元航资本 陈东 元航资本 2023-08-01 13:15 发表于北京

1. 风起云涌，箭舞苍穹

      2023年4月2日，天兵科技研制的“天龙二号”遥一运载火箭在我国酒泉卫星发射中心首飞成功，成为我国商业航天首枚实现入轨的液体运载火箭，打破了全球私营火箭公司液体火箭首飞不成功的魔咒，同时也完成了国产煤基航天煤油的首次实际飞行验证。经由此次成功发射，天兵科技成为率先迈入液体运载火箭的大门的中国民营火箭企业，也引领中国商业航天进入了液体火箭的新发展阶段。      

      2023年7月12日，蓝箭航天研制的朱雀二号遥二液体火箭由酒泉卫星发射中心发射并成功入轨。此次飞行验证了2022年12月首飞失利的“朱雀二号”遥一火箭游机故障归零措施的有效性，“朱雀二号”遥二成为全球首枚成功入轨的液氧甲烷运载火箭，标志着我国在新型低成本运载火箭液体推进剂应用方面取得突破，具有重要象征意义。      

      2023年5月18日，我国目前唯一通过小型固体火箭实现了运载火箭商业化批量发射的民营火箭公司星河动力，经由安徽地方媒体发布了其“智神星一号”中大型液体火箭的总装下线仪式。该液体火箭的一子级采用3.35米直径箭体内并联7台液氧煤油发动机的动力组合，使得该火箭具有可垂直回收重复使用的基础物理架构，这是我国首枚以实物形式公开亮相的面向可重复使用设计的中大型液体火箭。星河动力在火箭总装下线仪式上同时公布了“智神星一号”后续60余项的大型试验计划、明年年中首飞的时间节点以及重复使用50次的设计目标。

图1. 中国商业航天正在进入液体火箭时代

      除了上述三家企业之外，我国多家商业航天企业在液体火箭总体设计、液体火箭发动机研发、液体火箭推进剂贮箱制造等领域均取得可喜进展，呈现出商业液体火箭“大鹏一日同风起，扶摇直上九万里”的群体突破态势，多种迹象表明中国商业航天正在进入液体火箭时代。

2.奋勇攀登商业液体火箭的技术制高点

      中美两国都公布并已启动实施了各自超过万颗的巨型卫星互联网星座计划，面对人类航天史上前所未有的海量卫星发射需求，使用传统高成本一次性火箭从产能、造价、发射密度等方面都难以满足今后巨型卫星互联网星座的组网发射需求，现有卫星发射市场也对降低进入空间的成本提出了迫切的要求，因此可重复使用功能已经成为当前在研和新研制液体火箭的必选项。从商业竞争角度看，可重复使用液体火箭以其低廉的发射价格和高密度的发射能力对于相同规模的一次性火箭将呈现出“降维打击”的压制效果，因此无论从技术角度还是从商业角度看，可重复使用液体火箭都是中国商业火箭公司必须全力攀登的火箭技术制高点。

2.1 可重复使用液体火箭的硬件结构

      多年来世界各航天大国进行了多种可重复使用天地往返航天器的探索，目前唯一成功、成熟、经过大规模实际工程验证的就是美国太空探索公司（SpaceX）开创并成功实践的垂直起飞垂直着陆（VTVL）液体火箭重复使用技术，具体技术成果就是“猎鹰9号”火箭及其扩展型“猎鹰重型”火箭。截止到2023年6月，SpaceX公司已经通过“猎鹰9号”火箭的80余次发射将超过4700颗“星链”卫星送入预定轨道。“猎鹰9号”是两级液氧煤油液体火箭，可以实现火箭一子级的垂直着陆重复使用。“猎鹰9号”火箭目前已产生两枚复用过16次的火箭，总计成功回收次数超过200次。      

      要实现液体火箭的垂直着陆重复使用首先要在火箭的硬件组成上满足技术要求，包括具有栅格舵、着陆支架、可多次启动和深度变推力的发动机，特别是发动机的数量和布置方式要满足垂直回收的要求，其次要在火箭的飞行控制软件算法上全面演进。      

      一枚矗立在发射工位上的液体火箭其推进剂的重量占火箭总重量的90%左右，当火箭将卫星送入轨道后，其推进剂接近消耗完毕，火箭失去发射前80%左右的推进剂重量，加上一二级分离后只有一子级返回，一子级的重量只有火箭起飞前总重的十几分之一，当火箭一子级垂直返回地面时，火箭的反推缓冲推力要和一子级的重力基本相当。安装在火箭一子级底部的液体火箭发动机组合既要能够为火箭的起飞提供巨大的推力，又要能够为火箭一子级返回着陆时提供足够小的反推缓冲推力，这是一个很大的难题，SpaceX“猎鹰9号”火箭采用的9台发动机并联的动力配置方案巧妙地解决了这一难题。 

     “猎鹰9号”火箭在火箭一子级3.66米箭体内并联安装9台发动机，其中一台安装于火箭尾段底面的圆心，与火箭轴线重合，其余8台发动机围绕中心发动机沿火箭尾段底面圆周对称安装。火箭起飞时9台发动机全部工作，提供足够大的起飞推力；火箭一子级降落时只启动中间一台发动机提供反推缓冲动力，一举将反推推力削减为起飞时的1/9，同时反推发动机本身具有约50%的节流变推力能力，可将着陆反推推力进一步缩减为起飞推力的十几分之一，与一子级很轻的重量相匹配，再配合栅格舵、着陆支架、飞行控制软硬件即可实现火箭的垂直着陆。

