文|華泰證券 黃樂平 等
編輯|智東西內(nèi)參
當(dāng)今世界，越來越多的國家高度重視并大力發(fā)展航天事業(yè)，世界航天進(jìn)入大發(fā)展大變革的新階段，將對人類社會發(fā)展產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。2022 年 2 月 11 日，SpaceX 發(fā)布星艦最新進(jìn)展，單艦運(yùn)載力超 100 噸，有望實(shí)現(xiàn)每天發(fā)射 3 次，為登月，火星移民，洲際運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用帶來顛覆性變化；2021 年 12 月 7 日，星河動力成功發(fā)射“谷神星一號遙二”運(yùn)載火箭，實(shí)現(xiàn)一箭五星、民營火箭首次連續(xù)發(fā)射成功等新突破。
2022年1月28日上午，國務(wù)院新聞辦公室發(fā)布我國第五部航天白皮書——《2021中國的航天》。白皮書指出，研究制定商業(yè)航天發(fā)展指導(dǎo)意見，促進(jìn)商業(yè)航天快速發(fā)展。1 月 24 日，國內(nèi)商業(yè)航天頭部企業(yè)星河動力完成總額 12.7 億元 B 及 B+輪融資，本輪融資主要用于加快“智神星一號”液氧煤油運(yùn)載火箭的研發(fā)及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
本期的智能內(nèi)參，我們推薦華泰證券的報(bào)告《商業(yè)航天：關(guān)注火箭最新進(jìn)展》，重點(diǎn)關(guān)注運(yùn)載火箭技術(shù)演進(jìn)過程，提出降低火箭成本的可行途徑，探尋國內(nèi)民營火箭企業(yè)商業(yè)化發(fā)展路徑。
01.商業(yè)航天：場景豐富，未來可期
2021 年，維珍銀河、藍(lán)色起源、SpaceX先后完成各自首次載人太空商飛，維珍銀河“團(tuán)結(jié)”號、藍(lán)色起源“新牧羊人”號分別提供高度 80 公里、100 公里的亞軌道觀光服務(wù)，SpaceX 則提供高度 575 公里的繞地飛行服務(wù)，其中 SpaceX 在 2021年 9 月 16 日發(fā)射的“靈感 4”是人類首次將完全由平民組成的宇航機(jī)組人員送入太空。太空挖礦則通過“找礦-探礦-占礦-采礦-返回”五個(gè)階段，開發(fā)和利用小行星上豐富的太空礦產(chǎn)資源，商業(yè)價(jià)值相當(dāng)可觀。
深空探測指人類對月球及以遠(yuǎn)的天體或空間環(huán)境開展的探測活動，是人類航天活動的重要方向和空間科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑。未來隨著航天技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)案例陸續(xù)落地，太空旅行、太空挖礦、深空探測等將逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)、形成產(chǎn)業(yè)。
另外，隨著航天市場的發(fā)展，衛(wèi)星應(yīng)用場景更加多樣化，以通信、導(dǎo)航、遙感等為代表的衛(wèi)星，由軍用需求逐漸拓展到民用市場，緊密結(jié)合各行業(yè)與消費(fèi)者，帶來衛(wèi)星需求的急劇增加，航天發(fā)射呈現(xiàn)出“井噴式”發(fā)展態(tài)勢。其中，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃戰(zhàn)略意義重大、經(jīng)濟(jì)價(jià)值可觀，引起國內(nèi)外高度重視，也成為當(dāng)前及未來航天發(fā)射市場的主力需求。目前，國內(nèi)外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：
衛(wèi)星小、數(shù)量多。為了兼顧全球覆蓋和低延時(shí)通信兩大核心能力，各大公司都不約而同地選擇了質(zhì)量 200kg 左右的小衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)，小衛(wèi)星研制周期短、成本低，通過大規(guī)模星座組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，這便導(dǎo)致星座規(guī)模普遍都十分龐大。目前已公布星座計(jì)劃的國外公司中，美國 SpaceX提出的 Starlink 規(guī)模最大，將建成 4.2 萬顆衛(wèi)星組成的低軌互聯(lián)網(wǎng)巨型星座，而其他公司的星座規(guī)模從幾百顆到數(shù)千顆衛(wèi)星不等。
國內(nèi)方面則包括中國星網(wǎng)、航天科技集團(tuán)、航天科工集團(tuán)等國家隊(duì)以及銀河航天等民營企業(yè)也相繼提出了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃。隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)被列入國家“新基建”發(fā)展范疇，未來 5-10 年我國衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量將超過 10,000 顆。
▲國內(nèi)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座統(tǒng)計(jì)表
