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陈蓝:引力一号首飞成功,中国(guo)商业航天或迎(ying)来(lai)爆发,火箭,发射,固体

【文/观察者网专(zhuan)栏作者 陈蓝】

2024年1月11日,山东海阳连理岛南(nan)方海面。远远望去,海平线上隐约可见一艘红色的大船(chuan)。大船(chuan)上静(jing)悄悄地(di)树立(li)着一个下宽上细的白色圆柱(zhu)体。这就是中国(guo)民商航天公司——东方空(kong)间的引力一号火箭,它(ta)即将进行海上首飞。

下午1点(dian)30分整,只见远处火光(guang)一闪,一股巨大的烟云翻滚着划过海面,然后火箭开始缓缓上升,长长的烟柱(zhu)映在海面上,异常美丽。这一切都是在无(wu)声无(wu)息中发生的。几秒钟后,巨大的声浪(lang)砰然袭来(lai),几乎要击(ji)破耳膜。虽然这种夹杂(za)着爆裂声的轰鸣让心脏都有点(dian)难受,但它(ta)如此强(qiang)烈而独特,以至能感觉到一丝(si)快感。随着火箭快速(su)爬升变得越来(lai)越小(xiao)直至无(wu)法(fa)看清,轰鸣也渐渐减弱。空(kong)中留下了长长的白色烟云,在高空(kong)风吹拂下变成了扭曲的形状。

引力一号在海阳以南(nan)海面发射成功(图源:东方空(kong)间)

40分钟后,火箭发射宣告成功,三颗云遥一号气象卫星准确入轨。这是中国(guo)每年数十次航天发射中普普通通的一次。但这枚火箭却有点(dian)不(bu)走寻常路(lu),实属多年少见,值得一说。

它(ta)给人的第一印象是,一枚外形很萌的大火箭,身材矮胖粗壮(绝非贬义)。30米的高度(du),却绑了四个和(he)芯级一样直径2.65米的助推器。此外,它(ta)还有个长度(du)9米多、直径4.2米、和(he)长七类似的巨大的整流罩。大头(tou)、粗腿,Q萌的视觉效果马上出来(lai)了。

引力一号发射前(qian)在垂直测试厂房中(图源:东方空(kong)间)

引力一号吨位也不(bu)小(xiao),妥(tuo)妥(tuo)超过了欧洲织女(nu)星C,成为史上最(zui)大轨道级固体火箭。它(ta)起飞重量(liang)405吨,起飞推力600吨,近地(di)轨道(LEO)运载能力6.5吨、太阳同步轨道(SSO)运载能力4.2吨,可支持百公斤级卫星“一箭30星”发射。

相比(bi)之下,航天科工快舟一号小(xiao)固体30米的高度(du),却只有小(xiao)几百公斤的SSO运载能力。此前(qian)国(guo)内最(zui)大固体箭力箭一号和(he)捷龙三号,也是30米的高度(du),SSO运力1.5吨。而运载能力相似的长征八号和(he)长征六号A则高达50米。欧洲织女(nu)星C高度(du)35米,运载能力差不(bu)多只有引力一号的一半。小(xiao)型箭高度(du),中型箭能力,这样的火箭航天史上确实不(bu)多见。

穿上“保温衣”的引力一号离开厂房开始垂直转运(图源:东方空(kong)间)

为什么这枚火箭要设计得如此之萌?道理其实很简单。大整流罩的好(hao)处不(bu)用多说。粗短身材的稳定性对海上发射来(lai)说更为重要。但做捆绑火箭还是有技术门槛(kan)的。引力一号不(bu)仅是国(guo)内火箭首次采用固-固捆绑形式,也是国(guo)际上唯一的大尺寸固-固捆绑火箭(以往(wang)有大直径固体芯级上绑小(xiao)直径固体助推,如印度(du)PSLV火箭)。它(ta)还有一个精妙设计:起飞时(shi)助推器点(dian)火、芯一级延迟点(dian)火的连续(xu)助推飞行模式能克服(fu)固体发动机不(bu)同步带来(lai)的干(gan)扰。