图2.可垂直回收火箭的硬件组成及发动机布局对比图

      我国国有及民营火箭企业已经公布的可重复使用液体火箭的动力配置方案与“猎鹰9号”类似，均采用7台或9台发动机并联方案，例如航天一院“长征十号”载人登月火箭芯级及助推器采用在5米箭体内并联7台130吨推力发动机的配置，星河动力“智神星一号”中大型液体火箭采用在3.35米箭体内并联7台50吨推力发动机的配置，天兵科技“天龙三号”大型液体火箭采用在3.8米箭体内并联7台110吨推力发动机的配置，星际荣耀“双曲线二号”小型液体火箭采用在3.35米箭体内并联9台12吨推力发动机的配置。相比之下，“长征五号”芯级的双发配置、“天龙二号”的三发配置、“长征二号”和“朱雀二号”的四发配置都属于传统一次性火箭的发动机布局方式，无法支持火箭的垂直着陆，即使垂直降落时只开一台发动机也无法起到足够的推力削减作用，而且着陆反推发动机不在中心位置，推力偏离火箭轴线会造成过大偏心力矩导致火箭倾覆。

2.2 可重复使用液体火箭的导航制导算法及软件的研发

      当液体火箭具备了垂直回收的基础硬件架构之后，需要攻克的另一个难点就是火箭返回和垂直着陆的飞行控制/制导的算法软件。可回收液体火箭的一子级一般在卡门线附近与二级分离后启动垂直回收流程，经过调姿段、动力飞回段、滑行段、动力再入段和着陆下降段等五个阶段，经历严苛的热、力环境考验，通过火箭软硬件协同的高精度控制以预定的速度和姿态返回陆上或海上回收点。      

      火箭返回和垂直回收的飞行导航/制导逻辑与火箭常规入轨发射控制逻辑差异很大。火箭常规入轨发射的导航/制导依据事先规划好的路径，由GNSS卫星/惯导组合感知火箭与预定位置、速度、姿态的误差，通过负反馈跟踪制导方式控制火箭沿预定路径飞行，火箭按照时序依次完成程序转弯、级间分离、抛整流罩、星箭分离等动作。而可复用火箭的返回和垂直回收的飞行剖面复杂，飞行阶段众多，传统运载火箭采用的开环或跟踪制导等方法无法满足垂直软着陆精密制导的需求。火箭返回和垂直回收的路径无法像火箭常规入轨发射那样事先精确规划，特别是在着陆下降段需要使用火箭的实时在线路径规划方法，需要依据火箭当时的位置、高度、速度、姿态和环境参数实时规划火箭着陆返回的最优路径，近年来凸优化方法成为解决在线轨迹规划最优制导数学问题的优选方法，得到各国航天学术和工程界的重视。      

      我国航天界虽然还未完成可重复使用液体火箭的入轨发射及垂直回收的全流程工程实践，但已经对相关理论做了多年储备，多家公司完成了地面近距离的火箭垂直着陆“蚱蜢跳”试验，特别是中国航天技术团队已经成功完成过与火箭垂直着陆有一定相似性的、高难度的无人航天器在月球和火星的软着陆，积累了丰富的经验。液体火箭的垂直回收导航制导算法对我国航天界已经不存在难以克服的理论和科学障碍，剩下的只是一个工程实现问题，相信我国国有和民营航天企业在未来几年一定能够将火箭的垂直回收重复使用在中国大地上变为现实。

2.3商业可重复使用液体火箭的推进剂之选      

      我国第一代长征液体火箭，包括长征二号、三号、四号系列火箭均采用四氧化二氮/偏二甲肼常温液体推进剂，但该推进剂有毒且价格较贵，面临退役压力。我国新一代长征火箭，包括长征五号、六号、七号、八号、十号均采用绿色环保的液氧煤油推进剂作为起飞级推进剂，上面级大多采用高比冲液氢液氧推进剂。长征九号方案几经变化，非正式会议上的资料显示最新长征九号方案与SpaceX“超重-星舰”非常相似，采用液氧甲烷动力。

      我国商业液体运载火箭的推进剂显然最适宜选择绿色环保且具有成本优势的液氧甲烷和液氧煤油两种推进剂。我国较早成立的民营火箭公司蓝箭航天、星际荣耀选择了新颖的液氧甲烷方案，后成立的几家商业火箭公司星河动力、天兵科技、中科宇航、东方空间、深蓝航天等大多选择了更成熟、更低风险的液氧煤油路线，两种选择都是各有优势和特点，都是值得中国商业航天去努力实践的技术路线。   

       液态甲烷作为一种潜在的低温烃类火箭燃料早在二战前就已出现，我国航天工业部门在上世纪80年代也对甲烷进行过全面测试和评估，但长期以来甲烷在各国航天领域没有得到实际应用，主要原因是甲烷的特色并不突出，其性能的长板不够长，总体性能较为中庸。理论和实践表明当火箭的起飞级推进剂具有高密度比冲、上面级推进剂具有高（质量）比冲的条件下火箭具有最佳性能。甲烷的密度比冲比不上煤油，比冲又比液氢低很多，甲烷在火箭性能至上的年代没有能够像高密度比冲的煤油、高比冲的液氢那样得到广泛应用，即使四氧化二氮/偏二甲肼这样的有毒常温推进剂也因其突出的常温勤务优势在军用领域和多国第一代液体运载火箭中得到长期应用。

         进入到商业航天时代后，人们认为甲烷的中庸性能从另一个角度看也可理解为性能均衡。随着全球天然气液化技术的成熟，液态甲烷因其来源广泛，价格低廉，燃烧不易产生积碳结焦有利于火箭重复使用，低温燃料冷却性好，强挥发性带来的发动机维护性好，具备在火星上原位制备甲烷的可能性等优点重新得到了航天界的关注，特别是SpaceX公司率先决定在其面向火星登陆应用的“星舰”上使用液氧甲烷推进剂后产生了示范效应，促进了各国液氧甲烷在火箭领域的应用。