組網(wǎng)時(shí)間短。國際規(guī)則中衛(wèi)星頻率和軌道資源的主要分配形式為“先申報(bào)就可優(yōu)先使用”的搶占方式，按照國際電信聯(lián)盟的要求，申請衛(wèi)星頻率和軌位資源的公司需要在獲得許可后 2 年內(nèi)完成星座中 10%衛(wèi)星的部署，5 年內(nèi)完成星座中 50%衛(wèi)星的部署，7 年內(nèi)完成星座中 100%衛(wèi)星的部署。
如果無法滿足上述要求，將對申報(bào)的星座規(guī)模進(jìn)行削減。作為全球通信基礎(chǔ)設(shè)施，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是典型的“贏家通吃”型生意，考慮到衛(wèi)星頻率及軌位資源的稀缺性，各家公司都會力爭在最短的時(shí)間內(nèi)完成組網(wǎng)，以搶占商業(yè)先機(jī)。尤其是國內(nèi)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)起步較晚，要想后發(fā)制人就必須在組網(wǎng)速度上下功夫。
2021 年 11 月 23 日，全球通信公司 Viasat與中國衛(wèi)通合作，宣布在中國建成移動衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，該移動網(wǎng)絡(luò)部署了 Viasat 創(chuàng)新的機(jī)載通信 (IFC) 設(shè)備，并在 Ka 波段 ChinaSat-16 號衛(wèi)星系統(tǒng)上工作。目前該系統(tǒng)已建成，可以滿足進(jìn)出中國領(lǐng)空的國內(nèi)外航空公司的空中互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的需求。該網(wǎng)絡(luò)的成功部署，將能夠?yàn)槁每吞峁o縫的通信漫游體驗(yàn)，航空公司客戶可以選擇提供流媒體視頻或音樂、瀏覽互聯(lián)網(wǎng)、訪問社交媒體、消息傳遞和其它應(yīng)用程序。
2021 年 12 月 21 日，全球?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)速度測試網(wǎng)站 Speedtest.net 公布了 2021 年第三季度多家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)速數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，SpaceX的星鏈衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)速度最快，延遲也最低，下載速度中值 87.25 Mbps，上傳速度中值為 13.54 Mbps，同期美國所有固定寬帶提供商的下載速度中值、上傳速度中值分別為 119.84 Mbps、18.03 Mbps。HughesNet 緊隨“星鏈”其后，下載速度中值為 19.3 Mbps，Viasat 則以 18.75 Mbps 的下載速度位居第三。
02.運(yùn)載火箭，太空時(shí)代主力工具
火箭作為人類進(jìn)入太空的主要載具，決定著一個(gè)國家進(jìn)入、利用和控制太空的能力，是航 天領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)，也是各國現(xiàn)代科技發(fā)展水平和綜合國家的重要標(biāo)志。運(yùn)載火箭是依靠火箭發(fā)動機(jī)噴射工質(zhì)（工作介質(zhì)）產(chǎn)生的反作用力向前推進(jìn)的飛行器，能夠?qū)⑷嗽煨l(wèi)星、載人飛船、空間站或空間探測器等有效載荷送入預(yù)定軌道的航天運(yùn)輸工具。
2016 年以來，截至 2021 年 12 月，國內(nèi)共完成 207 次發(fā)射任務(wù)，其中長征系列運(yùn)載火箭發(fā)射共完成 183 次，總發(fā)射次數(shù)突破 400 次。長征系列運(yùn)載火箭加速向無毒、無污染、模塊化、智慧化方向升級換代，“長征五號“長征五號乙”運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)應(yīng)用發(fā)射，“長征八號“長征七號甲”實(shí)現(xiàn)首飛，運(yùn)載能力持續(xù)增強(qiáng)，星際榮耀、星河動力等民營企業(yè)也成功實(shí)現(xiàn)火箭入軌發(fā)射，我國運(yùn)載火箭多樣化發(fā)射服務(wù)能力邁上新臺階。2021 年，我國共計(jì)開展了 55 次各類軌道發(fā)射任務(wù)，其中成功 52 次。
▲2021 年中國運(yùn)載火箭發(fā)射情況
2021 年 11、12 月，全球發(fā)射活動持續(xù)活躍。中、美、俄、日、韓以及歐盟等開展的航天發(fā)射活動共 38 次，相較于 9、10 月全球 22 次航天發(fā)射活動，11、12 月全球航天發(fā)射活動明顯增加。
11 月，全球共進(jìn)行航天發(fā)射活動 16 次，均成功。其中美國 5 次、中國 7 次、俄羅斯 2 次、歐盟 1 次、日本 1 次。成功向太空送入 82 個(gè)航天器。
12 月，全球共進(jìn)行航天發(fā)射活動 22 次，失敗 2 次。其中美國 7 次、中國 8 次（1 次失?。?、俄羅斯 3 次（1 次失?。?、歐盟 3 次、日本 1 次。成功向太空送入 173 個(gè)航天器。
2021 年 12 月 7 日 12 時(shí) 13 分，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，中國民營航天公司星河動力成功發(fā)射了“谷神星一號遙二”運(yùn)載火箭，順利將五顆商業(yè)衛(wèi)星精確地送入 500km的太陽同步軌道。這是中國民營火箭第一次連續(xù)成功、第一次一箭多星商業(yè)發(fā)射、第一次進(jìn)入 500km 太陽同步軌道。星河動力透露，接下來會將“谷神星”系列火箭所獲得的成功經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用于中大型可重復(fù)使用液體運(yùn)載火箭“智神星一號”，加快研制進(jìn)度，確保在2023 年入軌首飛成功。
