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對中國商業(yè)航天發(fā)展趨勢及投資機(jī)會的思考 ——發(fā)動機(jī)篇

時(shí)間:2020-03-20

截止2020年3月,Space X已經(jīng)累計(jì)發(fā)射了6批次合計(jì)360顆Starlink寬帶物聯(lián)網(wǎng)星座衛(wèi)星,這預(yù)示著太空空間資源的爭奪已經(jīng)變得越來越激烈。作為支持航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),發(fā)射一直都被認(rèn)為是制約行業(yè)快速發(fā)展的瓶頸。而火箭發(fā)射中最重要的組成部分正是動力源泉——發(fā)動機(jī)。因此本篇作為我們商業(yè)航天系列文章中的一部分,將重點(diǎn)分享一些我們對于火箭發(fā)動機(jī)細(xì)分行業(yè)的一些思考。基于此,本篇文章我們將重點(diǎn)討論以下幾個(gè)核心問題:

  • 為什么要關(guān)注火箭發(fā)動機(jī)?

  • 火箭發(fā)動機(jī)的分類,未來技術(shù)發(fā)展趨勢是什么?

  • 如何看待液氧煤油和液氧甲烷技術(shù)路線選擇?

  • 火箭企業(yè)自研發(fā)動機(jī)和獨(dú)立發(fā)動機(jī)公司間的關(guān)系?

  • 從哪些維度來衡量火箭發(fā)動機(jī)公司優(yōu)勢?


為什么要關(guān)注火箭發(fā)動機(jī)?

除了作為核心的產(chǎn)業(yè)鏈戰(zhàn)略環(huán)節(jié)外,從投資角度來看,發(fā)動機(jī)細(xì)分賽道還在以下幾個(gè)方面具備獨(dú)特的價(jià)值:1)發(fā)動機(jī)成本占目前火箭整體成本最大,動力部分低成本化是整個(gè)行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)根據(jù)美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟(ULA)的統(tǒng)計(jì),火箭的動力部分占總體成本在40%-60%的比例,是整體成本占比最高的部分。尤其是一級發(fā)動機(jī),占成本比例超過50%。因此有效地降低動力成本是未來商業(yè)航天發(fā)展的重要基礎(chǔ),也是目前限制行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。以Space X為代表的航天企業(yè)帶動美國商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,目前已實(shí)現(xiàn)高可靠、可回收發(fā)射服務(wù),正是在動力方面實(shí)現(xiàn)了顯著的成本降低。


注:United Launch Alliance (ULA,美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟)


2)發(fā)動機(jī)技術(shù)壁壘比較高,一旦突破有機(jī)會獲取更高超額收益火箭發(fā)動機(jī),尤其是液體大推力發(fā)動機(jī)具有很高的技術(shù)壁壘,中國體制內(nèi)一款液體發(fā)動機(jī)研發(fā)時(shí)間至少需要8-10年時(shí)間,Space X一款發(fā)動機(jī)研發(fā)也需要至少5年時(shí)間,因此完成一款液體發(fā)動機(jī)研發(fā)將建立很高的競爭壁壘,一旦技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破,有機(jī)會獲取更高超額收益。3)火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)具備應(yīng)用外溢性,在很多其他領(lǐng)域有更豐富應(yīng)用潛力無論小型固體火箭發(fā)動機(jī)還是中大型液體火箭發(fā)動機(jī),發(fā)動機(jī)技術(shù)都具有很大的技術(shù)外溢性,通過一定改進(jìn)可以將技術(shù)外延到民用等其他領(lǐng)域。固體發(fā)動機(jī)技術(shù)和軍用裝備中導(dǎo)彈技術(shù)具有很大共通性,經(jīng)過改進(jìn)可以用于導(dǎo)彈的動力源。而液體發(fā)動機(jī)中一些關(guān)鍵閥門、特種泵、燃燒裝置等則和民用相關(guān)技術(shù)也有非常大的轉(zhuǎn)化效應(yīng)。尤其目前一些關(guān)鍵低溫泵技術(shù),在運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)低溫LNG、LPG等液化石油氣上具備非常大應(yīng)用空間。參考行業(yè)數(shù)據(jù),一般發(fā)動機(jī)與衍生民品營收比例為1:2,因此在民用領(lǐng)域,通過對火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)改進(jìn),有機(jī)會拓展更大應(yīng)用市場。 


火箭發(fā)動機(jī)的分類,未來技術(shù)發(fā)展趨勢是什么?

