摘要：全球正在進入大航天時代，太空資源的占有率已成為衡量一個國家未來發(fā)展?jié)摿Φ闹匾笜?。商業(yè)航天以其快速、低成本、商業(yè)化等特點登上歷史舞臺，并呈現(xiàn)出旺盛的生命力。制約我國商業(yè)航天發(fā)展的重要瓶頸是液體火箭動力，通過對各動力路線的比較、分析，提出了適合我國國情的技術(shù)途徑，并給出發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：商業(yè)航天 運載火箭 動力

一 前言

商業(yè)航天已成為眾多航天國家的戰(zhàn)略選擇。據(jù)美國航天基金會數(shù)據(jù)顯示，2020年，全球航天產(chǎn)值將達到4850億美元；2040年，全球航天產(chǎn)值預(yù)計將達1.1萬億美元，而商業(yè)航天占比將達80%以上甚至更高。全球正在進入一個嶄新的大航天時代，太空資源的占有率，已成為一個國家發(fā)展?jié)摿Φ闹匾饬恐笜恕?/p>

美國、俄羅斯、歐盟、日本、印度等國均出臺政策，鼓勵商業(yè)航天的發(fā)展。由數(shù)千顆、數(shù)萬顆衛(wèi)星組成的大型星座計劃爭相出現(xiàn)，航天發(fā)射市場將迎來空前的高密度發(fā)射期。以美國太空探索公司（SpaceX）為代表的商業(yè)火箭公司登上歷史舞臺，成為航天發(fā)射市場的一支新興力量，并呈現(xiàn)出旺盛的生命力。

自2015年起，我國商業(yè)航天進入快速發(fā)展的階段。在社會資本的助推下，商業(yè)衛(wèi)星公司、火箭公司紛紛涌現(xiàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前已公開的商業(yè)火箭公司近20家。“發(fā)展航天，動力先行”，制約我國商業(yè)航天發(fā)展的最大痛點是火箭動力的問題。

固體火箭具有系統(tǒng)簡單、發(fā)射準備周期短、發(fā)射點選擇靈活等特點，特別是可以通過外協(xié)外購等方式快速獲取固體發(fā)動機，許多火箭公司早期采取小型固體火箭進行亞軌道或入軌發(fā)射的策略，以期快速打通發(fā)射環(huán)節(jié)，對火箭總體技術(shù)進行初步驗證，從而快速融資獲取資本助力。但是，由于固體火箭涉及的貯運安全、生產(chǎn)資質(zhì)、成本控制、盈利空間等問題很難解決，各火箭公司均規(guī)劃了液體火箭的發(fā)展路線。

近年來，火箭重復(fù)使用技術(shù)的突破與工程應(yīng)用，使得航天運載成本大幅降低，液體火箭優(yōu)勢突顯。如何選擇綠色環(huán)保、低成本、可重復(fù)、具有先進性的液體火箭發(fā)動機，已成為商業(yè)火箭公司不可回避的問題。

二 航天動力發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

真正的運載火箭出現(xiàn)于第二次世界大戰(zhàn)時期的德國，V-2導(dǎo)彈是最典型的代表，發(fā)動機采用液氧/酒精液體推進劑，起飛推力27.2噸，300公里射程可攜帶炸藥980公斤。

圖1 V-2導(dǎo)彈發(fā)動機

V-2導(dǎo)彈作為許多現(xiàn)代液體運載火箭的藍本，拉開了人類星際航行的序幕。此后，多種液體運載火箭快速出現(xiàn)，從初期解決進入空間問題到現(xiàn)在不斷追求更大的運載能力、降低進入空間成本等方向發(fā)展。液體運載火箭中，發(fā)動機成本占比約40%~60%，是火箭的核心部件之一，對于運載火箭的系統(tǒng)復(fù)雜度、運載能力、任務(wù)適應(yīng)性、產(chǎn)品成本等均有較大影響。動力路線選擇主要從三方面考慮：即推進劑類型、推進劑的輸送方式、以及泵壓式系統(tǒng)的循環(huán)方式。以下分別進行討論。

1.推進劑類型

航天領(lǐng)域?qū)σ后w推進劑的探索從未停止，高能量、宜使用、低成本是運載火箭選擇推進劑最主要考慮的因素。自前蘇聯(lián)1957年10月4日成功發(fā)射世界上第一顆人造地球衛(wèi)星當(dāng)今，推進劑的種類得到了極大的豐富，有肼類、過氧化氫等單組元推進劑，有可貯存的硝基氧化劑與肼類燃料雙組元推進劑，也有低溫高性能的液氧/液氫、液氧/煤油推進劑。多組元推進劑、凝膠推進劑等新型推進劑的研究也在不斷深入，但由于系統(tǒng)復(fù)雜度、工藝穩(wěn)定性等原因尚未開始工程應(yīng)用。