2021 年 12 月 17 日 14 時(shí) 30 分，由火箭派公司研制的中國首個(gè)商業(yè)航天生物載荷“火種一號”空間微重力生物載荷試驗(yàn)裝置，通過搭載星眾空間“靈巧號”衛(wèi)星平臺，在西北某試驗(yàn)場跟隨華羿鴻達(dá)“華羿一號”火箭發(fā)射升空。
本次發(fā)射飛行高度 250km，衛(wèi)星遙測參數(shù)正常，生物載荷工作正常，發(fā)射任務(wù)取得成功。“火種一號”是國內(nèi)首個(gè)由民營企業(yè)設(shè)計(jì)研制的空間微重力生物試驗(yàn)裝置，旨在為近地空間生命科學(xué)探索、航天生物醫(yī)藥研究、生物技術(shù)試驗(yàn)等提供便利的微重力研究服務(wù)和商業(yè)化解決方案。
2022 年 2 月 11 日下午，SpaceX公司創(chuàng)始人、首席執(zhí)行官兼首席工程師埃隆·馬斯克發(fā)布了 2 年半以來最新的星艦（Starship），整個(gè)發(fā)布會持續(xù)了近 80 分鐘。最新發(fā)布的星艦直徑 9 米，高 50 米，加上火箭助推器高達(dá) 120 米，有效載荷 100-150 噸，能攜帶 200 噸推進(jìn)劑進(jìn)入軌道，為其他太空中的星際飛船“加油”。
馬斯克表示達(dá)到目前的全球發(fā)射載荷數(shù)，星艦只需要一年時(shí)間。目前，全球已發(fā)射的載荷數(shù)為 15,517 噸。按照星艦快速重復(fù)使用的能力，每艘星艦按照每周保守 3 次軌道發(fā)射計(jì)算，只要使用一艘星艦，一年后，該星艦發(fā)射的載荷質(zhì)量將超過人類歷史上全部的載荷發(fā)射質(zhì)量，達(dá)到 15,500 噸。
馬斯克還表示，理論上“星艦”飛船每 6-8 小時(shí)就能夠重復(fù)使用，這樣一天可以進(jìn)行 3 次發(fā)射，而“超重”助推器大約每小時(shí)即可發(fā)射一次。快速重復(fù)使用也意味著降低成本，“每次飛行可能只需幾百萬美元，甚至最少可能只要 100 萬美元?！瘪R斯克說，按照太空標(biāo)準(zhǔn)來衡量，這個(gè)價(jià)格低得離譜。
向火星移民需要 100 萬噸的貨物運(yùn)量，從而使火星城市具備自支持能力，而每 2 年一次的地火運(yùn)輸窗口期，確實(shí)需要星艦具備這種快速可重復(fù)使用的能力。在軌推進(jìn)劑加注是實(shí)現(xiàn)人類去往火星必需的技術(shù)，因?yàn)榛鹦翘b遠(yuǎn)了。
SpaceX 已經(jīng)掌握了龍飛船（Dragon）與國際空間站間不同公司對接機(jī)構(gòu)的對接，對于星艦間的對接將更加容易。馬斯克表示，SpaceX 將在 2023 年底進(jìn)行在軌推進(jìn)劑加注嘗試。
根據(jù)火箭運(yùn)力統(tǒng)計(jì)表進(jìn)行估算，2021 年國內(nèi)發(fā)射衛(wèi)星的火箭總運(yùn)力約為 140.4t/700km，與未來平均每年對火箭運(yùn)力需求 343t/700km 差距較大。通過需求測算以及現(xiàn)有運(yùn)力統(tǒng)計(jì)， 預(yù)計(jì)未來國內(nèi)火箭運(yùn)力缺口較大，這部分缺口是商業(yè)火箭公司的主要市場。
▲國內(nèi)外代表性商業(yè)火箭公司技術(shù)路線對比
1、液氧甲烷，民營火箭動力一致選擇
在火箭技術(shù)領(lǐng)域，長期存在著所謂的“固液之爭”，即固體火箭和液體火箭，哪個(gè)更適合航天發(fā)射。早在上世紀(jì)七八十年代，就曾經(jīng)有過一場影響深遠(yuǎn)的大討論。液體派認(rèn)為，液體發(fā)動機(jī)在運(yùn)輸時(shí)燃料儲箱是空的，總體較輕，運(yùn)輸車輛的負(fù)荷較小，工程上更易實(shí)現(xiàn)，燃料在發(fā)射場里加注就可以了。固體派則認(rèn)為，固體火箭的燃料是在車間里澆鑄完成的，不需要考慮燃料加注的問題，起豎后經(jīng)過簡單檢測就可以發(fā)射。雙方支持者各執(zhí)一詞，各自強(qiáng)調(diào)的優(yōu)點(diǎn)正是對方的軟肋，一時(shí)相持不下。
▲固體燃料火箭與液體燃料火箭對比
火箭發(fā)動機(jī)價(jià)值量占比過半，發(fā)動機(jī)能否滿足重復(fù)使用是技術(shù)路徑選擇的重要考量。在一次性使用運(yùn)載火箭成本構(gòu)成中，發(fā)動機(jī)約占總成本的 54.3%，箭體結(jié)構(gòu)約占總成本的23.6%，電氣系統(tǒng)約占 8%，閥門管路及執(zhí)行機(jī)構(gòu)約占 8.1%，點(diǎn)火、級間分離等火工品約占 5.3%，推進(jìn)劑成本約占 0.7%。
作為火箭中價(jià)值最高的部分，發(fā)動機(jī)能否滿足重復(fù)使用需求是火箭回收的前提條件，而火箭回收是商業(yè)航天降低成本的必由之路。因此發(fā)動機(jī)是否滿足重復(fù)使用將決定能否實(shí)現(xiàn)火箭回收，是民營火箭公司技術(shù)路徑選擇的重要考量。
液氧液氫、液氧甲烷、液氧煤油 3 種低溫推進(jìn)劑均滿足發(fā)動機(jī)重復(fù)使用基本需求，國外已 有階段性成果。SpaceX采用液氧煤油推進(jìn)劑的梅林發(fā)動機(jī)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)多次飛行回收，重復(fù)使用發(fā)動機(jī)先驅(qū) SSME 發(fā)動機(jī)則使用了液氧液氫推進(jìn)劑，而同樣使用液氧液氫推進(jìn)劑的 BE-3 和ＲL10 發(fā)動機(jī)也得以成功回收。目前國際上對于液氧甲烷發(fā)動機(jī)還沒有研制成功飛行的先例，但研制歷程已達(dá)幾十年，NASA 將 RS-18 改造為月球著陸器下降級液氧甲烷發(fā)動機(jī)，并開展了高空模擬試車和推進(jìn)劑在月球表面的長期貯存模擬試驗(yàn)研究。