      甲烷有上述诸多优点，但甲烷的固有缺点并不会随着商业航天时代的到来而消失。液态甲烷与航天煤油相比主要缺点在于其密度比冲比较低，甲烷与煤油的理论比冲相近，甲烷的理论比冲只比煤油高3%（3595m/s vs.3489m/s），但其密度大约只有煤油的一半（426kg/m3 vs.833kg/m3），导致液氧甲烷组合的密度比冲比液氧煤油低大约20%，也比常温肼类推进剂低。密度比冲指单位体积的推进剂所产生的冲量，密度比冲低意味着产生同等冲量需要的推进剂的体积更大，即火箭推进剂贮箱体积更大、推进剂供应系统尺寸和结构重量更大，在同等设计水平、同等运力、同等箭体直径下甲烷火箭通常比煤油火箭和常温火箭都要更加高大、细长。如图3所示，液氧甲烷火箭“朱雀二号”比同等运力的“长征二号丁”常温火箭高8.5米，“朱雀二号”更是比500km SSO（太阳同步轨道）运力同为1.5吨的“天龙二号”液氧煤油火箭高出16.7米之多，后者的高度只有前者的2/3，意味着后者箭体的制造成本只有前者的2/3。

      液态甲烷是沸点-162℃的低温燃料，液氧也是沸点-183℃的低温氧化剂，液氧甲烷火箭属双低温火箭，全箭贮箱都需要增加绝热保温层，而常温火箭和液氧煤油半低温火箭的贮箱不需要绝热保温层或者只需为氧箱增加。上面两个因素导致液氧甲烷火箭箭体硬件制造成本比液氧煤油火箭和常温推进剂火箭更高，体积和重量更大，长细比、干质比、箭体力学性能均受不利影响。

图3.不同密度比冲的推进剂对同等运力火箭体积高度的影响

      从推进剂经济性上考虑，液氧甲烷和液氧煤油都是价格低廉的火箭推进剂，批量采购的液态甲烷（LNG）和新型煤基航天煤油的价格都是每吨数千元，总的来说两种推进剂的费用都不超过典型大中型液体火箭发射总价的5%。

      由于商业航天发展之前甲烷在各国航天都没有得到应用，民企选择液氧甲烷路线还面临着科研试验及发射基础设施缺乏的问题，甚至还需要民营火箭企业投巨资自建液氧甲烷发射工位。初创阶段的民营火箭估值相对较低，融资成本较高，将数亿资金沉淀于初期使用频率并不高的专用发射工位并不划算，但国家航天之前又没有建设甲烷火箭发射工位可供租用，选择液氧甲烷路线的民营企业只能自建。 

      甲烷燃烧不易产生积碳和结焦是该燃料的一大亮点，有利于火箭复用，但能不能成为一种核心优势还要看具体的应用场景和未来工程实践的检验。在航天煤油这一侧也在持续改进积碳结焦问题，富氧补燃循环的液氧煤油发动机因煤油的富氧充分燃烧基本不存在积碳问题，燃气发生器循环液氧煤油发动机也可以通过合理的设计规避或减轻积碳和结焦。液氧煤油是国家选定的新一代主流火箭推进剂，国家投入了专门力量不断优化航天煤油的性能，中国独创的煤基航天煤油经过深度加氢纯化，对发动机涡轮泵和再生冷却系统能够提供良好保护，比石油基航天煤油更不易产生积碳和结焦。从工程应用角度观察，美国SpaceX“猎鹰9号” 液氧煤油火箭超过200次的成功回收及高密度发射的大规模工程实践已经充分证明了液氧煤油推进剂与可重复使用火箭的 良好适配性。   

      综上，在当前近地空间的常规应用场景下，液氧甲烷火箭的制造成本要高于液氧煤油火箭和常温推进剂火箭，商业液体火箭的液氧煤油路线更具低成本和低风险的优势；在未来登陆火星、深空探测等星辰大海场景下或者地球表面洲际地对地航班化火箭运输等场景下，液氧甲烷路线更有想象空间。     

       液体火箭发动机的比冲除了和所采用的推进剂的理论比冲有关之外，还和发动机的工程设计，特别是与发动机采用的动力循环方式有密切关系。在泵压式液体火箭发动机的燃气发生器循环、高压补燃循环、全流量补燃循环三种主要动力循环方式中，比冲指标后者比前者依次增加8%-10%，研制难度也依次大幅度增加。SpaceX的269吨推力新版“猛禽”液氧甲烷发动机和和中国航天科技集团六院为新版“长征九号”火箭研制的200吨推力液氧甲烷发动机均是具有最高比冲性能，也具有最高研制难度的“全流量补燃循环”液氧甲烷火箭发动机，能够在一定程度上弥补液氧甲烷推进剂低密度比冲的缺点。我国民营火箭和发动机企业目前研制的多型液氧甲烷发动机全部都是研制难度较低，比冲性能也较低的“燃气发生器循环”（开式循环）液氧甲烷发动机，这是符合初创公司发展阶段的合理选择，待公司发展壮大之后，“全流量补燃循环”液氧甲烷发动机应该成为中国民营火箭公司努力攀登的下一个动力技术制高点。      

      当前中国商业火箭公司采用液氧甲烷方案还是液氧煤油方案是一种只有选择没有对错的决策，两种推进剂各有其优势和不足，最终火箭产品的市场表现更多取决于各公司的工程实现能力。正如我们不会关心自己的快递是用柴油车还是汽油车送到家里的，火箭的客户也不会关心火箭使用的燃料，他们只关心火箭的价格、可靠性、履约能力等。面对“星网”的万颗卫星发射市场和现有常规卫星的可观市场，中国商业火箭公司只有坚持商业化思维，尽快研制出符合市场需求、具有强大商业竞争力的火箭产品才能脱颖而出、发展壮大。

3.中国商业液体火箭的发展现状

3.1 从固到液

      2014年11月国务院第60号文提出“鼓励民间资本参与国家空间基础设施建设”，2015年11月国家发改委等部门联合发布了《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025年）》，明确鼓励民营企业发展商业航天，2015年被认为是中国商业航天元年。在国家政策的支持下以及国外SpaceX公司等成功案例的激励下，从2015年到2020年我国陆续出现了蓝箭航天（2015.6）、零壹空间（2015.8）、星际荣耀（2016.10）、深蓝航天（2016.11）、星河动力（2018.2）、天兵科技（2019.4）、箭元科技（2019.11）、东方空间（2020.6）等中国民营商业火箭公司。除此之外，还有央企航天科技集团和航天科工集团的商业火箭公司“长征火箭”和“科工火箭”以及来自航天科技的创始团队与中国科学院力学所组成的混合所有制企业中科宇航（2018.12），中国商业火箭公司的数量在国际上首屈一指。  

