關于發(fā)展商業(yè)小火箭的幾點思考

劉佳佳，嚴寶峰，畢永濤，布向偉，宋永生

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076）

0 引言

2006—2015年的10年間，全球共發(fā)射了780顆微小衛(wèi)星，市場總額達125億美元；而2016—2025年，全球?qū)l(fā)射約3600顆微小衛(wèi)星，其中2／3為小衛(wèi)星星座，市場總額將達220億美元。為搶占軌道、頻段及牌照資源，國內(nèi)外商業(yè)衛(wèi)星公司及星座發(fā)射計劃層出不窮，如OneWeb計劃通過小衛(wèi)星提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)服務，SpaceX公司也推出了萬顆級小衛(wèi)星星座計劃。國內(nèi)方面，近10年國家從政策上逐步放開了衛(wèi)星制造、應用權限，民營企業(yè)進入航天領域熱情高漲，國內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星公司組網(wǎng)服務計劃紛紛出臺，微小衛(wèi)星研制部門激增，國內(nèi)商業(yè)小衛(wèi)星發(fā)射需求逐年增長［1］。

在小衛(wèi)星蓬勃發(fā)展的同時，國際上也掀起一股商業(yè)小火箭發(fā)展的熱潮［2］，商業(yè)小火箭是以執(zhí)行商業(yè)發(fā)射任務為目標，運載能力1000kg及以下的運載火箭。從以米諾陶、艾普西隆、CZ－11等為代表的主流運載工具，到部分初創(chuàng)公司推出的概念型商業(yè)小火箭，均瞄準廣闊的商業(yè)發(fā)射市場，力求為新時代背景下的航天產(chǎn)業(yè)提供更好的服務，然而在發(fā)展的不斷探索中也存在一些爭議性問題。本文旨在通過分析和思考當前商業(yè)小火箭發(fā)展中面臨的問題，給出我國商業(yè)小火箭發(fā)展的建議，為其更好的發(fā)展提供新的思路。

1 商業(yè)小火箭的技術特點

1．1 國外商業(yè)小火箭的發(fā)展

隨著小衛(wèi)星市場的蓬勃發(fā)展及科技的不斷進步，商業(yè)小火箭市場迎來了許多投資者和參與者。從國際范圍看，眾多新興公司或具有一定經(jīng)濟基礎的跨界企業(yè)都瞄準了小衛(wèi)星發(fā)射市場，針對低軌1000kg以下的運載能力已推出或即將推出各類商業(yè)小型運載火箭。據(jù)統(tǒng)計，全球正在開展商業(yè)小火箭研制的公司接近20家，其中部分火箭已經(jīng)完成了首飛或多次發(fā)射；部分火箭完成了設計與生產(chǎn)，即將進行飛行試驗；還有部分公司在探空火箭或運載火箭相關技術基礎上，已經(jīng)完成了某些關鍵部件的研制；另外還有一些公司暫時只停留在方案設計階段［3］。

目前已經(jīng)實現(xiàn)發(fā)射的國際商業(yè)小火箭包括美國的法爾肯 （獵鷹）－1、金牛座、米諾陶－1、飛馬座XL、超級斯迪比、電子號，俄羅斯的起跑號，日本的艾普西隆、SS－520－4等［4］；尚未進行飛行試驗的商業(yè)小火箭包括美國的運載器一號、阿爾法、空中發(fā)射輔助航天運輸系統(tǒng)［5］、前進發(fā)射者，西班牙的藍星、亞里安1、亞里安2等。國外小火箭的基本情況如表1和圖1所示。

表1 國外主要商業(yè)小型火箭基本情況表Tab．1 Foreign major small commercial launch vehicles

圖1 國外的小型商業(yè)火箭 （電子號、艾普西隆、超級斯迪比）Fig．1 Foreign small commercial launch vehicles（Electron、Epsilon、Super strypi）

1．2 國外小火箭商業(yè)發(fā)展的技術途徑

為了向衛(wèi)星運營商提供諸多特色服務，迅速占領市場，國外的研制商均結(jié)合自身的技術優(yōu)勢，打造具有明顯自身技術特點的低成本商業(yè)小火箭。商業(yè)小火箭最關鍵的是要性價比高，國外小火箭商業(yè)價格的目標正在從3萬～5萬美元／kg降至1萬美元／kg。實現(xiàn)高性價比離不開合理的技術途徑。目前，國外小火箭商業(yè)化及低成本發(fā)展的技術途徑主要有以下兩個方面：