据东方空(kong)间介绍,在三年研(yan)发期,引力一号研(yan)制团队开展了23项大型地(di)面试验,489项单项试验,1452次试验迭代。实现了海陆通用中型火箭构(gou)型优化、低成本简易捆绑火箭模态试验、大推力多喷(pen)管(guan)复(fu)杂(za)底部力热环境预示(shi)及热防(fang)护技术、固体捆绑火箭载荷辨识、大气层内大后效固体助推分离技术、简易充气柔性保温防(fang)护罩等等首创或首次应用的技术。技术细节(jie)过于琐(suo)碎,不(bu)展开了。

引力一号不(bu)仅是全(quan)球运力最(zui)大固体运载火箭和(he)国(guo)内运力最(zui)大民商火箭,也是国(guo)内海上发射吨位最(zui)大火箭暨(ji)世界首型海上发射捆绑式火箭。为此,这次发射启用了世界上第一艘专(zhuan)用火箭发射与回(hui)收多功能船(chuan)——东方航天港号。它(ta)载重2.2万吨,具有无(wu)人驾驶(shi)自主(zhu)航行和(he)远程控制能力,船(chuan)身中间自带导流槽,支持海射“三垂”测发模式,可满足中大型运载火箭海上发射需求。能和(he)它(ta)媲(bi)美的可能只有原海射公司受损(sun)退役的奥德赛号发射平台(tai),但奥德赛并非专(zhuan)门为火箭发射设计。它(ta)由钻(zuan)井平台(tai)改(gai)建而成,缺乏自主(zhu)航行能力,功能也不(bu)够全(quan)面。

已经上船(chuan)的引力一号(可见导流槽)(图源:东方空(kong)间)

即将离港的东方航天港号火箭发射回(hui)收船(chuan)和(he)引力一号(图源:东方空(kong)间)

从(cong)1月5日起短短一周内,中国(guo)已经进行了4次航天发射。就在不(bu)到两小(xiao)时(shi)前(qian),快舟一号甲火箭在酒泉发射成功。但引力一号作为本年度(du)民商火箭首发,更是第一型首飞的新火箭,外形Q萌、集众多最(zui)大、最(zui)重、第一、首次于一身,毫无(wu)疑(yi)问引起的关注最(zui)多。但这只是2024中国(guo)航天的序(xu)幕。2024将是极为繁忙(mang)的一年,有很多精彩的看点(dian),其中重头(tou)戏是商业航天。

国(guo)家队的载人航天和(he)深空(kong)探测依然是2024年很值得关注的航天任务。中国(guo)空(kong)间站将迎(ying)来(lai)两艘神舟飞船(chuan)和(he)两艘天舟货(huo)运飞船(chuan)。航天员中将出现哪些新面孔,会不(bu)会有意外之喜,值得期待。深空(kong)方面,鹊桥二号中继星和(he)搭载的两颗月轨通导遥星座试验小(xiao)卫星(天都一号二号)、嫦娥六号月背采样返回(hui)任务也一定会成为全(quan)球关注焦(jiao)点(dian)。

2024年意义更为深远的一件大事是星网(又称国(guo)网或GW)的规模化组网发射。2023年,4组卫星互(hu)联网试验卫星相继发射,小(xiao)规模组网试验应该已在紧锣密(mi)鼓地(di)进行中。由于频谱的稀(xi)缺性,国(guo)际电联(ITU)对非地(di)球同步轨道(NGSO)卫星星座提出了严格的部署(shu)节(jie)点(dian)要求。要保住频谱权利,必须按(an)节(jie)点(dian)要求完(wan)成发射。12992颗卫星的星网星座最(zui)晚必须在未来(lai)10年内完(wan)成部署(shu)。换(huan)句话,即使拖(tuo)到最(zui)后期限完(wan)成,也要求平均每年发射1299颗卫星。我国(guo)目前(qian)的发射能力与此还有较大差距。时(shi)不(bu)我待!

