商业论箭,中国商业运载火箭企业分析
海南太空工厂电子商务有限公司
2021-05-13
航天工业是由导弹、火箭、卫星、宇宙飞船和深空探测器等航天设备组成的高新技术产业。航天产业已成为全面维护国家安全的战略基石,是推动科技进步、服务经济社会发展的重要力量。它既是国家意志和综合国力的集中体现,又是大国博弈的战略制高点。近几年全球航天产业经历了几次巨变:航天产业与国防军工的联系变得空前紧密,在技术日益成熟的背景下,各国航天产业的性质也出现了巨大的变化,美国、俄罗斯、法国和日本相继成立了太空军,以寻求制空权;商业航天开始逐渐成为国际航天产业快速发展的新推动力,商业卫星公司 SpaceX的可回收运载火箭技术的成熟和完善直接重塑了国际商业发射的市场竞争格局;航天飞船的成功发射和返航,更是创造了全球商业载人航天产业的历史性突破;卫星互联网网络建设下,商业卫星网络公司显示了众生相,例如 SpaceX的低轨卫星网络星座 Starlink正密集进行部署。如此庞大的卫星互联网组网需求,发射的低成本商业化是必然趋势。

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一,航天运输工具运载火箭

火箭是由火箭发动机喷出的工质(工作介质)产生反作用力向前推进的飞行器,按用途分为运载火箭和探空火箭两大类。运载火箭是在航天工业中应用较多的一种航天运输工具,它能将人造卫星、载人飞船、空间站或空间探测器等有效载荷送入预定轨道,并由单级或多级火箭组成。尽管运载火箭和导弹在作战目标、气动布局、结构和规模上有一定的不同,但它们的主要组成部分是相似的,特别是箭体结构、推进系统、控制系统、飞行测量和安全系统、附加系统,发射系统等基本组成。

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丨蓝箭,成立于2015年6月,累计融资额14亿人民币,员工人数约400人,主营业务中型液氧/甲烷运载火箭。目前正在研制两款液氧/甲烷发动机,于2019年5月和11月分别完成了80吨和10吨液氧/甲烷发动机的全系统试车,最新进展为2020年5月80吨发动机完成了与火箭控制系统的联合试车,2020年6月10吨发动机完成了2000秒长试,目前液发的进度在国内民企中处于领先地位。首发固体火箭入轨失败后蓝箭没有继续从事固体火箭的研发,火箭入轨的压力全部集中于中型液体火箭之上,难度较大,压力较大,液体火箭的首次发射时间已经从以前对外宣布的2020年推迟到2021年,蓝箭目前未公布液体火箭箭体的研制进度。

丨星际荣耀,成立于2016年10月,累计融资额10亿人民币,员工人数120余人,目前主营业务为小型固体运载火箭及小型液体运载火箭。创始人兼总裁彭小波先生1994年自北航毕业后即进入航天科技一院第一总体设计部从事长征系列运载火箭的研发工作,2007年起任总体设计部总体室主任,随后担任航天科技一院研发中心主任,官至院级领导,也是创业前职务最高的商业航天创业者。星际荣耀成立前后,创始人利用其行业影响力迅速组织起了一支专业齐全的团队,技术路线较为谨慎务实,首先以亚轨道单级固体火箭及小型可入轨多级固体火箭起步,首次研制的液体火箭发动机和液体火箭选择小推力液氧/甲烷发动机、小型液体运载火箭方案,以降低研发难度和风险。

丨星河动力,在上述几家公司里成立最晚,成立于2018年2月,累计融资额3亿元,在2020年下半年固体火箭入轨发射前后还会启动两轮数亿元的融资。目前员工人数约100人,主营业务为小型固体运载火箭及大中型液体运载火箭以及航天动力系统,固体和液体火箭发动机及液体轨道姿控发动机也对外销售。公司采取“固液并举,高低搭配、远近衔接,以固体求生存,以液体求发展”的战略,并且液体火箭选择稳妥务实的液氧/煤油技术路线,在当前液氧/甲烷成为多数民营火箭公司的潮流性选择的情况下,选择液氧/煤油路线需要具有对行业深刻的专业认知以及定力。