液氧甲烷發(fā)動機(jī)成本低、性能適中、結(jié)焦少、與液氧沸點(diǎn)接近，商業(yè)航天需要在成本和性 能之間獲取平衡，液氧甲烷發(fā)動機(jī)將是商業(yè)趨勢。作為一種被廣泛使用的清潔能源，甲烷燃燒熱值高，資源豐富，與液氧溫度相近，可以設(shè)計(jì)成共底貯箱以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量和復(fù)雜度。液氧甲烷推進(jìn)劑比沖性能介于液氧液氫推進(jìn)劑和液氧煤油推進(jìn)劑之間，密度比沖較高，能有效提高火箭運(yùn)載能力。在所有烴類燃料組合中，液氧甲烷發(fā)動機(jī)自潔凈性較好，是最不容易結(jié)焦和積碳的，利于回收可重復(fù)使用。
目前科學(xué)家們已經(jīng)在諸如火星、土衛(wèi)六等星球上發(fā)現(xiàn)存在液體甲烷“海洋”，如果未來開展星際航行，或可直接從目標(biāo)星球獲取液體甲烷作為燃料。目前，美國 SpaceX（未上市）和藍(lán)色起源積極開展液氧甲烷發(fā)動機(jī)的研制工作，其發(fā)動機(jī)型號分別為“猛禽”和 BE-4，國內(nèi)則有藍(lán)箭航天的“天鵲”80t。我們認(rèn)為，液氧甲烷火箭推進(jìn)劑 綜合優(yōu)勢突出，液氧甲烷發(fā)動機(jī)或?yàn)槊駹I火箭公司未來一致選擇。
2、火箭可回收技術(shù)是商業(yè)航天關(guān)鍵
運(yùn)載火箭的研制復(fù)雜，耗資巨大，成本問題已成為制約航天事業(yè)發(fā)展的主要因素之一。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，大幅度降低成本成為運(yùn)載火箭研制中必須重點(diǎn)考慮的問題。運(yùn)載火箭作為商業(yè)航天主要的運(yùn)載工具，降低其商用成本、滿足市場所需是運(yùn)載火箭大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵，也是構(gòu)建整個(gè)商業(yè)航天生態(tài)的基石。
有效降低火箭成本的三種途徑為：一是火箭回收與重復(fù)使用；二是垂直整合產(chǎn) 業(yè)鏈與自主研發(fā)核心技術(shù)；三是采用通用化設(shè)計(jì)，使用市場貨架產(chǎn)品。其中，火箭可回收 技術(shù)是降低成本最核心且有效的方式。
運(yùn)載工具的一次性使用是航天發(fā)射成本高昂的重要原因之一，火箭回收與重復(fù)使用有望將 發(fā)射成本降至三分之一。在搭載有效載荷飛行并最終把有效載荷送入預(yù)定軌道的過程中，運(yùn)載火箭各子級按時(shí)序分離、報(bào)廢?？芍貜?fù)使用火箭通過對發(fā)動機(jī)、箭體及其它設(shè)備的垂直回收與重復(fù)使用，能夠大幅降低發(fā)射成本。SpaceX憑借技術(shù)突破，自研掌握了火箭回收技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，于 2015 年 12 月成功回收“獵鷹 9 號”一級火箭，將“獵鷹 9 號”發(fā)射費(fèi)用降至每千克 0.62 億美元，約為同類型運(yùn)載火箭發(fā)射價(jià)格的 30%，競爭優(yōu)勢明顯。
運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用需要在火箭完成使命后，使其安全返回地面才能在檢修后再次投入使用。因此，回收方式對可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，可分為傘降回收、垂直回收及帶翼飛回三種：
傘降回收是一級火箭完成級間段分離后使用降落傘進(jìn)行回收的方式，具有技術(shù)成熟度高、運(yùn)載能力損失小（約 10%）、成功率高等優(yōu)勢，尤其能減少對地面人員設(shè)施的危害。但傘降回收對著陸地形要求高且難以控制著陸點(diǎn)，火箭落地后發(fā)動機(jī)也隨之報(bào)廢，與真正意義上的“回收利用”差距很大。采用傘降回收的代表火箭如聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（UnitedLaunch Alliance，ULA）的“火神”火箭，該火箭一級發(fā)動機(jī)結(jié)束工作完成級間分離后，使用降落傘進(jìn)行減速，由直升機(jī)在空中實(shí)現(xiàn)回收。
▲“火神”火箭 SMART 技術(shù)示意圖
垂直回收是通過重啟一級火箭發(fā)動機(jī)以減速并調(diào)整至指定地點(diǎn)的回收方式，重啟發(fā)動機(jī)需預(yù)留推進(jìn)劑，火箭運(yùn)載能力損失約 30-50%。采用垂直回收的代表火箭如 SpaceX（未上市）的“獵鷹 9 號”運(yùn)載火箭，該火箭一級火箭分離后，通過姿態(tài)控制系統(tǒng)使一級火箭倒轉(zhuǎn)，重啟發(fā)動機(jī)反推火箭進(jìn)入預(yù)定返回軌道，據(jù)報(bào)道，“獵鷹 9 號”火箭運(yùn)載能力因回收會損失運(yùn)載能力達(dá) 40%以上。
▲“獵鷹 9 號”火箭一級回收飛行剖面