如果按照用途來講,火箭發(fā)動機(jī)有很多種,本部分我們重點(diǎn)討論大推力火箭發(fā)動機(jī),主要用于火箭發(fā)射一級動力,它也是技術(shù)壁壘最高,亟需實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破的領(lǐng)域。1)固體燃料發(fā)動機(jī)技術(shù)壁壘較低,火箭運(yùn)載能力較弱,未來中大型火箭仍以液體燃料發(fā)動機(jī)為主按照燃料推進(jìn)劑不同,可以分為固體發(fā)動機(jī)和液體發(fā)動機(jī)。總體而言,固體燃料發(fā)動機(jī)技術(shù)壁壘較低,對應(yīng)固體火箭相對運(yùn)載能力較弱,可以長期儲存,快速響應(yīng),發(fā)射地點(diǎn)靈活,在軍用領(lǐng)域、自然災(zāi)害等緊急情況下使用意義重大,特別適用于在軍事沖突滿足軍事現(xiàn)代化對快速響應(yīng)和小衛(wèi)星發(fā)射的要求。而液體發(fā)動機(jī)技術(shù)難度更大,運(yùn)載能力更強(qiáng),發(fā)射前期準(zhǔn)備時(shí)間較長,主要應(yīng)用于衛(wèi)星組網(wǎng)、空間站建設(shè)、深空探索等領(lǐng)域。


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目前中國以及國際主流火箭基本上都以液體火箭為主,液體火箭通過發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷改進(jìn)可以持續(xù)提升火箭的運(yùn)載能力,并且有效降低單位重量發(fā)射成本。


2)液體發(fā)動機(jī)初期以擠壓式技術(shù)為主,但技術(shù)路線限制發(fā)動機(jī)性能提升擠壓式燃燒通過高壓氣瓶持續(xù)對燃料和氧化劑進(jìn)行擠壓,在燃燒室匯合后燃燒來獲得推進(jìn)動力。但是由于需要額外高壓氣瓶存在,因此在體積上占據(jù)很大空間,造成整體火箭空間利用率降低,另外發(fā)動機(jī)動力依賴于單位時(shí)間內(nèi)可向燃燒室推入的燃料和氧化劑的量,量越大,燃燒越充分,推力越大,而高壓氣瓶所產(chǎn)生的壓力是有上限的,并且持續(xù)時(shí)間有限,因此理論上很難持續(xù)提升推動力。


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隨著技術(shù)的進(jìn)步,經(jīng)過改進(jìn),通過泵壓的形式則可對燃料和氧化劑進(jìn)行持續(xù)加壓推進(jìn),因此發(fā)動機(jī)技術(shù)向泵壓方向轉(zhuǎn)變。而泵壓式液體發(fā)動機(jī)又可以進(jìn)一步分為燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)、高壓補(bǔ)燃循環(huán)、全流量分級燃燒循環(huán)三大類。 3)燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán),目前民營商業(yè)航天主流技術(shù)路線通過增加泵來增加燃料和氧化劑進(jìn)入燃燒室的速率,驅(qū)動泵轉(zhuǎn)動則來源于與其相連的渦輪機(jī),而驅(qū)動渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動的能源則來自于火箭的小部分燃料。所有燃料和氧化劑在進(jìn)入燃燒室之前有小部分先進(jìn)入預(yù)燃室,在預(yù)燃室燃燒后驅(qū)動渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動帶動燃料泵和氧泵轉(zhuǎn)動,進(jìn)而將燃料和氧化劑泵入燃燒室燃燒。這種液體發(fā)動機(jī)的驅(qū)動方式被稱為燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)。