     “天下武功，唯快不破”，固体火箭具有研制周期短、发射准备时间短的优势，成为多家中国商业火箭企业成立后选择研制的首个火箭类型，固体火箭也是在中国多样化的发射市场中受到欢迎的火箭类型。     

       在全球及中国发射市场中，大中型液体火箭无疑是主流产品，但近年随着卫星应用热点向低轨微小卫星星座的迁移，出现了大量单星重量在几公斤、十几公斤到几十公斤的物联网卫星、遥感小卫星、气象小卫星、导航增强卫星等，它们用大中型液体火箭发射并不合适，在这类需要快速履约、快捷发射的低轨小卫星构成的细分发射市场中，运力适中、总价较低的中小型固体火箭仍有大量的机会。      

      在我国国有、混合所有制和民营的多家商业火箭公司中，星河动力、科工火箭、星际荣耀公司、蓝箭航天、零壹空间选择运力两三百公斤的小型固体火箭开局，而长征火箭、中科宇航、东方空间三家公司的创始团队系出同源，都曾在航天科技集团固体火箭产品部门积累了固体火箭研制和供应链协同的丰富经验，其固体火箭研制的规模和起点比较高，选择研制SSO运力超过1.5吨甚至数吨的大中型固体火箭。 

      蓝箭航天于2018年10月以“朱雀一号”小型固体火箭冲击中国民企首个入轨火箭的桂冠未果，随后放弃固体火箭技术路线，专注于液氧甲烷液体火箭的研发并于公司成立八年后的2023年7月实现了“朱雀二号”液氧甲烷火箭的首次入轨。      零壹空间在2019年3月经历了一次完成度很低的小型固体火箭的入轨发射失败之后，暂别火箭整箭研发业务，目前公司作为一个商业航天零部件供应商而存在。      

      星际荣耀在2019年7月成为中国首家实现火箭成功入轨的民营火箭公司后获得了巨大的荣誉，但随后四年经历了其“双曲线一号”小型固体火箭连续三发失败的至暗时刻，至2023年4月“双曲线一号”的第四次复飞获得成功。      

      星河动力是迄今为止对轻小型固体火箭研发及商业化运营最为成功的中国民营火箭企业。星河动力2020年11月首次发射“谷神星一号”小型固体火箭即成功入轨，截止到2023年7月已经取得六战六捷的耀眼成绩。据公司在巴黎航展等场合的最新披露，今年全年将发射8-10发，明年预计订单20发，最终实现每年40发的高密度常态化发射。公司面向防务市场的固体超音速巡航靶标也已完成研制并投入批量生产，开辟了公司固体火箭技术的另一个业务增长点。星河动力已经通过轻型固体火箭业务成为首家实现运载火箭批量生产和发射以及商业闭环的中国民营火箭公司，同时其可重复使用液体火箭的研发进度也处于行业前列，星河动力在公司创办之初制定的“固液并举”的技术路线和“小固+中液”的产品规划已初步结出硕果，即以小型固体火箭快速获取现金流，以中大型液体火箭赢得公司的发展壮大的设想正在变为现实，特别是固体火箭业务已产生了可观收入并逐步显现出规模效应，星河动力已于2022年11月完成股改，成为目前IPO上市预期最高的民营火箭企业之一。      

      中科宇航于2022年7月实现了“力箭一号”中型固体火箭的首飞成功入轨，2023年6月“力箭一号”遥二火箭再次获得成功。该火箭采用四级固体发动机串联构型，500km SSO运力达1.5吨，是目前国内现役运载能力最强的固体运载火箭之一，该火箭的固体动力系统由航天科技集团四院提供配套，“力箭一号”的研制成功展现了中科宇航的中大型固体火箭总体设计和集成优化的能力，“力箭一号”将在广州南沙区中科空天飞行科技产业化基地量产。     

       长征火箭公司隶属于航天科技集团一院，是一院固体火箭技术和产品的商业化平台。公司研制的轻小型固体火箭“捷龙一号”于2019年8月首飞成功，中型固体火箭“捷龙三号”于2022年12月首飞成功。“捷龙三号”火箭采用四级固体串联构型， 500km SSO运力达1.5吨。长征火箭公司已经在山东烟台海阳建立了总装测试厂房，计划在2023年底达到年产20发火箭的生产能力。      

      东方空间成立较晚，尚无火箭首飞。公司正在研制“引力一号”火箭是起飞推力600吨，SSO运力约5吨的捆绑式大型固体火箭，已达到大中型液体火箭的运力，目前“引力一号”已完成级间分离、航电飞控软件、末端修正姿控动力系统以及助推器分离的多项试验，预计2023年年底实现首飞，公司也在山东烟台海阳建立了产业化基地。      

      科工火箭是航天科工集团固体火箭技术的产业化平台，目前已引入多轮社会化融资，成为事实上的国有控股混合所有制企业。航天科工固体火箭的研制最早起始于2000年初期的“开拓者一号”小型固体火箭，科工火箭研制的“快舟一甲” 小型固体火箭于2017年1月首飞成功，目前已成功发射19次，失利2次。科工火箭研制的中型固体火箭“快舟十一号” 低轨运力1.5吨，700km SSO运载能力1.0吨，该火箭2020年7月首飞失利，2022年11月复飞成功。      

      众多的中国商业火箭公司都选择以固体火箭，特别是以小型固体火箭起步，原因之一是固体火箭发动机构造简单，供应链成熟，固体火箭研制周期短，市场确定性好，通过固体火箭的研制和发射能快速获得收入，也能使初创技术团队走完一次运载火箭研制的全流程，为后续液体火箭的研发打下基础。      