可以说,海南(nan)商业航天发射场就是为星网组网发射而生的。2023年底,发射场一号工位竣(jun)工,二号工位导流槽等设施完(wan)成封顶。按(an)设计,一号工位将用于长八改(gai),而二号工位则适用于19型不(bu)同的商业火箭。用于固体火箭的三号场坪工位也已于6月开工建设。此外,有消息说搁置已久的浙江象山商业航天发射场项目也可望重新启动。

海南(nan)商业航天发射场(图源:互(hu)联网)

海阳东方航天港近年发展迅(xun)速(su)。除了这次刚刚投入使用的东方航天港号专(zhuan)用火箭发射船(chuan),更稳定、可用于大型液体火箭发射的半固定海上发射平台(tai)也在悄然建造中。2023年12月,博润九州号货(huo)船(chuan)远赴南(nan)海,在广(guang)东阳江附近完(wan)成了捷龙三号和(he)长十一的两次发射,为设想中未来(lai)的南(nan)方母港做了铺(pu)垫。海上发射作为地(di)面发射场的有效补(bu)充,将占据中国(guo)商业航天发射一席(xi)之地(di)。

2024年新箭首发将非常热闹,数量(liang)将创历史新高,而其中几乎都是商业火箭。引力一号只是其中的第一箭。我们罗列(lie)一下其他首发火箭。

航天科技长八改(gai):二级从(cong)基本型的3米直径增加到3.35米,整流罩从(cong)4.2米增加到5.2米。计划6月在海南(nan)商业航天发射场一号工位首飞。

航天科技XLV(八院(yuan)3.8米箭):将成为5米直径芯级的长五和(he)长五乙外中国(guo)直径最(zui)大火箭。计划下半年在海南(nan)商业航天发射场二号工位首飞。

天兵科技天龙三号:国(guo)内首型猎鹰九级别的可复(fu)用液体箭。计划年中首飞(不(bu)回(hui)收)。如果成功将大大缩小(xiao)和(he)SpaceX的差距。

星河动力智神星一号:首枚火箭已总装(zhuang)下线,计划下半年酒泉首飞。

深蓝航天星云一号:计划在海南(nan)商业航天发射场进行一子级陆上回(hui)收、海上回(hui)收飞行验证,年底完(wan)成入轨发射回(hui)收。如果成功,将成为中国(guo)第一款入轨可回(hui)收火箭。

蓝箭朱雀二号改(gai)型:二级取消TQ-12加TQ-11游机方案,改(gai)为可多次启动变推力泵前(qian)摆(bai)TQ-15A发动机,性能也有所提高。

星际荣耀双曲线二号Y海上回(hui)收验证箭:在海上着陆平台(tai)重复(fu)2023年11、12月的垂直发射回(hui)收试验

航天科技长八改(gai):二级从(cong)基本型的3米直径增加到3.35米,整流罩从(cong)4.2米增加到5.2米。计划6月在海南(nan)商业航天发射场一号工位首飞。

航天科技XLV(八院(yuan)3.8米箭):将成为5米直径芯级的长五和(he)长五乙外中国(guo)直径最(zui)大火箭。计划下半年在海南(nan)商业航天发射场二号工位首飞。

天兵科技天龙三号:国(guo)内首型猎鹰九级别的可复(fu)用液体箭。计划年中首飞(不(bu)回(hui)收)。如果成功将大大缩小(xiao)和(he)SpaceX的差距。

星河动力智神星一号:首枚火箭已总装(zhuang)下线,计划下半年酒泉首飞。

深蓝航天星云一号:计划在海南(nan)商业航天发射场进行一子级陆上回(hui)收、海上回(hui)收飞行验证,年底完(wan)成入轨发射回(hui)收。如果成功,将成为中国(guo)第一款入轨可回(hui)收火箭。