從上圖我們可以看到,由于燃料充分燃燒會產(chǎn)生3000度以上的高溫,而渦輪機(jī)很難耐受如此高的溫度,因此通過調(diào)節(jié)進(jìn)入預(yù)燃室的氧化劑或者燃料比例可實(shí)現(xiàn)不充分燃燒,多余出來廢氣則通過廢氣噴管排出。燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的不足主要是燃料的利用率有損耗,尤其是不充分燃燒的廢氣直接排除損失了一部分能量,而為了加壓增加渦輪泵的轉(zhuǎn)速需要更多的燃料進(jìn)入預(yù)燃室,這樣則造成更大的燃料浪費(fèi),實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)速到了某一個(gè)臨界值,燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的性能反而下降。因此在此基礎(chǔ)上,通過技術(shù)改進(jìn)則出現(xiàn)了新型循環(huán)方式——高壓補(bǔ)燃循環(huán)。 4)高壓補(bǔ)燃循環(huán),目前體制內(nèi)主流技術(shù)路線高壓補(bǔ)燃循環(huán)核心是將多余的廢氣重新注入燃燒室進(jìn)行燃燒,實(shí)現(xiàn)燃料充分利用。高壓補(bǔ)燃可以帶來燃燒室室壓大大提升,明顯提升發(fā)動機(jī)推進(jìn)效率。以煤油為例,高壓補(bǔ)燃循環(huán)相比燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)可以將燃燒室室壓提升一倍以上,效果明顯。


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從上圖可以看到,改進(jìn)后的高壓補(bǔ)燃循環(huán)方式?jīng)]有簡單的將燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)中廢氣噴管導(dǎo)入燃燒室,而是對進(jìn)入預(yù)燃室前的燃料或者氧化劑進(jìn)行全部分流,全部進(jìn)入預(yù)燃室,然后再導(dǎo)入燃燒室。以燃料全部進(jìn)預(yù)燃室為例,這樣設(shè)計(jì)下燃料流量非常大,只需要非常少的氧化劑就可以催化燃燒帶動渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動,并且溫度不用很高,效率更好。通過調(diào)節(jié)燃料或者氧化劑進(jìn)入燃燒室的不同,又可以將高壓補(bǔ)燃劃分為富燃燃燒和富氧燃燒兩種。兩種分別有各自的優(yōu)劣勢:


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5)全流量分級燃燒循環(huán),技術(shù)難度最大技術(shù)路線,目前還出現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)發(fā)射的發(fā)動機(jī) 

高壓補(bǔ)燃循環(huán)還不是最高效率的循環(huán)方式,目前世界最領(lǐng)先的技術(shù)則是全流量分級燃燒,可實(shí)現(xiàn)最高的燃燒效率。目前Space X最新的猛禽發(fā)動機(jī)即采用這一循環(huán)方式。


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全流量分級燃燒循環(huán)方式下,氧化劑和燃料分別由各自的動力渦輪機(jī)供壓,有兩個(gè)預(yù)燃室:
  • 富燃預(yù)燃室——驅(qū)動燃料泵
將大部分流量的燃料和小部分流量的氧化劑送到富燃預(yù)燃室進(jìn)行燃燒,產(chǎn)生的富燃燃?xì)庥脕眚?qū)動高壓燃料泵的渦輪,燃料泵泵送燃料到主燃燒室。
  • 富氧預(yù)燃室——驅(qū)動氧化劑泵
將剩余大部分流量的氧化劑和小部分流量的燃料送到富氧預(yù)燃室進(jìn)行燃燒,產(chǎn)生富氧燃?xì)庥脕眚?qū)動氧化劑渦輪,氧化劑泵泵送氧化劑到主燃燒室。全流量分級燃燒循環(huán)目前理論上是效率最高的循環(huán)方式,但是技術(shù)難度也是最大的。美國洛克達(dá)因公司在1986年啟動了對全流量分級燃燒循環(huán)的研究,迄今還未完成一款成熟發(fā)動機(jī)的研發(fā),而Space X最新大推力的猛禽發(fā)動機(jī)也是采用這一技術(shù)路線,目前猛禽發(fā)動機(jī)已經(jīng)完成了地面全系統(tǒng)點(diǎn)火試車,未來將用于Space X星際飛船的主動力源,實(shí)現(xiàn)載人繞月飛行、前往火星等太空探索。