      固体火箭发动机结构简单，并不意味着它的研制难度低，特别是大推力固体火箭发动机的研制难度非常高。我们说中国商业固体火箭的研制周期短，是因为国有固体火箭发动机供应链的成熟和开放为商业固体火箭的研制扫清了最大障碍，例如航天科技集团四院2019年研制成功的直径2.6米、推力200吨的整体式固体火箭发动机保障了“力箭一号”和“捷龙三号”固体火箭的成功，对于星河动力这种自主设计研发固体火箭发动机的民企，四院也为其提供了专业的固体推进剂装药服务。      

      固体火箭与液体火箭各有其技术经济特色，各有其适宜的目标市场，二者构造上最主要的区别在于其动力系统及推进剂，导航制导部分基本相同。固体火箭发动机通过在钢制或复合材料壳体内装填固体推进剂加上尾喷管而成，固发结构简单，但固体推进剂非常昂贵；液体火箭发动机是一套复杂和高造价的机械系统，但液体火箭推进剂非常便宜，典型的丁羟三组元固体推进剂每吨的价格是液氧煤油推进剂价格的几十倍。固体火箭发动机推力不可调整使得固体火箭难以回收，并且回收复用的价值也不大。液体火箭可以回收及重复使用，特别是高价值的液体火箭发动机及推进剂贮箱的重复使用是大幅度降低液体火箭发射成本的关键措施。

      当我们研制更大运力的液体火箭时，需要扩充的最大物料是便宜的液体推进剂，规模越大，廉价液体推进剂带来的成本效益越明显，火箭载荷的发射单价越低。如果研制大型固体火箭，也要堆积更大规模的固体推进剂，等于放大了固体推进剂昂贵的缺点，越大规模的固体火箭固体推进剂带来火箭总价的飙升效应越明显。而小型固体火箭推进剂装填量少，总价不高，同时保持有固体火箭“小快灵”的专车优势。由此看来，“液体火箭往大做，固体火箭往小做”是最符合技术和经济效益的选择，大运载能力的火箭要靠液体火箭来实现。    

      中国今后的商业发射市场是一个多样化的发射市场，覆盖的卫星和其它航天器包括几公斤到几十公斤的各种微纳卫星、百公斤级的高分遥感卫星、数百公斤的宽带互联网卫星、吨级的高轨通讯卫星和数吨级的货运飞船等。在两三年后中国商业火箭公司的可重复使用大中型液体火箭成熟后，小型固体火箭与之运力区隔度较大并且总价低，对于微纳卫星发射市场仍具有优良的适配性，将继续在这一细分市场扮演着活跃的角色。大中型固体火箭的运力区间与大中型液体火箭有所重叠，而可重复使用液体火箭的发射价格可以做到大中型固体火箭的1/3甚至更低，可重复使用液体火箭将占据这一运力区间的市场优势，大中型固体火箭可能在应急发射等少数场景保有订单。对于“星网”等低轨宽带互联网星座一箭多星整轨的发射业务，大型可重复使用液体火箭无疑是最佳选择。      基于液体火箭的重要性，几乎所有以固体火箭起步的中国商业火箭公司都在积极布局液体火箭的研发，也有后期成立的商业火箭公司跨过固体火箭的阶段，直接研制大型液体火箭的多个案例。

3.2扬帆起航的中国商业液体火箭      

      正如民用航空领域有B737/A320/C919这类窄体单通道客机占据70%的市场份额，而B777/A350/C929这类双通道宽体客机占据少部分市场的现象，在航天火箭发射领域也有类似规律，我国“长征二号丙/丁”这类中型液体火箭是以往实际发射数量和需求量最大的液体火箭，大型液体火箭仅用于空间站建设和深空探测等国家重大航天任务的少数场景，因此民营火箭企业基于3.35米直径箭体的中型和中大型可重复使用液体火箭及其扩展型可以兼顾现有的卫星发射市场和未来卫星互联网星座的批量发射需求，是一种进可攻退可守，具有较高的市场适应能力和较低的市场风险的火箭产品；同时其3.35米直径箭体贮箱制造供应链成熟，火箭规模和技术跨度适中，技术风险比研制大型液体火箭更加可控。     

       随着我国低轨宽带卫星互联网项目“星网”工程网络构型的明朗化，特别是一期工程规划的卫星重量较大，运行轨道较高，增加了对高运力大型液体火箭的需求，“星网”提供了一个最大的增量发射市场，多家商业火箭公司因此加快了大型液体运载火箭的研发，有的甚至调整了原有液体火箭产品的研制路线图，中国商业液体火箭有加速走向大型化的趋势。      中国商业火箭公司选择研制大型液体火箭有利有弊，有利之处在于大型液体火箭可以对“星网”卫星提供一箭多星整轨的发射服务，并且单位重量载荷的发射费用更低。弊端在于除了技术跨度大、技术风险高之外，也意味着失去了与中型液体火箭面对的较大传统发射市场的适配性，专攻“星网”市场增加了对单一客户、单一市场的依赖风险。我国商业发射市场是个多样化的市场，每个商业火箭公司的资源禀赋和对市场的理解不同，对液体火箭研发路线都做出了适合各自公司和目标市场的最优选择。      

