美國SpaceX的獵鷹9號系列火箭采用液氧煤油發(fā)動機，起飛質(zhì)量549噸，運載系數(shù)（有效載荷占火箭起飛總質(zhì)量的比例）超4%，每公斤載荷發(fā)射成本2700美元。中國長征5號運載火箭主發(fā)動機采用液氫液氧，起飛質(zhì)量859噸，運載系數(shù)近3%，每公斤載荷報價3萬元人民幣，折合超4100美元。在運載相同衛(wèi)星入軌的前提下，前者成本縮減超過50%。
朱雀二號的每公斤載荷報價還沒有公布，但此前有媒體預(yù)測，該數(shù)字有望低于獵鷹9號。而SpaceX公司的“星艦”，一級使用33臺液氧甲烷猛禽發(fā)動機驅(qū)動，二級使用3臺猛禽和3臺猛禽真空。相比獵鷹9號的部分回收，馬斯克稱，星艦計劃實現(xiàn)完全可回收，每公斤載荷發(fā)射成本報價將為10美元。
另一美國商業(yè)航天巨擘藍色起源公司，旗下的BE-3型號火箭發(fā)動機還采用液氧液氫，到BE-4已轉(zhuǎn)向液氧甲烷。目前，中國民營企業(yè)星際榮耀在研的雙曲線三號運載火箭、九州云箭在研的70噸級龍云火箭發(fā)動機，均以液氧甲烷驅(qū)動。中國長征9號超重型運載火箭，也已確定液氧甲烷作為推進劑。今年5月12日，其擬用的200噸級液氧甲烷發(fā)動機進行了點火試驗。
楊宇光表示，中國目前無論國企還是民企，都還沒能實現(xiàn)完整的火箭回收過程。獵鷹9號至今已進行超過200次回收，但即使發(fā)動機可復(fù)用，維修檢測、更換部件，直到再次發(fā)射，中間也面臨高額附加成本。楊宇光強調(diào)，“可重復(fù)使用不等于低成本”?；厥占夹g(shù)與成本控制共同決定了可重復(fù)利用的效率，進而為大規(guī)模批量交付的遠景奠定基礎(chǔ)。
“基礎(chǔ)科研能力是核心競爭力。”楊宇光指出，美國獵鷹9號的高性能與高成功率，很大程度上得益于鋁鋰合金工業(yè)的成熟。該合金在同樣強度下，比傳統(tǒng)鋁合金輕得多。每添加1%的金屬鋰，其密度降低3%，該性能特質(zhì)，在大體量的航天器外殼上表現(xiàn)顯著。獵鷹9號艦體高達70米，全艦外殼使用鋁鋰合金。楊宇光表示，目前中國還缺乏生產(chǎn)這種大型構(gòu)件的能力。
“朱雀二號雖然在發(fā)動機體量、可重復(fù)利用技術(shù)等方面仍有提升空間，但它確實實現(xiàn)了液氧甲烷的從0到1。它沒有購買技術(shù)，自己走通了整條路。”藍天翼說。
全產(chǎn)業(yè)鏈的商業(yè)模式
在藍天翼眼中，朱雀二號發(fā)射成功的另一則意義，便證明了全產(chǎn)業(yè)鏈的商業(yè)模式有望走通。
艾媒咨詢2022年研報顯示，中國商業(yè)航天自起步以來，產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年增長，產(chǎn)值由2015年的3764億元增長至2020年的10202億元， 2015~2021年中國商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)保持著22.3%的年均復(fù)合增長率，預(yù)計2024年將突破2.3萬億元。商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)平均單筆融資額從2014~2015年的0.02億元，增長至2020-2021年的2.11億元。
艾媒咨詢稱，商業(yè)航天的上游為火箭、衛(wèi)星等制造業(yè)，以及原材料行業(yè)，被稱為硬件層；中游包含了發(fā)射、地面設(shè)備等支撐層；下游則是應(yīng)用及服務(wù)層，包括運營、衛(wèi)星應(yīng)用等。
藍天翼認(rèn)為，國內(nèi)商業(yè)航天崛起的背后，是行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展探索。火箭制造與發(fā)射在前兩層，前期投入非常大，企業(yè)很可能“倒在黎明前”。市場機制意味著，民營航天企業(yè)要首先證明自身實力，才能在下游應(yīng)用服務(wù)層取得優(yōu)勢。