帶翼飛回是一級火箭裝備機(jī)翼、起落架等結(jié)構(gòu)利用空氣動力滑翔降落的回收方式，該方式對火箭整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高，機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量等因素致使火箭運(yùn)載能力損失約 40%。采用帶翼飛回回收的典型代表是俄羅斯提出的貝加爾號有翼助推器方案，貝加爾號為第一級帶翼飛回式助推器，可飛回發(fā)射場以自動方式像飛機(jī)一樣著陸，可重復(fù)使用 100 次。
傘降回收、帶翼飛回各有限制，垂直回收可回收包括發(fā)動機(jī)在內(nèi)的核心部件，商業(yè)應(yīng)用價(jià)值最高。傘降回收方式不能改變飛行軌跡，返回過程箭體載荷環(huán)境較為惡劣，著陸精度差，對回收和復(fù)用不利，且受限于降落傘尺寸，難以滿足較大箭體的回收。帶翼飛回目前仍停留在概念設(shè)計(jì)階段，利用自身動力飛回發(fā)射場并水平著陸需要對火箭設(shè)計(jì)改動，造成結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、質(zhì)量增加，導(dǎo)致運(yùn)載能力損失較大。
而垂直回收則能夠有效改善上述問題，通過發(fā)動機(jī)多次點(diǎn)火減小飛行載荷、提高著陸精度，同時(shí)其對火箭設(shè)計(jì)的改動最小，可回收包括發(fā)動機(jī)在內(nèi)的核心部件，在三種回收方式中商業(yè)應(yīng)用價(jià)值最高，但實(shí)現(xiàn)火箭垂直回收需要攻克一系列關(guān)鍵技術(shù)問題。
2020 年 12 月，我國新一代運(yùn)載火箭長征八號首飛成功，該研制團(tuán)隊(duì)以垂直起飛和垂直降落為目標(biāo)，圍繞火箭一級回收在著陸緩沖機(jī)構(gòu)、低空低速的返回段制導(dǎo)、自主控制等回收技術(shù)領(lǐng)域做了試驗(yàn)。除了國家隊(duì)之外，我國民營火箭公司也在進(jìn)行火箭垂直回收相關(guān)實(shí)踐。
2021 年 3 月翎客航天完成了國內(nèi)首次公里級可回收火箭首次自由狀態(tài)下的 20 米低空飛行回收試驗(yàn)。2021 年 7 月，深藍(lán)航天完成了首次“蚱蜢跳”10 米級運(yùn)載火箭垂直回收飛行試驗(yàn)，10 月，該公司“星云-M”1 號試驗(yàn)箭完成了百米級垂直起飛及降落回收（VTVL）飛行試驗(yàn)，在液氧煤油火箭領(lǐng)域的成功垂直回收高度上實(shí)現(xiàn)新的突破。深藍(lán)航天投資副總裁束浩然表示，公司將于 2022 年進(jìn)行 1 公里級和 10 公里級的火箭垂直回收試驗(yàn)驗(yàn)證，如若成功將標(biāo)志著中國商業(yè)運(yùn)載火箭垂直回收進(jìn)入新的發(fā)展階段。
第二種途徑為通過垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈強(qiáng)化對產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控能力。SpaceX很早就通過收購等方式進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局，并逐漸具備了集衛(wèi)星和火箭制造、地面站建設(shè)、火箭發(fā)射和回收、衛(wèi)星運(yùn)營和服務(wù)于一身的完整產(chǎn)業(yè)鏈。航天供應(yīng)鏈?zhǔn)菑?fù)雜性水平最高的供應(yīng)鏈之一，不同于洛馬（LMT US）和波音（BA US）公司必須與 12,000 家供應(yīng)商合作才能制造火箭，SpaceX 秉持“自給自足”的原則，推行自主化的生產(chǎn)模式。
在制造方面，擁有年產(chǎn) 40 枚“獵鷹 9”火箭的能力，箭上產(chǎn)品的自產(chǎn)率高達(dá) 80%，既充分利用攪拌摩擦焊等成熟的工業(yè)技術(shù)生產(chǎn)貯箱，也利用 3D 打印等新型技術(shù)生產(chǎn)閥門；在測試方面，擁有 242 公頃的推進(jìn)及結(jié)構(gòu)測試試驗(yàn)廠房，可以隨時(shí)進(jìn)行測試，不需要租用測試設(shè)施；在發(fā)射場方面，除現(xiàn)有的三個(gè)發(fā)射工位外，還在美國境內(nèi)尋求其他的用于商業(yè)航天的發(fā)射場，不單純依賴空軍發(fā)射場，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射任務(wù)的快速周轉(zhuǎn)。
采用縱向整合、高度集成的設(shè)計(jì)模式。SpaceX 打破了以往發(fā)動機(jī)、電子設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、地面支持設(shè)備等分系統(tǒng)由不同研制單位分別承擔(dān)的模式，采用了縱向整合、高度集成的研發(fā)設(shè)計(jì)模式，，對內(nèi)縮減管理層級、對外減少產(chǎn)品外包。通過搭建了一個(gè)完整的設(shè)計(jì)平臺，優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)與生產(chǎn)無縫對接，計(jì)劃管理、工程研發(fā)和制造生產(chǎn)人員協(xié)同工作，有效縮短生產(chǎn)供應(yīng)鏈，保證研發(fā)團(tuán)隊(duì)工作效率，降低了組織管理成本。