      天兵科技不久前通过“天龙二号”实现了中国民营公司液体火箭的首次成功入轨，“天龙二号”遥一火箭是一枚两级半中小型不可复用液氧煤油液体火箭，2吨的低轨运力相当于“长征二号丙/丁”中型火箭的一半，1.5吨的SSO运力则与之相当。通过“天龙二号”的研制，天兵科技获得了首家实现液体火箭入轨民企的头衔，锻炼了技术团队，走完了液体火箭研制和发射的全流程，为后续更大规模液体火箭的研发打下了基础。天兵科技正在全力研制“天龙三号”大型可重复使用液体火箭并计划在2024年5月实现首飞。如果天龙三号研制成功，将是一个震撼全行业的里程碑式事件。“天龙三号”从外形尺寸、火箭构型、起飞重量、起飞推力、运载能力各方面完全对标SpaceX“猎鹰9号”大型液体火箭，“天龙三号”的不回收近地轨道运载能力达到17吨，与“猎鹰9号”的回收近地轨道运载能力相同。对比中国航天国家队在研的“长征十号甲”载人登月火箭的无助推单芯级两级构型火箭，“长征10号甲”单芯级火箭在5米直径的箭体内安装7台130吨推力的液氧煤油发动机，“天龙三号”在3.8米直径箭体内安装7台110吨推力的液氧煤油发动机，二者的起飞推力和运载能力略有差别但基本处于同一量级，而 “天龙三号”的研制进度和计划首飞时间要快于“长征十号甲”。天兵科技“天龙三号”大型液体火箭是中国民营商业航天向世界运载火箭先进水平的一次勇敢出击，也是面向国家队先进水平的一次看齐。   

      当然初创阶段的民营火箭企业研制大型液体火箭也面临着巨大的技术和市场风险，天兵科技研发团队刚刚实现了2吨低轨运力的中小型液体火箭的成功首飞，一年之后就要实现17吨低轨运力的大型液体火箭的首飞，技术跨度很大，面临的技术风险也很大。在市场方面，大型液体火箭的市场也相对比较狭窄。但是天兵是一家善于创造奇迹的公司，包括实现了民营液体火箭的首家入轨，在两三年的短时间内就研制出了两款高难度、高性能的液氧煤油发动机等。天兵管理层已经在多个场合宣布了“天龙三号”的研发计划及2024年5月的首飞节点，显示出了他们对该项目的充分把握和信心。      

      蓝箭航天“朱雀二号”遥二中型液体火箭于2023年7月发射成功，成为世界首枚入轨的液氧甲烷火箭，受到媒体的广泛赞誉。“朱雀二号”2017年9月立项， 2018年7月设计方案对外公布，该火箭采用新型液氧甲烷推进剂，但从运力和构型上完全参照了我国“长征二号丙/丁”中型常温液体火箭。参考成熟火箭有利于尽快实现入轨和降低研制风险，但采用70年代老式火箭的构型设计也带来了两个问题。首先，“朱雀二号”与“长征二号”相同的一子级4台发动机并联的动力组合无法满足火箭垂直回收7-9发并联的技术要求；其次，“朱雀二号”采用与“长征二号”相同的“游动发动机（游机）”的二子级姿控方案，带来了二子级动力系统复杂度高、结构重量大的缺点，“朱雀二号”遥一火箭发射失利恰恰是因为游机出现故障。     

       蓝箭目前已决定放弃游机方案，从“朱雀二号”遥四火箭开始改用“摆动喷管二级发动机加RCS姿控”（TQ15A+YQ10组合）的现代主流控制方案并立即起到减重400公斤的显著效果。“朱雀二号”遥二、遥三火箭仍然采用游机方案，遥二火箭已经复飞成功，但放弃游机方案而采用新的姿控方案的遥四火箭的发射又将等同于一次新火箭的首飞，如果遥四成功，“朱雀二号”的成熟将在遥五、遥六两发成功后实现。可见，要使“朱雀二号”成为一型叫好又叫座、具有一定商业竞争力的液体火箭还有很多工作要做。    

      “朱雀二号”的游机姿控方案已改，但其一子级四发的布局难以更改，蓝箭现役67吨海平面推力液氧甲烷发动机体积较大，在“朱雀二号”3.35米直径箭体内只能装下4台，除非出现重大技术创新，现有“朱雀二号”是难以实现垂直回收的。从技术逻辑分析，蓝箭基于现有发动机并满足垂直回收7-9发并联要求的动力组合只能在更大直径的箭体内实现，应该会在“朱雀二号”之后的3.8米或者4.2米直径的大型液体火箭上实施，也将走向大型化之路。关于可重复使用液体火箭，蓝箭的官方表态是“已经启动了可重复使用火箭的项目，期望于2025年取得大的进展”。   

      中科宇航在中型固体火箭“力箭一号”后规划了“力箭二号”中小型不可复用液体火箭和“力箭三号”大型可重复使用液体火箭。中科宇航近期表示将跳过“力箭二号”直接研制3.8米直径的“力箭三号”大型液体火箭，“力箭三号”500km SSO运力达7.8吨。但中科宇航在武汉商业航天论坛上又最新公布了一款相对保守的基于3.35米箭体的捆绑式液氧煤油火箭的新方案，700km SSO运力为5吨，计划2025年首飞。中科宇航团队出身于固体火箭领域，此次调整可能是根据公司的液体火箭研发积累、配套资源以及风险控制所做的折衷方案，中科宇航的可重复使用液体火箭最终采用哪种方案仍有待观察。    

      星际荣耀已决定将研制多年的“双曲线二号”小型液氧甲烷火箭改为垂直回收试验箭,正式产品直接研制“双曲线三号”大型液氧甲烷火箭。“双曲线三号”在4.2米箭体内并联9台自研的百吨推力液氧甲烷发动机，500km SSO运力10.4吨（不回收）/6.2吨（复用），百吨推力液氧甲烷发动机已于2023年3月完成了半系统点火试验，整箭计划于2025年首飞。      东方空间的大型捆绑式固体火箭“引力一号”预计2023年年底首飞，“引力一号”之后的“引力二号”采用液体芯级+固体助推的两级半构型，芯一级采用7台自研的80吨级推力液氧煤油发动机，加上固推后合计起飞推力900吨，500km SSO运力10.9吨，液体芯级可回收，计划2025年首飞，更大型的CBC捆绑式火箭“引力三号”将于2030年首飞。     