三家民营公司首飞固体火箭性能参数对比图

二,其他商业航天火箭公司

在三家所谓头部公司之外,还活跃着十几家商业航天火箭公司和发动机公司,它们都在各自选定的发展道路上砥砺前行、蓬勃发展,今天的后发公司,也许明天就是进入头部的明日之星:

翎客航天丨九州云箭丨星途探索丨宇航推进丨凌空天行丨深蓝航天丨中科宇航丨中科宇航丨天兵科技丨灵动飞天丨空天引擎丨天擎航天丨神州五行

中国民营企业从事运载火箭研制是在我国改革开放走向纵深和剧烈变革之中的国际商业航天技术及组织形式交互冲击下产生的全新事物,各方都没有经验可循。

三,我国民营火箭最优技术路线的选择

中国民营企业从事运载火箭研制是在我国改革开放走向纵深和剧烈变革之中的国际商业航天技术及组织形式交互冲击下产生的全新事物,各方都没有经验可循。面对航天工业庞大的技术体系,起步阶段的我国初创民营航天企业在技术路线的选择上面临着如下的抉择:

1)研发固体火箭还是液体火箭。

2)液体火箭选用液氧/甲烷还是液氧/煤油推进剂。

3)液体火箭首发产品研制大中型火箭还是小型火箭。

4)液体火箭首发产品是否要支持重复使用。

如图:

 

四,民营商业液体火箭技术分析

展示了蓝箭、星际荣耀、星河动力三家公司在研的液体火箭,为对比方便,加上了航天一院研制的“长征二号丙”中型液体火箭。其中,蓝箭、星际荣耀的液体火箭采用液氧/甲烷推进剂,星河动力的液体火箭使用液氧/煤油推进剂,“长二丙”使用四氧化二氮/偏二甲肼常温推进剂。蓝箭“朱雀二号”和星际荣耀“双曲线二号”预计2021年首飞,星河动力“智神星一号”预计2022年首飞。

从运载能力看,蓝箭“朱雀二号”和星河动力“智神星一号”都是“长征二号丙”级别的二级中型液体火箭,主打LEO和SSO轨道的发射,200公里LEO运力4吨,500公里SSO运力1.5~2+吨,研究表明这个级别的火箭市场需求最大,历史发射次数最多。星际荣耀“双曲线二号”是其中最小的一款液体火箭,起飞质量和运载能力只有 “朱雀二号”和 “智神星一号”的大约一半,液体火箭的研制从小推力液体发动机和小型液体火箭起步,反映出星际荣耀公司谨慎的风格。 

从外形尺寸看,三款液体火箭都选用了3.35米的直径,其中星际荣耀“双曲线二号”一子级为3.35米直径,二子级选用了2.25米直径。我国国有航天系统目前使用的箭体直径为2.25米、3.35米、5米,民营航天继续沿用这一体系可以充分利用中国国有航天系统多年来已经建立起来的箭体制造工艺和工装设备。在LEO运载能力相同,箭体直径相同的情况下, “朱雀二号”的火箭总长为48.8米,“智神星一号”的总长为42米,“朱雀二号”的总长比“智神星一号”的总长多了6.8米,“朱雀二号”的长度和体积比“智神星一号”大了16%,这与甲烷密度和密度比冲比煤油低,导致同样条件下甲烷火箭的燃料贮箱和整箭体积要大于煤油火箭的理论分析是一致的,甲烷燃料的低密度、低密度比冲给火箭体积和长度带来的扩增效应非常明显。过大的体积将增加火箭的造价和重量以及气动阻力,长细比加大也给火箭控制系统和箭体力学结构设计增加了难度和压力。 

从液体火箭重复使用及发动机的配置方案来看,蓝箭“朱雀二号”完全复制“长二丙”的方案,即火箭一级使用4台大推力发动机,二级采用1台与一级同型号大推力真空版发动机加一台小推力四推力室游动发动机;星河动力“智神星一号”和星际荣耀“双曲线二号”则拥抱最新的技术,采用SpaceX“猎鹰9”多台中小推力发动机并联的先进构型(一子级),二子级采用单台与一子级同型的真空版发动机。蓝箭“朱雀二号”采用“长二丙”的发动机配置方案的优点是可以直接采用“长二丙”久经考验的控制方案和算法,降低研制风险;缺点是“长二丙”及其原型“东风五号”导弹是50年前的设计,当时完全没考虑火箭的重复使用,继承“长二丙”方案的蓝箭“朱雀二号”也难以支持火箭的重复使用,基本等于一个甲烷版的一次性“长二丙”火箭,而星河动力“智神星一号”和星际荣耀“双曲线二号”则面向重复使用设计,有明显的重复使用设计特征。 