堅(jiān)持自主研發(fā)核心技術(shù)，有利于降低火箭成本。SpaceX 獨(dú)自承擔(dān)火箭 70%以上設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造，憑借對關(guān)鍵部件和核心技術(shù)控制整條產(chǎn)業(yè)鏈，成為當(dāng)今美國商業(yè)航天領(lǐng)域“鏈主”企業(yè)。推質(zhì)比約 150 的 Merlin 發(fā)動機(jī)技術(shù)、大長細(xì)比火箭制導(dǎo)控制技術(shù)、動力故障監(jiān)測與冗余技術(shù)、箭體海上平臺垂直回收技術(shù)等均為 SpaceX 自主創(chuàng)新研制的成果，使“獵鷹 9”火箭重復(fù)使用、大幅降低火箭發(fā)射成本成為可能。
我國新一代運(yùn)載火箭正在進(jìn)行研制和首飛，固體助推捆綁、芯級捆綁、高性能大推力發(fā)動機(jī)、箭上 1553B 總線、地面測試發(fā)控系統(tǒng)一體化等先進(jìn)技術(shù)不僅有利于運(yùn)載火箭性能水平提升，還有利于運(yùn)載火箭成本降低，故而，應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)民營企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，堅(jiān)持自主研發(fā)核心技術(shù)，形成市場有效競爭力。
第三種途徑是采用通用化設(shè)計(jì)，使用市場貨架產(chǎn)品。簡化設(shè)計(jì)、平價(jià)材料替代能夠降低火箭箭體結(jié)構(gòu)成本。箭體結(jié)構(gòu)成本約占火箭總成本的25-30%，箭體結(jié)構(gòu)是火箭的主體，將火箭各系統(tǒng)組合成完整的一體。箭體結(jié)構(gòu)主要包括整流罩、級間段、儀器艙、尾段等部段，而液體運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)還包括推進(jìn)劑貯箱、箱間段等部段。
根據(jù)《運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)低成本途徑及性能影響分析》，針對火箭各級貯箱采用鋁鋰合金替換鋁合金材料，并采用光筒壁板代替銑削網(wǎng)絡(luò)加筋的簡化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行成本及性能分析，液體運(yùn)載火箭企業(yè)可選擇在火箭二三級采用鋁鋰合金替代鋁合金材料，并在一級采用簡化設(shè)計(jì)方案，可使液體運(yùn)載火箭單位運(yùn)載能力的成本下降約 2.2%。
采用通用化設(shè)計(jì)，使用市場貨架產(chǎn)品以降低火箭成本。為有效降低運(yùn)載火箭制造成本，部分企業(yè)開始采用配套產(chǎn)品通用化的設(shè)計(jì)，并大量采購市場貨架產(chǎn)品，如 SpaceX（未上市）廣泛采用配套產(chǎn)品通用化的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者在選擇零件時(shí)要盡可能尋找低成本的商業(yè)替代品，避免使用昂貴的航天級產(chǎn)品。
例如獵鷹系列火箭主力發(fā)動機(jī)的“灰背隼-1”噴注器就是阿波羅登月艙發(fā)動機(jī)上的同款產(chǎn)品，在成本控制上獨(dú)具優(yōu)勢。當(dāng)前，SpaceX 正在利用星鏈等項(xiàng)目作為試點(diǎn)，通過大量使用優(yōu)惠的市場貨架產(chǎn)品代替高昂的宇航級設(shè)備來制造火箭，實(shí)現(xiàn)配件批量化生產(chǎn)，同時(shí)大幅提高火箭發(fā)射頻率，通過規(guī)模效應(yīng)不斷攤薄火箭成本。
注重對通用成熟技術(shù)的應(yīng)用，也可降低火箭成本。鋁鋰合金共底貯箱結(jié)構(gòu)、碳纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)、攪拌摩擦焊先進(jìn)工藝等通用成熟技術(shù)的使用，造就了低成本、高水平“獵鷹9”運(yùn)載火箭。
我國航天目前研制保障條件和基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)是通過長期持續(xù)的項(xiàng)目投入積累形成，而未實(shí)現(xiàn)整個(gè)領(lǐng)域研制能力和工業(yè)技術(shù)水平的同步發(fā)展，需在材料、工藝和元器件等創(chuàng)新方面加強(qiáng)，為未來航天事業(yè)發(fā)展建立夯實(shí)的工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)。
03.八大國內(nèi)外玩家：國內(nèi)各地政策解碼
1、商業(yè)航天玩家
▲國內(nèi)外代表性商業(yè)火箭公司發(fā)展歷程
SpaceX。SpaceX 由埃隆·馬斯克（Elon Musk）于 2002 年成立，是一家美國航空航天制造商、太空運(yùn)輸服務(wù)提供商，主營業(yè)務(wù)為火箭發(fā)動機(jī)、航天飛船、火箭與衛(wèi)星的研制及提供發(fā)射服務(wù)。產(chǎn)品包括獵鷹 9 號和獵鷹重型運(yùn)載火箭、梅林（Merlin1D）及猛禽（Raptor）火箭發(fā)動機(jī)、貨運(yùn)龍、載人飛船和 Starlink 通信衛(wèi)星。SpaceX 目標(biāo)是降低太空運(yùn)輸成本以實(shí)現(xiàn)火星殖民化，其最大特色與創(chuàng)新之處在于實(shí)現(xiàn)火箭的可回收與可復(fù)用，并極大降低發(fā)射成本。