近年來，隨著液體甲烷制備與應(yīng)用的不斷普及，液氧/甲烷推進劑引起航天界的高度重視。SpaceX公司的Raptor發(fā)動機、Blue Origin的BE-4發(fā)動機，我國商業(yè)火箭公司星際榮耀“焦點”系列發(fā)動機、藍箭航天“天鵲”系列發(fā)動機，專業(yè)發(fā)動機公司宇航推進的“滄龍”系列發(fā)動機均采用液氧/甲烷推進劑。液氧/甲烷以其取材便利、成本低廉、不易結(jié)焦積碳、適宜星際航行等諸多特點，成為商業(yè)火箭動力的首選。

單組元推進劑性能較低，硝基氧化劑與肼類燃料有毒性，液氧/液氫推進劑性能優(yōu)異但系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。因此，業(yè)內(nèi)普遍認為適應(yīng)商業(yè)運載火箭的推進劑主要從液氧/煤油、液氧/甲烷兩種組合中選擇。表1是液氧/煤油和液氧/甲烷發(fā)動機理論性能比較。

表1

可見，液氧/甲烷發(fā)動機性能占優(yōu)、不易結(jié)焦、甲烷成本僅為煤油的1/5，但甲烷密度稍低，在同等加注量的情況下，采用甲烷燃料貯箱稍大。歐空局曾以阿麗亞娜6為原型進行兩型火箭的構(gòu)型論證，結(jié)論是用液氧/甲烷較液氧/煤油火箭起飛重量低約14%。

由于液氧/甲烷推進劑的優(yōu)異性能，受到航天界普遍追捧，SpaceX公司新一代Raptor發(fā)動機沒有在其上一代Merlin液氧/煤油基礎(chǔ)上進行改進升級，而是選擇了液氧/甲烷路線。美國新一代運載火箭“火神”一級主動力也放棄了洛克達因公司AR-1液氧/煤油發(fā)動機，Blue Origin公司的液氧/甲烷發(fā)動機BE-4成功入圍，以上兩個經(jīng)典案例，有力佐證了液氧甲烷相對于液氧煤油的綜合優(yōu)勢。

綜上所述，同時考慮到我國煤油品質(zhì)較低，以及航天煤油產(chǎn)能局限，我國商業(yè)運載火箭應(yīng)首選液氧/甲烷發(fā)動機。

圖2 推進劑供應(yīng)方式

2.推進劑供應(yīng)方式

推進劑供應(yīng)系統(tǒng)的功能主要包括兩個方面，即提供推進劑壓力和將推進劑輸送到推力室，供應(yīng)方式的選擇對動力系統(tǒng)性能和結(jié)構(gòu)質(zhì)量均有較大影響。推進劑供應(yīng)方式一般分為擠壓式和泵壓式，也可以是組合供應(yīng)。

圖3 推進劑供應(yīng)方式

擠壓式供應(yīng)方式通常通過氣瓶內(nèi)貯存的高壓氣體經(jīng)過減壓后，直接擠壓推進劑貯箱內(nèi)的液體推進劑，提供輸送動力。由于沒有高速旋轉(zhuǎn)的渦輪泵、驅(qū)動渦輪的燃氣發(fā)生器等裝置，擠壓式系統(tǒng)比較簡單，但氣瓶、貯箱承壓較高，結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大，一般相差約10~40倍。

通常，當(dāng)總沖或推進劑量相對較小、室壓較低、需要多次啟動工作情況下，采用擠壓式供應(yīng)方式優(yōu)于泵壓式供應(yīng)方式；當(dāng)總沖較大、室壓較高時，采用泵壓式供應(yīng)方式性能較好。文獻[3]中對兩種系統(tǒng)進行了計算分析，結(jié)論為：當(dāng)推進劑消耗量為150kg以下時，采用擠壓供應(yīng)方式與泵壓供應(yīng)方式重量相當(dāng)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠；當(dāng)推進劑消耗量大于150kg時，則泵壓式供應(yīng)方式結(jié)構(gòu)質(zhì)量有明顯優(yōu)勢。

3.發(fā)動機循環(huán)方式

泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)按推進劑介質(zhì)流程不同分為開式循環(huán)和閉式循環(huán)兩類，開式循環(huán)中渦輪廢氣經(jīng)排氣管排放至發(fā)動機外，或引入推力室下游與燃氣流膨脹后排出；閉式循環(huán)則將渦輪排氣導(dǎo)入推力室再燃燒。圖4為泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)典型循環(huán)方式示意圖。