蓝箭朱雀二号改(gai)型:二级取消TQ-12加TQ-11游机方案,改(gai)为可多次启动变推力泵前(qian)摆(bai)TQ-15A发动机,性能也有所提高。

星际荣耀双曲线二号Y海上回(hui)收验证箭:在海上着陆平台(tai)重复(fu)2023年11、12月的垂直发射回(hui)收试验

除了首发箭,民商航天现役火箭发射密(mi)度(du)将继续(xu)增加。其中谷神星一号计划6发,力箭一号计划5发,双曲线一号计划3发,朱雀二号(改(gai)型)计划3发。加上引力一号、天龙三号、智神星一号、星云一号首发箭,中国(guo)民商航天年度(du)发射数量(liang)有望超过20发。国(guo)家队方面也不(bu)会松懈,全(quan)年发射次数大概率将再破记(ji)录。

这是中国(guo)航天史上从(cong)未出现过的蓬勃向上的景气局(ju)面。这是怎么发生的?其实我们都看得很清楚(chu),星网项目的拉动效应已经开始出现。可以预期,它(ta)所创造的巨大需求将成为未来(lai)十年整个行业最(zui)重要的驱动力,将推动创新和(he)技术进步以及成本的大幅降(jiang)低,而低成本反过来(lai)又会创造出新的需求。市场规模的迅(xun)速(su)扩大将会带来(lai)一场产业革命。每次技术革命都是相同的逻辑,大航天时(shi)代也不(bu)例外。

马斯(si)克早(zao)已明白这个道理。所以他以一己之力创造了星链这个巨大需求,成为了可复(fu)用火箭研(yan)制的原动力。后者大幅降(jiang)低发射成本的能力,又使得星链具备了商业可行性和(he)可持续(xu)性,从(cong)而在SpaceX内部形成了一个闭环,使可复(fu)用航天运输(shu)系统从(cong)科学幻想变为了现实,并正在向更大规模(星舰)发展。不(bu)过,SpaceX未来(lai)仍存在一个潜在危(wei)机:竞争不(bu)够。

中国(guo)的情况有所不(bu)同。中国(guo)没有马斯(si)克和(he)SpaceX,但有着一个擅长长期规划、执行力超强(qiang)的政府。在高铁(tie)、核电、光(guang)伏、风能、新能源汽(qi)车等行业,政府政策(ce)主(zhu)导、政府投资(zi)(或补(bu)贴)创造需求、企业公平竞争的模式屡试不(bu)爽。在商业航天领域,中国(guo)的大规模需求也由政府创造,它(ta)就是星网。

可能很多人要问,中国(guo)两大航天集团已经有20多款在役长征、快舟、捷龙火箭,加上这些民商火箭,已经超30款了。星网的需求的确很大,但需要这么多型号的新火箭吗?为什么不(bu)更好(hao)地(di)利用现有资(zi)源而去做低水平重复(fu)投资(zi)?还有,民商火箭是不(bu)是已经出现泡(pao)沫(mo)?

回(hui)答:星网发射需求极大,现役一次性火箭发射成本很高,初(chu)期组网少量(liang)使用可以承(cheng)受,但如果以它(ta)们作为主(zhu)力来(lai)建设星网,即便对中国(guo)这样经济实力雄厚的大国(guo),在财力上也几乎是不(bu)可能的任务。规模化可以有效降(jiang)低成本,但因火箭技术高度(du)复(fu)杂(za)、制造要求极高,现有火箭降(jiang)本依然存在天花板。没有选(xuan)择(ze),主(zhu)力火箭必须采用成本导向设计,实现可复(fu)用和(he)重型化。而这恰(qia)恰(qia)是我们缺乏的。

