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陳藍:商業火箭頭部公司已然浮現,誰會成為中國的SpaceX?
最后更新: 2023-09-01 11:05:00火箭研制的內在規律:動力先行、厚積薄發
SpaceX取得現在的成就不是偶然的。尊重客觀規律、持之以恒地向動力系統研發傾斜是它的成功秘訣之一。
火箭作為一種高復雜性、高可靠性、高精密性的系統集成產品,其研制過程是復雜的系統工程。影響火箭研制周期的主要因素包括動力系統的研制、全箭的總裝和測試,以及配套基礎設施的建設等。如果涉及新技術和新工藝,則更需要長時間的驗證和反復優化。這是火箭研制的基本規律。火箭研制最困難的部分從來都不是理論設計,而是工程實現。所以,不管是什么類型的火箭,如果從發動機開始自主研制的話,周期都是很長的,因為發動機通常就是影響火箭研制周期的關鍵。
相比固體發動機,液體火箭發動機無論是結構還是工藝更為復雜。一款新型的液體發動機從開始立項到投產使用,期間需要反復經歷“設計-制造-總裝-試車-設計優化-制造-總裝-試車-設計優化……”的循環。設計的優化需要底層數據,底層數據只能通過地面試車或者飛行試驗來獲取,而設計優化的實現往往又需要新工藝的配合,新工藝的摸索又需要時間來驗證。
在單臺發動機的性能和穩定性通過充分驗證后,火箭企業還需要通過子級動力系統試車來驗證多臺發動機之間的協調性和一致性,以及增壓輸送系統的合理性和可靠性。由于火箭動力系統和結構等其他系統是深度耦合、相互影響的關系,在動力系統得到驗證后,還需要通過多種測試,進一步驗證動力系統和其他系統之間的匹配性,包括一系列的接口管理、震動管理和受力分析等,過程中則需要通過設計或工藝上的優化和調整,不斷對火箭進行調試,這也是一個相對漫長的過程,進一步拉長了火箭的研制周期。
從行業規律來看,一款液體火箭發動機從立項研制到達到成熟狀態,需要近10年的時間。以SpaceX的梅林發動機為例,發動機從開始研制到首次飛行驗證(用于獵鷹一)耗時6年,從開始研制到應用于成熟型號(獵鷹九)耗時10年。梅林發動機在首飛驗證后又用了近10年時間反復迭代更新,才達到目前的成熟穩定狀態。
下面是全球范圍內已進行過軌道發射(按首飛時間排列,含失敗)的商業火箭。可見動力系統研制方式對研制周期的重大影響。自研液體發動機到成熟普遍需要10年左右的時間。
· 獵鷹一號(SpaceX):煤油,發動機自研,研制周期約6年(2002-2008)
· 獵鷹九號(SpaceX):煤油,沿用獵鷹一號發動機,研制周期約5年(2005-2010)
· 電子號(Rocket Lab):煤油,發動機自研,研制周期約7年(2012-2018)
· 朱雀一號(藍箭航天):固體,發動機外采,研制周期約1年(2017-2018)
· 雙曲線一號(星際榮耀):固體,發動機外采,研制周期約2.5年(2017-2019)
· 谷神星一號(星河動力):固體,發動機部分外包,研制周期約2.5年(2018-2020)
· 力箭一號(中科宇航):固體,發動機外采,研制周期約3年(2019-2022)
· 朱雀二號(藍箭航天):甲烷,發動機自研,研制周期約8年(2016-2023)
· 人族一號(Relativity Space):甲烷,發動機自研,研制周期約8年(2015-2023)
· 天龍二號(天兵科技):煤油,發動機外采,研制周期約2年(2021-2023)
· 星艦-超重(SpaceX):甲烷,發動機自研,研制周期約11年(2012-2023)
正是因為液體火箭發動機研制周期漫長、投入巨大,基于一型發動機進行長時間的反復優化和驗證,不斷挖掘發動機的性能,同時提高可靠性,厚積薄發,也已成為航天發動機的基本研制規律。
在SpaceX率先實現火箭復用并做出了大幅降低發射費用的示范后,可回收火箭都成為了商業火箭公司的最終目標。國內頭部商業火箭公司也無一例外地選擇了液體火箭這條路線,但實現途徑略有不同,比如固液并進、以固養液(星河動力、星際榮耀、中科宇航),或專注液發、穩步推進(藍箭),又或借力加速、跨越發展(天兵科技)。但歸根結底,都要尊重液體火箭研制的內在規律。關鍵依然是火箭的核心配套系統(動力系統)。事實上,可復用動力系統需要更多的時間來達到所需的成熟度和可靠性。這也是SpaceX梅林和猛禽兩款發動機給予我們的寶貴經驗。
SpaceX 猛禽發動機點火測試
機遇和挑戰
中國商業航天經過近十年發展,正在漸入佳境,但面臨的挑戰也巨大。到目前為止,商業火箭還沒有進入主流的大中型商業衛星市場,還沒有一家商業火箭公司實現盈利并真正開始商業運營,市場占有率微不足道。國內商業火箭公司目前仍處于發展初期,商業航天整體市場和國內外大環境還有很大的不確定性,技術上也和SpaceX差距巨大。
我們要認識到這個差距,但也應該看到前面巨大的機遇。從歷史的角度看,商業航天可能是二十一世紀最大的風口。而航天越來越成為中美兩國的游戲,我們已經在商業航天領域做到了第二。此外,中國經濟依然長期看好、商業航天市場正在成型、中國政府產業政策(包括商業航天)具有延續性和長期執行能力、中國民營企業蘊含巨大潛能,我們沒有理由不樂觀。
未來,中國商業航天頭部公司中必定也會出現像SpaceX那樣的巨頭。誰會成為中國的SpaceX?那就要看企業領導人的遠見、毅力和定力。只要遵循火箭產品的底層邏輯和火箭研制的內在規律,堅持不懈,就一定會取得成功。
這個歷史性的機遇不僅是留給創業者和企業的,也是留給資本和投資者的。未來十年,依然會是中國商業航天發展的黃金期。對資本來說也一樣,只要充分理解火箭研制的底層邏輯和內在規律,就能洞察到企業的本質和真正的能力,就能抓到機會。參照SpaceX對商業航天公司進行估值也許也是個聰明的做法。中國商業航天的發展需要資本的支持,這也是資本在“后房地產時代”應該做的正確事情。
人類進入太空已經半個多世紀,但最好的時代剛剛到來。再過十年,我們今天盤點的中國商業火箭先行者們還都會安好嗎?歷史的發展往往超過我們的想象力。也許,我們有機會見證奇跡的發生。
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