圖4 發(fā)動機循環(huán)方式

燃氣發(fā)生器循環(huán)渦輪驅(qū)動能量來自于燃氣發(fā)生器，采用低混合比以避免渦輪葉片承受高溫。補燃循環(huán)中，燃料先進入預(yù)燃室與部分氧化劑進行燃燒產(chǎn)生燃氣驅(qū)動渦輪，然后將渦輪排氣導(dǎo)入燃燒室與其余氧化劑進行補充燃燒經(jīng)噴管膨脹排出，這使得渦輪泵功率大幅提高。膨脹循環(huán)則將大部分燃料供給渦輪，然后進入燃燒室，在燃燒室內(nèi)完全燃燒并通過噴管膨脹后排出，所以比沖較高。三種循環(huán)方式中，燃氣發(fā)生器循環(huán)系統(tǒng)最為簡單，由于渦輪排氣的能量未能充分利用，發(fā)動機比沖有所降低，通常約1~5%。美國RS-68火箭發(fā)動機采用燃氣發(fā)生器循環(huán)，是迄今為止最大的氫氧發(fā)動機。文獻[3]中對各種循環(huán)方式進行了論述，認為重復(fù)使用的發(fā)動機應(yīng)根據(jù)工作次數(shù)和工作壽命，重點考慮系統(tǒng)壓力低的燃氣發(fā)生器循環(huán)和補燃循環(huán)。

三 問題討論

1.總體與分系統(tǒng)

運載火箭是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及總體、彈道、制導(dǎo)、姿控、控制與測量、結(jié)構(gòu)與分離、動力、氣動、載荷與環(huán)境、發(fā)射支持等各個專業(yè)，總體技術(shù)實力的強弱是火箭公司成敗的關(guān)鍵。SpaceX作為全球商業(yè)航天的領(lǐng)跑者，機緣巧合，九死一生實現(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈布局，但不具有普遍意義，許多航天創(chuàng)業(yè)公司紛紛效仿，意圖打造中國版的SpaceX，從總體到各分系統(tǒng)全面鋪開，其實風(fēng)險很高。

應(yīng)該看到，我國的航天創(chuàng)業(yè)以及資本環(huán)境與美國有很大差異，長時間內(nèi)仍將主要采用社會融資方式來支持長期高額研發(fā)投入，全產(chǎn)業(yè)鏈布局模式投資大，周期長、風(fēng)險高，不適合中國資本和創(chuàng)業(yè)環(huán)境，未必可取。專業(yè)分工、協(xié)作共贏將是中國商業(yè)航天合理且必然的發(fā)展路徑。

2.技術(shù)成熟度

液氧/煤油發(fā)動機比氧液/甲烷發(fā)動機成熟，是前期一個流行的觀點。這是概念性誤導(dǎo)，所謂成熟度是針對具體產(chǎn)品而言的，如我國的120噸級YF-100發(fā)動機、18噸級YF-115液氧/煤油發(fā)動機，地面驗證充分，已成功飛行數(shù)十臺，我們認為這兩型發(fā)動機是成熟的。而新研發(fā)的發(fā)動機，都必須經(jīng)歷一個設(shè)計、驗證、再設(shè)計、再驗證的過程，并無成熟度可言。

以我國液氫/液氧發(fā)動機為例，YF-75 8噸級發(fā)動機作為CZ-3B運載火箭三級動力，已成功應(yīng)用多年很成熟，而YF-77 50噸新發(fā)動機的研發(fā)并未輕易成功，從研制到應(yīng)用歷時近20年，其中經(jīng)歷了許多的設(shè)計改進與迭代過程。一方面是由于其推力由8噸小推力跨躍到50噸大推力，涉及較多的技術(shù)攻關(guān)問題，另一方面這是新產(chǎn)品研發(fā)所必須經(jīng)歷的過程，所以某個技術(shù)路線上的某款發(fā)動機成熟了，并不代表同一路線上的新型號發(fā)動機研發(fā)就容易，這種提法容易給投資人挖坑，最終有損于商業(yè)航天的健康發(fā)展。