零壹空間自研的“重慶兩江之星”火箭，是中國首枚“民營自研商用亞軌道火箭”，其采用固體燃料。藍箭航天在朱雀二號前，也開發(fā)過基于固體燃料的朱雀一號，雖然入軌失敗，卻仍是中國首枚“民營軌道運載火箭”。
朱雀二號運載火箭發(fā)動機的測試場景。圖/CCTV+朱雀二號運載火箭發(fā)動機的測試場景。圖/CCTV+
為什么民營企業(yè)都傾向于首發(fā)小固體火箭？楊宇光認(rèn)為這取決于融資模式。固體和液體火箭有不同的市場，小型固體火箭發(fā)射靈活快速，更便于搭載微小衛(wèi)星。而市場上的大規(guī)模批量交付，則是液體火箭的主場。企業(yè)要證明自己的上天實力，最快方式就是發(fā)射固體火箭，甚至直接從國企購買發(fā)動機，縮短研發(fā)周期，加速融資，以此為基礎(chǔ)再進軍液體火箭市場。
張昌武則表示，“先固后液”只是商業(yè)航天探索初期涌現(xiàn)的模式，并不是必要的。中國商業(yè)航天從技術(shù)上講，不是直接選擇走哪一條路，而是以產(chǎn)品的充分驗證為導(dǎo)向，摸索前進。因此藍箭航天投入大量精力，建設(shè)試車臺、冷試系統(tǒng)、模態(tài)試驗系統(tǒng)等，都是為了液氧甲烷這套產(chǎn)品的頂層需求服務(wù)的。這過程中，對于資源整合能力的要求極高。
“SpaceX的商業(yè)模式與中國民企不同，它的成功是不可復(fù)制的。”楊宇光說，SpaceX接受了許多美國航空航天局（NASA）的運輸訂單，這是它前期的重要盈利模式。除了推進劑，國內(nèi)還有很多要追趕的方向。中國處在商業(yè)航天模式探索初期，不能一蹴而就。
藍天翼分析說，中國民營航天企業(yè)在商業(yè)模式探索中會否遇到更多困難，取決于商業(yè)模式的成熟度。從大行業(yè)角度來看，絕大多數(shù)公司還在從0到1的過程中。中國現(xiàn)在缺乏一個足夠體量的運營商，去支撐中下游。美國空間互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)公司OneWeb則扮演著這樣的角色。
據(jù)公開資料，商業(yè)航天1.0的傳統(tǒng)模式為銀行貸款、購買衛(wèi)星、販賣帶寬、收益購買新衛(wèi)星等，業(yè)務(wù)范疇集中在中下游，較為單一。而OneWeb的資金不是從銀行來，是靠市場和投資，其最大融資者為日本移動通信運營商Softbank。2014年，OneWeb對衛(wèi)星制造商招標(biāo)，總共建造約900顆小型互聯(lián)網(wǎng)傳輸衛(wèi)星，此后才催生SpaceX及其StarLink星鏈計劃。
藍天翼分析說，美國商業(yè)航天邏輯完善、模式成熟，涉及全球招標(biāo)采購、市場運營、工業(yè)定價等方方面面。中國在航天業(yè)發(fā)展的60多年里，國家資本占大頭，以服務(wù)國家相關(guān)部門需求作為主要任務(wù)，這是一種以科研體系為主的模式，因此除技術(shù)、行政風(fēng)險外，國企很少需要承擔(dān)商業(yè)風(fēng)險。
“民商航天和國有航天有不同的側(cè)重。”周炳紅補充道。民商航天更注重市場導(dǎo)向和商業(yè)化運作，通常以低成本、高效率的方式進行研發(fā)，并更加關(guān)注商業(yè)應(yīng)用和市場需求。國有航天在國家重大任務(wù)中有著重要的地位，更注重長期科研和技術(shù)積累，兩者相互補充。民商航天可以為國有航天帶來市場化思維和商業(yè)模式創(chuàng)新，國有航天則能提供豐富的科研和技術(shù)支持。
“商業(yè)航天模式帶來了定價機制、成本核算的機制，以及項目招標(biāo)等清晰的商業(yè)邏輯。藍箭航天因此被人稱為行業(yè)中的‘鲇魚’。”藍天翼分析說。但在他看來，“鲇魚”代表著對原有模式一定程度的改變，但商業(yè)航天對“國家隊”模式影響不大，二者的關(guān)系應(yīng)該稱為并行。
下游應(yīng)用待發(fā)展
藍天翼曾就職于東方紅海特衛(wèi)星有限公司，其為中國空間技術(shù)研究院下屬微小衛(wèi)星研制總體單位。他曾擔(dān)任過多個航天預(yù)研項目的分系統(tǒng)設(shè)計師，現(xiàn)創(chuàng)辦的千域空天則是一家航天咨詢公司。