这样的火箭只能通过商业化来(lai)催生。激烈的市场竞争能推动创新,驱动技术的快速(su)进步。市场会很卷,重复(fu)投资(zi)不(bu)可避免,出现一些泡(pao)沫(mo)也很正常。新能源汽(qi)车等行业也出现了类似情况,但依然蓬勃发展,终(zhong)成正果。航天技术要求极高,低水平竞争者的淘汰会更早(zao)出现,因而进化效率更高。相信中国(guo)商业航天的泡(pao)沫(mo)和(he)低水平重复(fu)问题不(bu)会很突出。

重复(fu)一下这个闭环的商业逻辑:创造巨量(liang)需求,激发市场竞争,推动技术革命,大幅降(jiang)低成本,反过来(lai)进一步推动需求扩大,最(zui)终(zhong)实现产业腾飞。问题的关键就是这个巨大的需求。只要它(ta)真真实实存在,那就一定能实现航天可持续(xu)的健康发展,推动人类走向星辰大海。

星链的初(chu)步成功已经证明卫星互(hu)联网是一个真实存在的巨大需求,中国(guo)采用跟随战略建设星网比(bi)星链风险更小(xiao)。我们能发挥(hui)制度(du)优势,国(guo)家统一规划,国(guo)家队牵头(tou)实施,民企积极参与。这是个开放式体系,比(bi)SpaceX模式参与者更多、竞争更充分(卷)、产业链拉动更大,也有能力实施规模更大、商业盈(ying)利周期更长、靠(kao)单一公司(如SpaceX)根本不(bu)可能实施的巨型项目,比(bi)如空(kong)间太阳能电站。

中国(guo)是目前(qian)世界上空(kong)间站太阳能电站预研(yan)位于前(qian)列(lie)的国(guo)家。在西安和(he)重庆,有两个能量(liang)无(wu)线传(chuan)输(shu)试验设施已经建成或正在建设。这个十年内,将开展在轨能量(liang)传(chuan)输(shu)实验。2030年后将建设兆瓦级小(xiao)型示(shi)范实验电站。2050年,计划发射万吨质量(liang)的吉瓦级商用电站。如此巨大的质量(liang)需要极低成本的发射系统,这将是继星网后驱动中国(guo)商业航天的一个规模更大的需求,也是民商航天企业的巨大机会。

西安电子科技大学“逐日工程”太阳能电站地(di)面验证设施(图源:西电)

此外,空(kong)间站技术的成熟和(he)发射成本的迅(xun)速(su)降(jiang)低,会推动太空(kong)旅游的需求增长。因为人口基数巨大,当太空(kong)旅游的费用降(jiang)低到某个门槛(kan),将会引发指数级增长和(he)市场爆发。在刚刚过去的年末,中国(guo)可控核聚变创新联合体正式宣布(bu)成立(li),中国(guo)聚变公司举行揭牌仪式,国(guo)务院(yuan)国(guo)资(zi)委启动未来(lai)产业启航行动,明确可控核聚变为未来(lai)能源唯一方向。这意味着,到月球开采氦三矿产可能也不(bu)远了。

这些巨型项目不(bu)仅会有力促进可回(hui)收火箭和(he)空(kong)天飞机等低成本航天运输(shu)系统的发展和(he)成熟,也会推动太空(kong)基础设施如商业空(kong)间站(太空(kong)酒店(dian))和(he)太空(kong)工业设施如电站、月矿的建设。中国(guo)的经济实力和(he)制度(du)优势让我们有很大机会在这些领域成为领导者。中国(guo)商业航天企业在超卷环境下成长,竞争力强(qiang)悍,前(qian)景十分光(guang)明。

扯远了。让我们把思路(lu)从(cong)未来(lai)拉回(hui)到2024年。2024年中国(guo)商业航天的格局(ju)将如何演(yan)变?会不(bu)会很快进入淘汰赛?

