智东西内参|太空旅行、卫星互联照进现实！揭秘飞速发展的商业航天，可回收火箭为核心

根据火箭运力统计表进行估算，2021 年国内发射卫星的火箭总运力约为 140.4t/700km，与未来平均每年对火箭运力需求 343t/700km 差距较大。通过需求测算以及现有运力统计，预计未来国内火箭运力缺口较大，这部分缺口是商业火箭公司的主要市场。

文章插图
国内外代表性商业火箭公司技术路线对比
1、液氧甲烷，民营火箭动力一致选择在火箭技术领域，长期存在着所谓的“固液之争”，即固体火箭和液体火箭，哪个更适合航天发射。早在上世纪七八十年代，就曾经有过一场影响深远的大讨论。液体派认为，液体发动机在运输时燃料储箱是空的，总体较轻，运输车辆的负荷较小，工程上更易实现，燃料在发射场里加注就可以了。固体派则认为，固体火箭的燃料是在车间里浇铸完成的，不需要考虑燃料加注的问题，起竖后经过简单检测就可以发射。双方支持者各执一词，各自强调的优点正是对方的软肋，一时相持不下。

文章插图
【 智东西内参|太空旅行、卫星互联照进现实！揭秘飞速发展的商业航天，可回收火箭为核心 | 火箭】固体燃料火箭与液体燃料火箭对比
火箭发动机价值量占比过半，发动机能否满足重复使用是技术路径选择的重要考量。在一次性使用运载火箭成本构成中，发动机约占总成本的 54.3%，箭体结构约占总成本的23.6%，电气系统约占 8%，阀门管路及执行机构约占 8.1%，点火、级间分离等火工品约占 5.3%，推进剂成本约占 0.7%。作为火箭中价值最高的部分，发动机能否满足重复使用需求是火箭回收的前提条件，而火箭回收是商业航天降低成本的必由之路。因此发动机是否满足重复使用将决定能否实现火箭回收，是民营火箭公司技术路径选择的重要考量。
液氧液氢、液氧甲烷、液氧煤油 3 种低温推进剂均满足发动机重复使用基本需求，国外已有阶段性成果。SpaceX采用液氧煤油推进剂的梅林发动机已经成功实现多次飞行回收，重复使用发动机先驱 SSME 发动机则使用了液氧液氢推进剂，而同样使用液氧液氢推进剂的 BE-3 和ＲL10 发动机也得以成功回收。目前国际上对于液氧甲烷发动机还没有研制成功飞行的先例，但研制历程已达几十年，NASA 将 RS-18 改造为月球着陆器下降级液氧甲烷发动机，并开展了高空模拟试车和推进剂在月球表面的长期贮存模拟试验研究。
液氧甲烷发动机成本低、性能适中、结焦少、与液氧沸点接近，商业航天需要在成本和性能之间获取平衡，液氧甲烷发动机将是商业趋势。作为一种被广泛使用的清洁能源，甲烷燃烧热值高，资源丰富，与液氧温度相近，可以设计成共底贮箱以降低结构质量和复杂度。液氧甲烷推进剂比冲性能介于液氧液氢推进剂和液氧煤油推进剂之间，密度比冲较高，能有效提高火箭运载能力。在所有烃类燃料组合中，液氧甲烷发动机自洁净性较好，是最不容易结焦和积碳的，利于回收可重复使用。
目前科学家们已经在诸如火星、土卫六等星球上发现存在液体甲烷“海洋”，如果未来开展星际航行，或可直接从目标星球获取液体甲烷作为燃料。目前，美国 SpaceX（未上市）和蓝色起源积极开展液氧甲烷发动机的研制工作，其发动机型号分别为“猛禽”和 BE-4，国内则有蓝箭航天的“天鹊”80t。我们认为，液氧甲烷火箭推进剂综合优势突出，液氧甲烷发动机或为民营火箭公司未来一致选择。
2、火箭可回收技术是商业航天关键运载火箭的研制复杂，耗资巨大，成本问题已成为制约航天事业发展的主要因素之一。随着航天技术的发展，大幅度降低成本成为运载火箭研制中必须重点考虑的问题。运载火箭作为商业航天主要的运载工具，降低其商用成本、满足市场所需是运载火箭大规模商业化应用的关键，也是构建整个商业航天生态的基石。
有效降低火箭成本的三种途径为：一是火箭回收与重复使用；二是垂直整合产业链与自主研发核心技术；三是采用通用化设计，使用市场货架产品。其中，火箭可回收技术是降低成本最核心且有效的方式。
运载工具的一次性使用是航天发射成本高昂的重要原因之一，火箭回收与重复使用有望将发射成本降至三分之一。在搭载有效载荷飞行并最终把有效载荷送入预定轨道的过程中，运载火箭各子级按时序分离、报废。可重复使用火箭通过对发动机、箭体及其它设备的垂直回收与重复使用，能够大幅降低发射成本。SpaceX凭借技术突破，自研掌握了火箭回收技术等关键技术，于 2015 年 12 月成功回收“猎鹰 9 号”一级火箭，将“猎鹰 9 号”发射费用降至每千克 0.62 亿美元，约为同类型运载火箭发射价格的 30%，竞争优势明显。

智东西内参|太空旅行、卫星互联照进现实！揭秘飞速发展的商业航天，可回收火箭为核心 | 火箭( 三 )