綜上所述,從技術(shù)發(fā)展趨勢上看,未來大推力中大型火箭將主要采用液體發(fā)動機(jī)作為主動力,而液體發(fā)動機(jī)中不同循環(huán)方式帶來的燃料燃燒效率和發(fā)動機(jī)推力則存在顯著差異,目前商業(yè)火箭發(fā)動機(jī)能實(shí)現(xiàn)燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方式下的發(fā)動機(jī)研發(fā),例如Space X梅林發(fā)動機(jī)主要采用液氧煤油推進(jìn)劑進(jìn)行燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)。而國家隊(duì)則大部分已近實(shí)現(xiàn)更高技術(shù)壁壘的高壓補(bǔ)燃循環(huán),例如中國的YF100液氧煤油發(fā)動機(jī)、俄羅斯RD-180液氧煤油發(fā)動機(jī)、日本LE-9液氫液氧發(fā)動機(jī)、美國RS-25液氫液氧發(fā)動機(jī)等。而作為最高技術(shù)難度的全流量分級燃燒循環(huán)方式,還沒有一款完全成熟發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)過火箭發(fā)射,目前Space X猛禽發(fā)動機(jī)已完成全系統(tǒng)點(diǎn)火試車,預(yù)計(jì)2020年將裝配在星際飛船原型上進(jìn)行首次試驗(yàn)發(fā)射。 


如何看待液氧煤油和液氧甲烷技術(shù)路線選擇?

縱觀全球,航天發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑選擇過程中大多集中在液氧煤油和液氫液氧兩種推進(jìn)劑,液氧煤油以俄羅斯(前蘇聯(lián))、中國為主要實(shí)踐國家,液氫液氧以美國、日本、歐洲(歐空局)為主要實(shí)踐國家或地區(qū)。而液氧甲烷在過去幾十年間很少被人們所關(guān)注,直到Space X宣布,其未來用于載人登月和火星探索所使用新型猛禽發(fā)動機(jī)將采用甲烷作為燃料推進(jìn)劑,至此液氧甲烷路線再次被人們所熟知。不考慮液氫液氧的高成本、高技術(shù)壁壘外,我們重點(diǎn)對比一下液氧甲烷和液氧煤油兩種推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)的優(yōu)劣勢,由此看未來的技術(shù)路線趨勢如何。


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注:比沖可以簡單理解為火箭發(fā)動機(jī)1kg燃料產(chǎn)生1Kg推力能燒幾秒,這一數(shù)值越高越好。


如果列舉兩者的差異和優(yōu)劣勢,有非常多的維度可進(jìn)行對比,上表簡要列舉部分指標(biāo)的對比情況。綜合而言,甲烷和煤油各有優(yōu)劣,性能參數(shù)方面差別不大,對中國商業(yè)航天而言,我們可以從兩個(gè)角度來看待對兩者的選擇——1)短期發(fā)展上,兩者任何一個(gè)有突破都將具備非常大價(jià)值,對商業(yè)航天發(fā)展至關(guān)重要中國商業(yè)航天發(fā)展還處于比較早期階段,我們和美國商業(yè)航天之間還存在很大差距,尤其是在低成本可重復(fù)使用運(yùn)載火箭層面,因此短期看,無論是甲烷還是煤油,只要技術(shù)有所突破,那么對于我們實(shí)現(xiàn)可回收的低成本運(yùn)載火箭都將具備很大價(jià)值。在技術(shù)方面,煤油的技術(shù)成熟度確實(shí)比甲烷要更完善,很多參數(shù)、指標(biāo)、性能都有更豐富的數(shù)據(jù)參考,并且體制內(nèi)的技術(shù)外溢性更好。但另一層面來看,如果采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán),且初期不追求過大推力(超過100噸以上),甲烷的技術(shù)難度實(shí)際要比我們想象簡單,Space X和藍(lán)色起源的兩款甲烷發(fā)動機(jī)一直沒有完全成熟也是因?yàn)椴捎昧思夹g(shù)難度更大的全流量分級燃燒循環(huán)和高壓補(bǔ)燃循環(huán)路線,而且推力上更大,分別達(dá)到300噸和250噸。事實(shí)上國內(nèi)民營企業(yè)研制的甲烷發(fā)動機(jī)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展,技術(shù)突破在即。在成本方面,兩者都具備可重復(fù)使用度,可有效降低火箭成本,但是由于煤油燃燒的結(jié)焦和積碳問題,實(shí)際可重復(fù)使用次數(shù)上比甲烷還是要低。因此如果兩者在相同運(yùn)載能力下實(shí)現(xiàn)可回收發(fā)射,甲烷的成本要比煤油更有優(yōu)勢。2)長期發(fā)展上,甲烷的優(yōu)勢更明顯,煤油面臨更大挑戰(zhàn)如果參考美國商業(yè)航天發(fā)展,Space X作為絕對的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者,它在未來商業(yè)航天上有更加遠(yuǎn)大目標(biāo),如深空探索、載人登月、火星移民等。若往返于地火之間,由于火星95%以上是CO2,通過CO2的裂解可以用來制備甲烷,但是卻很難制備煤油,如果火箭在發(fā)射前還要裝備需要返回所需燃料顯然效率要低很多。因此甲烷對于航天產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展來講更具優(yōu)勢,當(dāng)然目前這些也都是理論可能,我們只能抱有盡量樂觀的態(tài)度去嘗試和探索。 綜合看,如果將長短期結(jié)合考慮,甲烷路線將更加具有繼承性,我們短期的技術(shù)投入有助于為未來長期更大推力、更高難度液氧甲烷發(fā)動機(jī)的研發(fā)提供有效支持。從Space X選擇看,也一定程度上說明甲烷路線可能更加有效,否則它完全可以延續(xù)之前梅林煤油發(fā)動機(jī)路線繼續(xù)從燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)向全流量分級燃燒循環(huán)轉(zhuǎn)變。如果我們再上升到中國和美國商業(yè)航天競爭角度,中國在可回收火箭上實(shí)現(xiàn)甲烷發(fā)動機(jī)的突破,未來火箭發(fā)射成本可能比現(xiàn)在Space X獵鷹系列(使用梅林 1D液氧煤油發(fā)動機(jī))更低,如果延續(xù)煤油路線可能只能一直處于追趕階段。因此,我們認(rèn)為堅(jiān)持國產(chǎn)液氧甲烷發(fā)動機(jī)的研發(fā)對中國商業(yè)航天發(fā)展至關(guān)重要,希望在不遠(yuǎn)將來盡快看到中國企業(yè)在甲烷發(fā)動機(jī)研發(fā)上的突破。