中国(guo)民商火箭已经进入了以液体火箭为目标的下半场。有意思的是,很多公司都不(bu)约而同地(di)对标猎鹰九号推出了大中型可复(fu)用液体火箭,比(bi)如天兵科技的天龙三号、蓝箭航天的朱雀三号、星际荣耀的双曲线三号。按(an)计划它(ta)们都将在今明两年内实现首飞。

东方空(kong)间不(bu)仅成功发射了最(zui)大固体箭引力一号,也同样在研(yan)制对标猎鹰九号的引力二号可回(hui)收液体火箭。12月上旬,用于引力二号的百吨级原力-85液氧煤油发动机在无(wu)锡完(wan)成了半系统试车。这是一台(tai)采用针栓式喷(pen)注器、对标SpaceX梅林1D的可复(fu)用变推力发动机。引力二号芯一级将采用9台(tai)原力-85,芯二级采用一台(tai)原力-85真空(kong)版。该箭发射质量(liang)690吨,近地(di)轨道载荷能力15吨,计划于2025年首飞。

原力-85发动机模型(图源:互(hu)联网)

其实,各家头(tou)部民商火箭公司的技术路(lu)线和(he)市场策(ce)略也不(bu)尽相同。比(bi)如,蓝箭all in甲烷箭,稳扎稳打,意在厚积薄发。天兵善于整合资(zi)源,欲利用成熟煤油技术出奇制胜、后来(lai)居上。星河动力则坚持固液并举路(lu)线,先市场后技术,可能最(zui)早(zao)实现商业盈(ying)利。东方空(kong)间估计也会走固液并举路(lu)线。星网初(chu)期组网发射对成本相对不(bu)敏(min)感,引力一号中型固体箭马上可以享受星网红利。

纵(zong)观2024和(he)2025年,星网组网市场火箭供应其实还是不(bu)足的。长八改(gai)应该是主(zhu)力。长六甲、朱雀二号、引力一号等中型箭或可作为补(bu)充。力箭一号、捷龙三号、长二丙、长二丁,以及其他民商火箭也都有机会。中国(guo)商业火箭将进入快速(su)上升期。

两三年后,随着新火箭成熟、发射频率的提高和(he)竞争者的增加,市场有可能会出现一定过剩,残酷的淘汰可能会出现。但头(tou)部公司应该都能存活,淘汰的可能是技术、产品、管(guan)理、商业模式存在问题的公司。

对一部分公司来(lai)说,小(xiao)固体火箭是快速(su)建立(li)能力的捷径,是交(jiao)给资(zi)本的入场券(quan)。这不(bu)是问题,只做固体才是问题。由于在成本、复(fu)用性、自主(zhu)可控等方面存在限制,当可复(fu)用液体箭成为市场主(zhu)流,固体箭就会失去商业竞争力,也许只能作为补(bu)充,服(fu)务特定利基市场。

可以预见,中国(guo)民商火箭公司很快都将转向可复(fu)用液体火箭。民商航天和(he)国(guo)家队将共同上场演(yan)绎商业航天的未来(lai)。最(zui)早(zao)2024年下半年,中国(guo)商业航天可能进入爆发期。精彩而残酷的竞争即将展开。数年后经过淘汰留下的头(tou)部公司们不(bu)仅在国(guo)内能和(he)两大航天集团并驾齐驱,还将具备国(guo)际竞争力,挑战SpaceX。当然,如何突破地(di)缘政治(zhi)障碍是另一个问题了。

海阳的海面又恢复(fu)了平静(jing)。那艘红色大船(chuan)依然在远处海平线上,近处只有一群(qun)海鸥在自由自在地(di)翱翔,发出欧欧的叫声。天空(kong)中,长长的白色烟云早(zao)已消失,一切似乎都已回(hui)复(fu)正常。

不(bu)久的未来(lai),海阳人将习惯(guan)隔(ge)三岔五的火箭发射。对头(tou)顶上扭曲的白色云烟,或者照亮夜空(kong)的巨大光(guang)亮和(he)火焰,他们将波(bo)澜不(bu)惊。

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