作為航天領(lǐng)域從業(yè)者，藍天翼認(rèn)為商業(yè)航天創(chuàng)業(yè)門檻較高。這體現(xiàn)在其產(chǎn)業(yè)鏈條長、跨度大等方面。過去一段時間，商業(yè)火箭最普遍的下游應(yīng)用是衛(wèi)星發(fā)射，其涉及許可證、火箭采購、協(xié)調(diào)接口、測控等多方面。“只從事具體某一制造業(yè)的人，很少關(guān)注下游應(yīng)用。”藍天翼說。
他舉例稱，如果下游想用某個頻段的衛(wèi)星，一個做載荷的研究人員，可能只負(fù)責(zé)搭載，并不關(guān)心這一頻段的作用以及潛在干擾等。因此，通常從國有航天企業(yè)出來的一線航天從業(yè)者，要去完成一個行業(yè)從0到1的過程，其實是很難的。
下游產(chǎn)品的迭代周期普遍較上游制造更快。以衛(wèi)星為例，高軌衛(wèi)星15年的迭代周期已跟不上通信的發(fā)展，因此商業(yè)航天也多瞄準(zhǔn)低軌衛(wèi)星。此次朱雀二號遙二箭進入的便是低軌道，即近地軌道。該軌道衛(wèi)星的安置所需的能量最低，并能提供高帶寬和低通信延遲。
2015年，馬斯克首次提出星鏈計劃，致力于在低軌道部署4.2萬顆通信衛(wèi)星。2020年，中國國家發(fā)改委提出“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略性工程，同年正式發(fā)布“GW”星座計劃，預(yù)計發(fā)射近1.3萬顆的衛(wèi)星。藍天翼表示，如今低軌衛(wèi)星也有摩爾定律，即每18個月性能提升一倍，價格下降一半。在這樣的速度下，衛(wèi)星數(shù)量增多，發(fā)射成本需大幅下降，相應(yīng)的火箭載荷需求日益提升。
去年11月舉辦的中國航天大會上，商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)服務(wù)平臺未來宇航研究院正式發(fā)布國內(nèi)首個商業(yè)空間飛行器FutureX。它“像空間擺渡車一樣”，長期在軌，有望實現(xiàn)衛(wèi)星部署、多種實驗載荷的攜帶、太空碎片清理等多種功能服務(wù)。
6月14日，北京藍箭航天空間科技股份有限公司展廳里的火箭發(fā)動機。圖/視覺中國6月14日，北京藍箭航天空間科技股份有限公司展廳里的火箭發(fā)動機。圖/視覺中國
未來宇航研究院創(chuàng)始人牛旼告訴《中國新聞周刊》， 2015年剛?cè)胄刑焓雇顿Y時，他便與藍箭航天達成合作。他認(rèn)為，火箭作為通往太空的唯一工具，必然是投資者的重要切入點。FutureX也是低軌火箭的有效載荷，旨在填補軌道間運輸?shù)目瞻?，屬于新開發(fā)的下游應(yīng)用。而大規(guī)模批量交付后的可重復(fù)利用火箭更遠的應(yīng)用，還包括太空旅游、深空探測等。
藍天翼表示，雖然可以預(yù)測商業(yè)航天的應(yīng)用前景，但很難預(yù)測其出現(xiàn)的時間。因此，投資方“回歸理性”，大家希望看到更低成本更高效率的產(chǎn)品出現(xiàn)。究竟大規(guī)模批量交付局面能否在近期出現(xiàn)，仍需拭目以待。
“商業(yè)航天是個長跑項目，未來兩年將依然是成果集中亮相的沖刺期。”藍天翼分析說。中國商業(yè)航天發(fā)展的支持舉措仍在不斷出臺。國務(wù)院發(fā)布的《2021中國的航天》白皮書，明確了促進商業(yè)航天快速發(fā)展的原則和舉措，相關(guān)財稅補貼、市場培育、產(chǎn)業(yè)開發(fā)等多形式發(fā)展政策落地。
“從國內(nèi)目前對于航天發(fā)射活動的政策而言，從來沒有人為設(shè)置的阻力，這個行業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，不論是面向市場端還是監(jiān)管端，真正的短板從來都是企業(yè)自己。”張昌武說道。
發(fā)于2023.7.24總第1101期《中國新聞周刊》雜志
雜志標(biāo)題：全球首枚液氧甲烷火箭成功入軌
記者：周游
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