      箭元科技是较晚入局的民营火箭公司，通过选用商业发动机公司的准成熟发动机来争取时间、快速构建自己的火箭产品，采用了新颖的“不锈钢箭体加海上溅落回收”的技术方案。箭元科技首款产品“元行者一号”在4.2米直径的不锈钢箭体内并联9台九州云箭公司提供的70吨推力液氧甲烷发动机，1100公里轨道的运载能力达6吨。目前已完成全尺寸不锈钢贮箱的爆破试验、火箭控制系统与发动机的联合摇摆热试车，预计2025年年底实施海上溅落回收首飞。      

      上述几款中国商业火箭公司提出的大型可重复使用液体火箭从技术指标看都属于世界级的大型火箭产品，多款火箭的指标已经可以与美国“猎鹰9号”火箭或欧洲在研的“阿丽亚娜6”火箭相媲美，中国大型商业液体火箭万马奔腾的繁荣前景令人振奋，但中国商业火箭企业总体上还处于早期初创阶段并且力量分散，我们对于大型可重复使用液体火箭的研制难度、技术跨度、市场风险和资金需求要有清醒的认知，要以务实的态度做好后续论证与研制工作。     

      星河动力的商业化、市场化思维比较坚定，这一点在小型固体火箭的研发及商业发射中已经有所体现。在“智神星一号”可重复使用液体火箭的总体设计中，团队以我国近期航天发射市场的需求为导向，在当前我国液体火箭部组件供应链能够成熟提供的3.35米直径贮箱箭体的约束下，规划和研制出了体积和推力适中、可以在3.35米直径箭体内并联安装7台的50吨可变推力液氧煤油发动机，七发并联的“智神星一号”两级半构型火箭的低轨运力达7吨，700公里SSO运力约4吨。“智神星一号”是目前中国民营火箭公司唯一基于成熟3.35米箭体并且起飞推力在300吨以上的中大型可重复使用液体火箭，也是国内首型跨越PPT阶段以实物形式公开展示的面向可重复使用设计的液体火箭。公司自研的全套液体动力系统已基本齐套，包括50吨可变推力液氧煤油发动机和液体辅助姿控动力系统，目前正在实施进一步的可靠性增长试验，回收算法方面突破了基于序列凸优化的垂直回收制导控制技术，按研制进度“智神星一号”将成为我国最早批次首飞的可重复使用液体火箭之一。     

       星河动力行事风格一贯稳健甚至保守，其正式公布的高运力火箭方案依然是基于稳妥的3.35米箭体火箭，待“智神星一号”技术状态稳定后，在“智神星一号”芯级上捆绑两个“智神星一号”一子级构成CBC构型的捆绑式火箭，低轨运力可达14吨，计划2026年首飞。星河动力没有正式公布更大箭体直径的液体火箭的研制计划，但在“海南商用发射场”介绍其发射工位适配性的文件中出现了星河动力3.8米箭体直径、“猎鹰9号”级别的大型液体火箭的图片和型号，显然这个型号的优先级并不高，在“智神星一号”火箭成熟后，星河动力更大规模的液体火箭的到来就是一件低技术风险、水到渠成的事。      

      目前也有几家中国民营火箭公司根据自身的技术专长和特定的用户需求聚焦于小型可重复使用液体火箭的研发。      

      深蓝航天成立于2016年11月，近年主要完成了单发小火箭百米级和公里级的垂直着陆试验以及15吨推力液氧煤油发动机的整机试车，对外宣布2024年年底实施可重复使用小型液体火箭的首飞。翎客航天是中国最早注册成立（2014年）、以航天爱好者为班底的民营火箭公司，在国内最早完成了单发小火箭的公里级垂直着陆试验，最近完成了5吨推力的小型电泵液氧甲烷发动机的整机点火试验，近期目标是研制200公斤SSO运力的小型可重复使用液体火箭。火箭派公司正在研制适用于生物载荷发射的星箭一体两级液体火箭，一子级和 二子级分别采用一台70吨推力和一台10吨推力的液氧甲烷发动机，SSO运力300公斤。      

      九州云箭和宇航推进是各自成立于2017和2018年，专门从事液氧甲烷发动机研制的民营公司，两家公司的10吨级和70吨级液氧甲烷发动机均完成了整机试车，目前处于发动机可靠性增长测试阶段，九州云箭公司的研发和市场推广的进度更快一些，已经与箭元公司和火箭派公司达成发动机配套协议。

3.3 蓬勃发展的商业液体火箭配套产业链     

      液体运载火箭是一件庞大复杂的系统工程产品，一发火箭由十几万个零部件组成，可以说是复杂程度最高的现代工业产品之一。液体火箭的几大子系统包括液体火箭发动机、推进剂贮箱、飞行控制系统、测控系统和载荷等，上述每个子系统又都是复杂的专业技术产品，不可能由一家商业火箭公司包揽完成。一个几百人、上千人的民营火箭公司之所以能最终研制出高精尖的火箭产品，是因为它们身后有一个庞大产业链的支撑。这些民营火箭公司的角色相当于航天科技集团、航天科工集团的各大总体设计部，民营火箭公司负责火箭的总体设计和最后火箭的总装总测及发射，即抓两头放中间，中间的分系统设备及火箭主体的制造都由供应链提供。在中国商业火箭公司成立的早期，供应链大都来自国有航天的原有供应链，但国有航天供应链企业承担着繁重的国家航天任务，有时难以在工期、价格、定制化生产等方面满足商业火箭企业的需求，在产品试制初期提供少量样品尚可，一旦民企火箭产品进入批量生产原有航天供应链可能难以满足产能需求。商业火箭总体对分系统具有强烈的带动作用，近年出现了一批独立于国有航天供应链的民营火箭分系统供应商，产品涉及火箭整流罩、推进剂贮箱、液体火箭发动机、金属3D打印部件、碳纤维复合材料部件、测控及通讯系统、飞控及惯导设备等，如及时雨般补足了中国商业火箭供应链系统，也为国有航天供应链提供了产能补充与备份。      