火箭企業(yè)自研發(fā)動機(jī)和獨(dú)立發(fā)動機(jī)公司間的關(guān)系?

從投資角度看,這一直是大家關(guān)注的核心問題之一。大家關(guān)心是否會有單獨(dú)的火箭發(fā)動機(jī)公司存在,還是未來所有火箭公司會自產(chǎn)發(fā)動機(jī)。要分析這個(gè)問題,可以從幾個(gè)方面來看,參考現(xiàn)有火箭產(chǎn)業(yè)鏈情況、其他行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分工以及整體商業(yè)邏輯。1)火箭現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈中,發(fā)動機(jī)可作為獨(dú)立產(chǎn)品對外銷售
  • 俄羅斯RD-180液氧煤油發(fā)動機(jī)至今仍在向美國出售,作為美國宇宙神5號(Atlas-5)和安塔瑞斯號(Antares)火箭一級動力源

1997年,俄羅斯和美國簽署了一項(xiàng)價(jià)值約10億美元的合同,俄羅斯向美國供應(yīng)101臺RD-180發(fā)動機(jī),而到2018年底俄動力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體為美國運(yùn)載火箭累計(jì)提供了130臺RD-180。RD-180具備非常優(yōu)異的性能,單臺推力達(dá)到380噸,被用于宇宙神5號火箭第一級以及安塔瑞斯號火箭第一級,分別完成了85次和8次飛行。根據(jù)目前安排,美國可能需要持續(xù)采購該發(fā)動機(jī)到2028年前后。
  • 美國專業(yè)火箭發(fā)動機(jī)公司洛克達(dá)因?yàn)镹ASA提供火箭發(fā)動機(jī)

洛克達(dá)因作為專業(yè)的液體火箭發(fā)動機(jī)研發(fā)制造商,為美國絕大部分火箭提供發(fā)動機(jī)產(chǎn)品,同時(shí)其還專門為NASA提供用于土星一號火箭、土星五號、航天飛機(jī)、三角洲系列等火箭的大部分發(fā)動機(jī)。
  • 中國航天動力部分有獨(dú)立的航天四院和六院負(fù)責(zé)