航天界在研究中的火箭回收方式有伞降回收、带翼飞回和垂直着陆回收三种,目前唯一走通的道路就是SpaceX公司率先实践的垂直着陆回收方式。

支持垂直着陆回收的火箭在硬件配置上应该有返回时飞行控制所用的栅格舵和垂直着陆时使用的着陆支架,以及中心对称安装的奇数台具有多次点火、深度变推能力的发动机,例如“猎鹰9号”并联安装9台梅林发动机,火箭起飞时9台发动机同时工作,能够为火箭提供足够大的起飞推力;火箭在发射前火箭燃料的质量占火箭总质量的90%,火箭返回接近地面时推进剂已经接近消耗完毕,火箭总重变得很轻,这时只打开中间的一台发动机并降低推力才能提供相对于火箭重量足够小的反推缓冲推力,如图:

SpaceX“猎鹰9号”与我国民营火箭公司三款液体火箭的一子级发动机布局示意图,图中可见SpaceX “猎鹰9号”、星际荣耀“双曲线二号”、星河动力“智神星一号”火箭一子级分别采用一台发动机居中的并联9台和7台的发动机布局,垂直降落时可以只打开打开中间一台作为反推缓冲发动机,而蓝箭“朱雀二号”使用4台推力较大的发动机,在4台发动机的布局下,如果要垂直降落并且只开一台发动机,推力将偏离火箭重心,火箭会失稳,并且该发动机用于下降缓冲推力也过大,增加小推力专用下降发动机也许是一种解决方案。

 

对比了上述三款液体火箭的重复使用设计特征,可见星河动力“智神星一号”和星际荣耀“双曲线二号”具有栅格舵、着陆支架、多台中小推力发动机并联这些火箭重复使用垂直降落回收的设计特征,而蓝箭“朱雀二号”不具备这些特征,还是一次性火箭的设计,至少这个版本不具有重复使用功能,未来改进版本是否能够支持重复使用有待观察,但蓝箭张小平研究员在2019年6月号《上海航天》杂志上的论文透露“朱雀二号”不支持重复使用,蓝箭的重复使用火箭未来可能通过在5米箭体直径上并联9台80吨发动机来实现。5米箭体是航天国家队“长征5号”大火箭及在研的“921”新一代液氧/煤油大型载人运载火箭所选用的箭体,初创民营火箭企业欲在5米箭体上研制可重复使用火箭,在技术难度和研制时间上都将是巨大的挑战。此图为中国火箭型号

五,结语与展望

如今,毫无疑问是中国私人商业航天发展的黄金时期。目前,人类正处于大太空时代的黎明,当我们回顾历史时,仿佛可以看到十五世纪的三角帆船从欧洲的港口鱼贯而出,开启了一个波澜壮阔的大航海时代,也开启了一个工业革命和全球化时代的序幕,为西方国家带来了巨大的利益。我们已经错过了历史上的大航海时代,今天不能再错过太空时代。
 

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就像航海时代的帆船在大洋上航行一样,火箭是航海时代远航太空的希望之舟。新纪元,国家重器的铸造,民营火箭企业大有可为。对我国的商业性航天民营火箭企业而言,并不存在一条可放眼全球的发展道路。商业航天在中国是全新的事物,探索每一个民营火箭企业的发展道路是艰难而孤寂的,但这些不同道路的探索对于中国商业航天的发展来说,弥足珍贵。每一家私营火箭公司,不管是选择固体火箭还是液体火箭,选择甲烷或煤油或其他新型推进剂方案,或者是关注火箭动力,甚至专注于亚轨道飞行,只要尊重技术和市场发展的客观规律,从各自企业的实际出发,从满足国家战略需要和商业市场需要出发,就一定能找到适合自己企业的发展道路,经过艰苦而宝贵的探索,最终都有可能取得殊途同归的胜利,共同会师我国新一代绿色清洁推进剂可重复使用运载火箭的技术高地。