3.發(fā)射場資源

有些人認為，新一代CZ-5、CZ-6、CZ-7等液氧/煤油運載火箭已開始發(fā)射，因此在發(fā)射場建設(shè)方面，液氧煤/油路線有較大優(yōu)勢。我國目前有西昌、酒泉、太原、文昌四大航天發(fā)射場，但具備液氧/煤油條件的僅文昌發(fā)射中心。特別要注意的是，文昌發(fā)射場的兩個發(fā)射塔架是按照CZ-5、CZ-7新一代運載火箭定制的，并不適用于其它火箭型號。商業(yè)運載火箭若仍采取固定發(fā)射塔架的方式，將面臨必須重新建設(shè)的問題。這一方面投入較大，另一方面對其它商業(yè)火箭也不兼容。商業(yè)運載火箭的發(fā)射應(yīng)打破傳統(tǒng)，采取靈活的發(fā)射方式，如CZ-6火箭使用車載發(fā)射，準備周期縮短至7天，也可以兼容其他型號火箭，提升發(fā)射設(shè)施利用效率，降低發(fā)射成本，這是國際航天普遍采用的發(fā)射方式。

圖5 CZ-6運載火箭車載發(fā)射方式

此外，由于航天煤油需從產(chǎn)地運輸至發(fā)射場，臨射前運輸并不現(xiàn)實，必須解決在發(fā)射場的貯存問題。在文昌發(fā)射場，可以與CZ-5、CZ-7共用燃料庫，而在其它發(fā)射場則需新建貯存庫。液態(tài)甲烷的優(yōu)勢是可以隨時本地采購，避免貯存條件建設(shè)與長途運輸問題。

4.運載火箭多元化

我國商業(yè)航天潛力巨大，僅數(shù)年時間已初具規(guī)模。星際榮耀、藍箭航天、零壹空間均進行入軌嘗試，其中星際榮耀獲得成功，其它火箭公司也在加速發(fā)展?？梢哉f，一個公司、一型運載火箭無法實現(xiàn)空間領(lǐng)域的全覆蓋，一箭包打天下不現(xiàn)實，低軌、中軌、高軌、星際航行的需求正在不斷展現(xiàn)，各商業(yè)火箭公司均可以在大航天時代找到自身位置與發(fā)展空間。我國長征火箭從CZ-1起，已發(fā)展了CZ-2系列、CZ-3系列、CZ-4系列、CZ-5系列、CZ-6系列、CZ-7系列等數(shù)十個運載火箭型號，以滿足不同軌道的發(fā)射需求。結(jié)合自身特點與優(yōu)勢，實現(xiàn)運載火箭的差異化、多元化，商業(yè)航天運載火箭企業(yè)前景廣闊。

四 建議

（1）商業(yè)航天作為一支新興力量，是傳統(tǒng)航天的有益補充，必將在我國航天強國建設(shè)過程中發(fā)揮重要作用。國家應(yīng)從政策引導(dǎo)、研發(fā)支持、資源保障等方面加大扶持力度，加速商業(yè)航天的發(fā)展。

（2）商業(yè)火箭發(fā)展應(yīng)綜合考慮我國國情與資本環(huán)境，分工協(xié)作、強化細分領(lǐng)域，突破關(guān)鍵技術(shù)、優(yōu)化系統(tǒng)集成，快速形成能力，實現(xiàn)低成本進入空間目標，助推國家空間資源商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略。

（3）動力路線的選擇應(yīng)考慮商業(yè)市場的需求，以簡單、可靠、低成本、可重復(fù)、綠色環(huán)保，并有一定的先進性為目標，循序漸進解決有無、升級迭代，不斷提升產(chǎn)品性能。

（4）商業(yè)航天應(yīng)在繼承傳統(tǒng)航天的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮市場化優(yōu)勢，勇于創(chuàng)新、不懈探索，尋求適合我國國情的發(fā)展路線。

五 結(jié)束語

商業(yè)航天已成為全球航天不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢，低成本進入空間是各國追逐的目標。運載火箭動力路線選擇尤為重要，將決定其產(chǎn)品性能、成本優(yōu)勢、任務(wù)適應(yīng)性及未來可拓展性。商業(yè)運載火箭動力路線應(yīng)綜合考慮低成本、綠色環(huán)保、簡單可靠、可重復(fù)使用等因素，并結(jié)合我國國情確定方案，專業(yè)分工、合作共贏是適合我國商業(yè)航天發(fā)展的必由之路。

參考文獻

[1] 錢學(xué)森，星際航行概論.北京：科學(xué)出版社，1963.

[2] 李亞裕，液體推進劑.北京：中國宇航出版社，2011.

[3] 劉業(yè)奎等，低溫液氧／液甲烷火箭發(fā)動機技術(shù).低溫工程，2018.

[4] 張金榮等，液體火箭上面級發(fā)動機系統(tǒng)方案選擇及典型系統(tǒng)方案.導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，2008（2）.

[5] 薩頓G P，比布拉茲O．火箭發(fā)動機基礎(chǔ)．北京：科學(xué)出版社，2003．

[6] 劉國球等，液體火箭發(fā)動機原理. 北京：中國宇航出版社，2005.