Blue Origin。Blue Origin 由亞馬遜公司創(chuàng)始人杰夫·貝佐斯（Jeff Bezos）于 2000 年創(chuàng)立，是一家美國航空航天制造商和亞軌道航天服務(wù)公司，旨在通過可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭以更便宜、更可靠的方式進(jìn)入太空。公司主要產(chǎn)品包括亞軌道火箭（New Shepard）、火箭（NewGlenn）及火箭發(fā)動機(jī)（BE-4）。目前公司正在研制推力更大的 New Glenn 運(yùn)載火箭，并與歐洲通信衛(wèi)星公司等簽署了多項(xiàng)商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射合同。
Rocket Lab。Rocket Lab 在 2006 年成立于新西蘭，2013 年公司注冊地及總部改至美國，是一家美國上市的航空航天制造商和小型衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)提供商。目前，公司擁有小型運(yùn)載火箭 Electron，于 2017 年實(shí)現(xiàn)首飛，2018 至 2020 年分別完成 3、6、7 次發(fā)射任務(wù)。除此之外，公司正在開發(fā)一種名為 Neutron 的新型中型運(yùn)載火箭。根據(jù)官網(wǎng)披露，下游客戶除了商業(yè)衛(wèi)星公司之外，還包括美國 NASA、NRO、DARPA 等機(jī)構(gòu)。
Virgin Orbit 。Virgin Group（維珍集團(tuán)）旗下專注小型火箭的 Virgin Orbit，該公司于 2017 年從 VirginGalactic（SPCE US）分離出來，專注于開發(fā)自己的商業(yè)運(yùn)載火箭 LauncherOne，為小型衛(wèi)星提供發(fā)射服務(wù)。2021 年 1 月 17 日，運(yùn)載火箭 LauncherOne 成功發(fā)射入軌，并部署了 10 顆立方體衛(wèi)星。
星際榮耀。星際榮耀成立于 2016 年 10 月，致力于研發(fā)優(yōu)秀的商業(yè)運(yùn)載火箭并提供系統(tǒng)性的發(fā)射解決方案。根據(jù)官網(wǎng)，公司專注于高品質(zhì)、低成本、快響應(yīng)的小型智能運(yùn)載火箭研發(fā)，為全球小衛(wèi)星及星座客戶提供一體化的商業(yè)發(fā)射服務(wù)。
藍(lán)箭航天。藍(lán)箭航天是國內(nèi)領(lǐng)先的航天運(yùn)輸系統(tǒng)創(chuàng)建及運(yùn)營的商業(yè)公司，成立于 2015 年，國家高新技術(shù)企業(yè)，國際宇航聯(lián)合會（IAF）會員。藍(lán)箭航天致力于研制以液氧甲烷作為推進(jìn)劑的中大型運(yùn)載火箭系列產(chǎn)品，為全球市場提供高性價(jià)比、高可靠性的發(fā)射服務(wù)。藍(lán)箭航天是全國首家取得全部準(zhǔn)入資質(zhì)的民營運(yùn)載火箭企業(yè)，并于 2018 年 10 月 27 日完成中國首次民營運(yùn)載火箭發(fā)射。
星河動力。星河動力成立于 2018 年，從事低成本商業(yè)航天發(fā)射業(yè)務(wù)，發(fā)布“谷神星”“智神星”兩型商業(yè)運(yùn)載火箭研制計(jì)劃，致力于為人類低成本、高頻次進(jìn)入空間提供解決方案。公司核心產(chǎn)品及服務(wù)包括“谷神星”系列小型固體運(yùn)載火箭、“智神星”系列中型液體運(yùn)載火箭、“光年”系列固體火箭發(fā)動機(jī)、“蒼穹”系列液體火箭發(fā)動機(jī)和姿控動力裝置等。
科工火箭?？乒せ鸺呛教炜乒ぜ瘓F(tuán)為發(fā)展商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)而成立的國內(nèi)專業(yè)提供商業(yè)航天發(fā)射服務(wù)的公司，面向商業(yè)航天發(fā)射市場推出了快舟系列運(yùn)載火箭。主營業(yè)務(wù)包括運(yùn)載火箭及航天器研發(fā)制造、國際和國內(nèi)商業(yè)發(fā)射服務(wù)等。公司按照資本、市場、技術(shù)深度融合的思路，加快快舟系列運(yùn)載火箭型譜建設(shè)，將在未來幾年形成 200 公斤至 20 噸的發(fā)射服務(wù)能力。
2、各地政策解析
海南?。簝?yōu)化商業(yè)航天市場準(zhǔn)入環(huán)境，發(fā)力建設(shè)航天城 。2021 年 11 月 18 日，海南省政府辦公廳印發(fā)《海南省金融業(yè) " 十四五 " 發(fā)展規(guī)劃》。該《規(guī)劃》提出，優(yōu)化海南省商業(yè)航天領(lǐng)域市場準(zhǔn)入環(huán)境，設(shè)立由社會資本出資、市場化運(yùn)作的商業(yè)航天發(fā)展混合所有制改革基金。同時(shí)，鼓勵(lì)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在依法合規(guī)、風(fēng)險(xiǎn)可控的前提下，開展航天領(lǐng)域相關(guān)保險(xiǎn)業(yè)務(wù)。
廣東：國內(nèi)首個(gè)全產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)基地在南沙開建 。2021 年 12 月 9 日，中科宇航（未上市）表示，當(dāng)前該企業(yè)正在廣州南沙建設(shè)中科空天產(chǎn)業(yè)基地，完全建成后可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn) 30 發(fā)運(yùn)載火箭，將成為國內(nèi)首個(gè)全產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)基地。廣東目前已經(jīng)集聚了一大批衛(wèi)星應(yīng)用機(jī)構(gòu)和企業(yè)，在商業(yè)航天方面正逐漸形成產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)。