      如果我们观察一枚液体火箭的结构组成，会发现“液体推进剂贮箱”构成了液体火箭箭体结构的主体，火箭推进剂贮箱占全箭体积80%左右、重量60%以上，成本占全箭的大约30%。贮箱除了作为液体容器实现推进剂的贮存、增压输送等功能，也是箭体的主要承力结构。液体火箭贮箱是商业液体火箭中最关键、最大型的上游供应链产品，也是工艺过程复杂，技术和工程门槛高，技术和人才稀缺的一个领域，中国长征系列液体火箭的贮箱仅有航天科技集团一院和八院下属的两个工厂可以制造，目前我国可以成熟制造并经过实际飞行验证的火箭芯级贮箱只有3.35米直径和5米直径两种规格。

      北京九天行歌航天科技有限公司正是一家致力于液体火箭贮箱制造的民营企业，由航天制造领域的资深专家和工艺大师创建，成立于2019年，在元航资本数千万天使轮投资的孵化培育下得到快速发展。近年得到烟台海阳市的大力支持，九天行歌在“海阳东方航天港”建设了规模宏大的液体火箭贮箱制造基地，占地230余亩，总投资8亿元 ，项目已进入2023年山东省重大项目名单。      

      2023年3月九天行歌海阳火箭贮箱项目一期工程投产，标志着九天行歌第一阶段核心业务跨入了正式的生产阶段，九天行歌已形成了火箭结构及贮箱设计、工艺和制造的完整交付能力。总装车间采用多项先进制造和信息化技术，包括大型立式搅拌摩擦焊、相控阵无损检测、柔性高效贮箱测试技术等；复合材料事业部主要完成公司火箭结构低温绝热材料的研制和低成本生产和应用。公司的研保能力建设覆盖典型2.25米、3.35米、3.8米、4.2米直径火箭至5米、10米级直径大型运载火箭研制，不仅可以服务商业火箭的研制，也具备服务国家载人登月、登火重型火箭研制的条件。      

      九天行歌正在布局研发复合材料贮箱及箭体技术、高温碳碳材料技术、大直径火箭制造技术等新一代火箭制造技术，将公司打造成为航空航天高端装备制造的前沿技术和产业基地。

 图4. 九天行歌火箭贮箱立式焊接及测试车间

      航天的技术链条绵长，在火箭发射阶段和卫星在轨运行阶段，航天测控扮演着不可或缺的关键作用。在商业航天出现之前，我国只有西安卫星测控中心拥有火箭和卫星的测控职能，但是西安卫星测控中心隶属于军队序列，他们承担着繁重的国家航天测控任务，同时部队单位也存在着服务商业活动的政策和机制限制，因此商业航天初起之际，与火箭、卫星配套的商业测控一度处于空白状态，市场对低成本商业化航天测控产生了强烈需求，在这一需求的牵引下，2016年之后陆续诞生了多家以北京航天驭星科技有限公司为代表的民营航天测控公司。

      航天驭星自2016年成立以来，专注于火箭发射测控及商业卫星在轨运管，并不断补全其全球化在轨服务网络，目前驭星已经建成了我国最大的商业航天测控网，在国内的北京、哈尔冰、武汉、郑州、喀什、中卫、厦门、三亚等地建设了覆盖全境的15个测控站点，在国外的中亚、东南亚、欧洲、非洲、南美、南太平洋建设了7个测控站点。目前已经能够提供包括火箭及卫星测运控、遥感卫星定标、航天器碰撞预警等在内的覆盖航天器全生命周期的全域服务。

图5.  航天驭星新疆精河测控站外景

      随着商业航天全产业链的不断成熟，航天驭星的业务体量也迎来了爆发式增长，市场占有率连续多年在国内处于领先地位，收入稳定增长，IPO资本化预期愈发明确。目前，航天驭星已经有偿服务了近280多发、多颗火箭及卫星，主要客户包含传统国有航天单位、头部商业航天公司及高校及研究机构等。航天驭星提供的在轨运管服务案例中，不乏涉及一箭多星早期轨道段服务、遥感卫星编队飞行、轨道控制、碰撞预警规避等复杂任务。2022年，航天驭星的测控数传服务数量达到了近6万轨次，相较2021年的2万多轨次有了显著提升。

      航天驭星正在持续加强全球化地面站网建设与布局，加大针对航天器在轨运管关键技术及地面系统关键装备方面研发的资金投入，在星座智能化运管、空间态势感知及碰撞预警、星地一体化通信装备、卫星数据通信安全等领域持续发力。在中国商业航天进入液体火箭时代后，在万颗低轨宽带卫星互联网星座即将开始建设之际，航天驭星等民营测控企业在服务前所未有的可重复使用液体火箭高密度发射及多个大型、巨型星座运管的场景下，必将发挥出越来越关键的作用，业务获得更大规模的成长。

4.结语

      中国的民营商业火箭事业已经走过了波澜壮阔、极不平凡的8年，中国民营商业火箭8年的发展历程，已经深度融入了国家建设科技强国、航天天国，实施创新驱动战略，实现高水平科技自立自强的澎湃发展潮流。8年来，行业里既有成功的喜悦，也有失败的落寞，但无论成功还是失败都促使了全行业创业者们走向成熟，脱去早期的浮躁，把思想和行动真正回归到追求商业运载火箭的商业本质上来，最终面向市场需求研制出具有强大市场竞争力的商业火箭产品。      

      目前中国商业火箭的投融资领域已经出现了事实上的“头部效应”，资金和人才加紧向几个已经成功入轨的头部企业聚集，但商业火箭是一个长周期赛道，当前中国商业火箭企业除了在轻小型固体火箭领域已经实现了批量化商业发射，在液体火箭方面只是刚刚实现了两次标志性的火箭首飞，距离实现液体火箭的商业化、规模化发射还有一个相当长的产品迭代和演进的过程。正如古语所说“早成者未必有成，晚达者未必不达”，中国商业火箭的发展总体上还处于早期阶段，未来的竞争格局还可能会发生重大变化。依据现在的发展态势，中国民营商业火箭企业一定能支撑起中国商业航天的一片天，与国有航天形成良好的协同与补充，并成为国家可以信赖的一只备份航天力量。