從中國航天體系中各院所的分工可以看出整個(gè)航天體系內(nèi)核心組成包括哪些,航天科技集團(tuán)作為中國航天產(chǎn)業(yè)最核心的承制主體,旗下包括八大研究院,其中負(fù)責(zé)動力部分分別為航天四院和六院負(fù)責(zé),承擔(dān)固體發(fā)動機(jī)和液體發(fā)動機(jī)的研發(fā)和制造。這也說明火箭動力部分可以單獨(dú)作為核心部件進(jìn)行獨(dú)立研發(fā),獨(dú)立對外提供產(chǎn)品。2)從航空產(chǎn)業(yè)看,航空發(fā)動機(jī)公司作為核心零部件公司可以獨(dú)立存在下圖是商用噴氣飛機(jī)發(fā)動機(jī)公司市場份額情況,CFM國際、GE航空以及羅羅等都是空客和波音的發(fā)動機(jī)供應(yīng)商,普惠、羅羅則是主要軍用飛機(jī)的重要發(fā)動機(jī)供應(yīng)商。

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因此,和航天產(chǎn)業(yè)類似的航空產(chǎn)業(yè)鏈中,獨(dú)立的發(fā)動機(jī)公司是獨(dú)立存在的,單獨(dú)對外提供產(chǎn)品,背后核心原因在于高技術(shù)、資源、人員投入的壓力,促進(jìn)了更高效率的產(chǎn)業(yè)鏈分工效應(yīng)。

3)商業(yè)層面看,獨(dú)立火箭發(fā)動機(jī)公司可以實(shí)現(xiàn)更低成本、更高效率;中國商業(yè)航天快速發(fā)展,產(chǎn)業(yè)鏈有效分工和協(xié)同至關(guān)重要

獨(dú)立火箭公司對外提供產(chǎn)品,和下游客戶是一對多的關(guān)系,因此更容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化,成本上可以做到更低。而從產(chǎn)業(yè)鏈分工角度講,中國在商業(yè)航天尚處于緊急追趕階段的時(shí)候,充分發(fā)揮產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的分工優(yōu)勢,各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)突破有助于行業(yè)更快速發(fā)展。歷史數(shù)據(jù)表明一款大推力的穩(wěn)定可靠液體發(fā)動機(jī)研發(fā)投入資金都要達(dá)到上億甚至數(shù)億元,體內(nèi)一款液體發(fā)動機(jī)研發(fā)時(shí)間至少需要8-10年時(shí)間,Space X一款發(fā)動機(jī)研發(fā)也需要5年時(shí)間,因此完全依賴火箭公司自研發(fā)動機(jī)在資源、人力分配上可能面臨非常大的挑戰(zhàn),而通過有效產(chǎn)業(yè)鏈分工有助于加速中國商業(yè)航天的快速發(fā)展。

事實(shí)上,Space X之所以要自研發(fā)動機(jī),核心原因還是當(dāng)時(shí)對外無法采購到低成本、高可靠、可回收的發(fā)動機(jī)產(chǎn)品,迫不得已才投入大量精力自研。而中國的火箭整體和發(fā)動機(jī)企業(yè)完全可以考慮進(jìn)行有效的分工配合,實(shí)現(xiàn)快速追趕的目標(biāo)。

 

從哪些維度來衡量火箭發(fā)動機(jī)公司優(yōu)勢?

下表列舉了目前世界各國及地區(qū)主要發(fā)動機(jī)基本情況,從表中可以看到,從推力水平上中國發(fā)動機(jī)和國際領(lǐng)先水平還有很大差距,目前立項(xiàng)在研500噸液氧煤油和220噸氫氧發(fā)動機(jī)將達(dá)到世界先進(jìn)水平,也將為中國登月和空間站建設(shè)提供支持。


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除上表(更正:藍(lán)箭航天“靈鵲”更正為“天鵲”)中簡單的推力能力對比,從投資角度,我們衡量發(fā)動機(jī)公司的標(biāo)準(zhǔn)可包含以下幾個(gè)方面:

1)技術(shù)參數(shù)方面,推力越大、比沖越高、推重比越高證明發(fā)動機(jī)性能越優(yōu)越,深度變推能力范圍越大更利于可回收技術(shù)應(yīng)用推力越大意味著火箭動力越強(qiáng),目前眾多火箭都可能采用兩臺以上進(jìn)行多級并聯(lián)的形式來提升火箭的整體推力。比沖越高意味著火箭推力所能持續(xù)的時(shí)間越長,這樣有助于將火箭推離更遠(yuǎn)的距離。推重比是火箭整體推動力和火箭重量的比值,數(shù)值越高同樣意味著火箭性能越優(yōu)越,加速效果越好,這一指標(biāo)除了和發(fā)動機(jī)推力密切相關(guān)外,火箭整體設(shè)計(jì)同樣重要。深度變推力能力范圍越大,尤其是向下變推能力越大意味著火箭返回過程中可以更好的進(jìn)行變推力調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)火箭穩(wěn)定降落。向上變推力大則可以在多級并聯(lián)情況中,如果單臺發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障,通過調(diào)整其他發(fā)動機(jī)提升推力水平,彌補(bǔ)故障帶來的推力損耗,實(shí)現(xiàn)火箭到達(dá)既定軌道的目標(biāo)。2)研發(fā)階段上,各部組件完成到完整全系統(tǒng)試車將驗(yàn)證產(chǎn)品性能火箭發(fā)動機(jī)一般由幾大核心部件組成,每一部分可以獨(dú)立完成,然后組裝為整體發(fā)動機(jī)系統(tǒng)。以燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)為例,發(fā)動機(jī)重點(diǎn)的四大核心部件包括點(diǎn)火器、渦輪泵、推力室和燃?xì)獍l(fā)生器。


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      燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)示意圖                           Space X梅林 1D火箭發(fā)動機(jī)


在研發(fā)過程中燃?xì)獍l(fā)生器、點(diǎn)火器以及推力室需要經(jīng)過單一部件的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn),而渦輪泵研發(fā)完成后則需要同其他部件組裝后進(jìn)行系統(tǒng)試車。一般實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)試車意味著一款發(fā)動機(jī)的研發(fā)基本完成,后續(xù)則需要進(jìn)行多次、長時(shí)間的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)來保證發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性。火箭發(fā)動機(jī)一般在地面按照參數(shù)進(jìn)行充分的點(diǎn)火試車,則大概率可認(rèn)為產(chǎn)品達(dá)到研發(fā)目標(biāo)、發(fā)動機(jī)性能穩(wěn)定、產(chǎn)品成熟,而不一定非要通過發(fā)射來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。真正的發(fā)射實(shí)驗(yàn)更多的是驗(yàn)證發(fā)動機(jī)和火箭整體之間的配合度、融合度。

3)研發(fā)效率上體現(xiàn)技術(shù)積累及未來成本水平一款發(fā)動機(jī)的研發(fā)效率可以從資金投入和時(shí)間投入兩個(gè)維度來看,在盡量少的資金投入情況下利用更短的時(shí)間完成產(chǎn)品的研發(fā)意味著研發(fā)效率更高。如果研發(fā)過程中出現(xiàn)多次反復(fù)、設(shè)計(jì)修改則會耽誤資金、人力和時(shí)間,這樣將影響未來產(chǎn)品的成本。研發(fā)效率越高意味著團(tuán)隊(duì)對于技術(shù)積累和理解越全面和深入,也可以越快的從產(chǎn)品研發(fā)轉(zhuǎn)向商業(yè)拓展。前期的研發(fā)資金、人力投入越少意味著未來產(chǎn)品的成本水平越低。總體來講,中國的商業(yè)航天大推力液體發(fā)動機(jī)研發(fā)在快速進(jìn)步,但我們也要看到,中國的技術(shù)都還處于研發(fā)早期階段,距離產(chǎn)品成熟并發(fā)射上天還有一定路要走。未來在發(fā)動機(jī)試車臺建設(shè)和共享(此部分也將是發(fā)動機(jī)研發(fā)中較大的投入)等方面還需要更多政策支持,希望看到更多體制內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施對民營商業(yè)航天企業(yè)開放。從投資角度上,需要更多的風(fēng)險(xiǎn)投資資金能夠進(jìn)入這一領(lǐng)域支持中國液體發(fā)動機(jī)的研發(fā)。需求方面除了民營之外,參考美國商業(yè)航天的發(fā)展,未來在政府采購上同樣存在巨大空間,目前中國60%的火箭發(fā)射任務(wù)還在采用YF20發(fā)動機(jī),此款發(fā)動機(jī)所用燃料和推進(jìn)劑由于存在劇毒而需要被淘汰,因此中國民營商業(yè)火箭發(fā)動機(jī)研發(fā)完成也將非常好的滿足體制內(nèi)發(fā)射需要。總而言之,從國家政策、投資以及技術(shù)研發(fā)等多方面,希望不遠(yuǎn)將來看到中國民營商業(yè)火箭發(fā)動機(jī)能夠騰起升空,盡早實(shí)現(xiàn)首次發(fā)射。

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