山東：多個(gè)商業(yè)航天項(xiàng)目在煙臺、青島落地 。2021 年 12 月 10 日，多個(gè)商業(yè)航天項(xiàng)目在山東煙臺、青島落地。九天行歌火箭推進(jìn)劑貯箱生產(chǎn)基地、東方空間“引力一號”運(yùn)載火箭 AIT 中心、星河動力商業(yè)固體運(yùn)載火箭創(chuàng)新研發(fā)制造基地三個(gè)商業(yè)航天項(xiàng)目在煙臺東方航天港啟動開工。煙臺的九天行歌火箭貯箱產(chǎn)業(yè)基地項(xiàng)目規(guī)劃總投資 8 億元。按照規(guī)劃，公司計(jì)劃于 2022 年 8 月之前完成小規(guī)模生產(chǎn)能力建設(shè)，到 2024 年 6 月正式達(dá)產(chǎn)。
同日，國電高科天啟衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目簽約儀式在青島西海岸新區(qū)古鎮(zhèn)口核心區(qū)舉行，我國首個(gè)低軌物聯(lián)網(wǎng)星座落戶古鎮(zhèn)口。青島的天啟衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目主要建設(shè)天啟星座東北亞運(yùn)營中心、衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)終端批量生產(chǎn)制造基地，并引進(jìn)上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)。據(jù)了解，天啟星座由 38 顆低軌衛(wèi)星組成，目前已發(fā)射 15 顆衛(wèi)星，計(jì)劃于 2022 年全部部署完成。
四川、福建：積極推動衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展 。2021 年 12 月 10 日，四川省智能衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新中心（研發(fā)總部）正式啟用。該中心由國星宇航牽頭，聯(lián)合電子科大、電科互聯(lián)網(wǎng)+產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院、成都電科投資、國高成果創(chuàng)業(yè)投資有限公司組建，將圍繞“AI 衛(wèi)星星座”“衛(wèi)星+新能源”等示范試點(diǎn)工程展開。2021 年 12 月初，總投 11 億的達(dá)華衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)園在福建福州全面封頂。該項(xiàng)目總建筑面積約 5 萬平方米，建成后將依托高通量衛(wèi)星及星軌資源，融合大數(shù)據(jù)、智慧海洋和海洋經(jīng)濟(jì)運(yùn)營為一體打造“海聯(lián)網(wǎng)”工程。
北京市：發(fā)布支持衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干措施 。2021 年 12 月 11 日，《北京市支持衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干措施》對外發(fā)布，提出圍繞商業(yè)液體火箭、商業(yè)衛(wèi)星、地面終端設(shè)備、核心軟硬件研制，系統(tǒng)運(yùn)控、運(yùn)營服務(wù)等衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和北斗產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)攻關(guān)，激發(fā)企業(yè)創(chuàng)新活力，助力“兩區(qū)”建設(shè)。在 26 項(xiàng)任務(wù)中，責(zé)任單位涉及北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的達(dá) 14 項(xiàng)之多。對符合條件的衛(wèi)星企業(yè)，可給予研發(fā)費(fèi)用 50%的資金支持。
北京大興區(qū)在 2021 年 12 月 14 日宣布，將圍繞商業(yè)火箭研發(fā)、關(guān)鍵零部件、系統(tǒng)集成、衛(wèi)星運(yùn)營及應(yīng)用服務(wù)等領(lǐng)域建設(shè)總面積 641 畝的北京商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)基地。為此，大興區(qū)提出千億元的產(chǎn)業(yè)目標(biāo)：到 2025 年，基地將完成總體建設(shè)。到 2030 年，全面完成基地建設(shè)。到 2035 年，建成國際知名航天基地，全產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模力爭超過 2000 億元。
智東西認(rèn)為，過去一年，中國航天在載人航天、深空探測領(lǐng)域取得突破的同時(shí)，商業(yè)航天也在小型固體火箭、衛(wèi)星星座等領(lǐng)域發(fā)力，助推航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展。然而，與美國、歐洲相比，中國商業(yè)航天的發(fā)展仍處于初級階段。展望未來，中國商業(yè)航天的發(fā)展既面臨新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機(jī)遇，又面臨愈加激烈的國際競爭環(huán)境，以及政策、人才、技術(shù)、資金等要素支撐不足等問題的挑戰(zhàn)。