（1）注重通用化和模塊化設計

電子號火箭各級電氣系統(tǒng)均采用了模塊化硬件結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場可編程門陣列及實時系統(tǒng)技術增強運載系統(tǒng)適應性，只需對其編程就可以完成不同的功能定制，可以大幅減少硬件改動，縮短生產(chǎn)制造周期。在達到較為理想的響應速度和高可靠性的同時，電氣系統(tǒng)質(zhì)量僅為8．6kg。動力系統(tǒng)采用通用化、模塊化的設計理念，火箭共采用10臺盧瑟福液氧／煤油發(fā)動機，其中一級采用的9臺盧瑟福發(fā)動機完全相同，二級采用真空型盧瑟福發(fā)動機，換裝大擴張比噴管［5］，這與采用多臺同等狀態(tài)發(fā)動機并聯(lián)的SpaceX不謀而合：均利用自身成熟的技術優(yōu)勢，將效能發(fā)揮到最大，降低成本。

此外，日本的艾普西隆火箭也對重要部件進行通用化設計。火箭一級使用了用于H－ⅡA和H－ⅡB運載火箭固體助推的SRB－A發(fā)動機產(chǎn)品，二、三級使用了經(jīng)歷過M－V運載火箭飛行的、成熟的發(fā)動機產(chǎn)品。另外，目前日本正在研發(fā)用于替代H－ⅡA／H－ⅡB火箭的 H－Ⅲ，計劃將 H－Ⅲ火箭固體助推器SRB－3用于未來的艾普西隆構(gòu)型的一子級，有助于通過通用化降低成本，進一步提升競爭力。火箭發(fā)射使用的是經(jīng)過改造的M－V運載火箭發(fā)射裝置。可以看出：通用化、模塊化是降低火箭成本、提高可靠性的有效途徑，同時也可以加快火箭的研制進度，縮減研制成本等［6］。

（2）大膽使用新技術、新材料

艾普西隆火箭在發(fā)射控制方面進行了多項創(chuàng)新，具有高度智能的自主檢測系統(tǒng)及發(fā)射控制系統(tǒng)。箭上計算機可在射前對箭上各系統(tǒng)的狀態(tài)進行自主監(jiān)控、故障診斷，并實施故障隔離及恢復，甚至包括箭上點火系統(tǒng)的檢查。在發(fā)射控制過程中，僅需要配備便攜式電腦的少量操作人員，通過因特網(wǎng)，可以在世界的任何一個地方利用一臺便攜式計算機方便地檢查和控制火箭發(fā)射，未來發(fā)射場可不再設置發(fā)射控制系統(tǒng)。

電子號火箭所使用的盧瑟福發(fā)動機，主要部件均采用3D打印制造，每臺發(fā)動機的再生冷卻燃燒室、噴注器、泵和主推進劑閥門等最快可在24h內(nèi)完成打印，便于發(fā)動機低成本、快速和批量制造；火箭整流罩采用碳纖維復合材料，總質(zhì)量只有30kg，新技術、新材料的大膽使用帶來了實實在在的效益 （圖2）。高度智能的自主檢測系統(tǒng)及發(fā)射控制系統(tǒng)的利用提升了火箭的快速響應能力，大大縮短火箭射前準備時間；碳纖維整流罩的使用提高了運載效率；3D打印的規(guī)?；瘧靡约昂喕瘻y發(fā)控流程等顯著降低了發(fā)射成本。

圖2 電子號小火箭的單臺發(fā)動機和復合材料整流罩Fig．2 The single propulsion and composite fairing of Electron small launch vehicles

1．3 小結(jié)

目前，國外主要低成本商業(yè)小火箭的研制大多秉承簡潔、高效、不拘一格的理念，力求在設計、生產(chǎn)、測控、發(fā)射準備等各個環(huán)節(jié)降低發(fā)射服務成本，火箭方案針對性較強，發(fā)射方式多種多樣，包括地基發(fā)射場發(fā)射、機載發(fā)射、氣球類浮空器懸吊投放發(fā)射、滑軌傾斜發(fā)射等，能夠向衛(wèi)星運營商提供專享發(fā)射服務?；鸺募夹g方案也具有諸多創(chuàng)新亮點，包括火箭發(fā)射準備時間短、發(fā)射頻率高、快速響應能力強、可以自行安排發(fā)射時間、優(yōu)化發(fā)射軌道，衛(wèi)星設計擁有更多的自主權、發(fā)射進度風險小，可提供更為靈活和經(jīng)濟的發(fā)射方式，使其不再受到搭載發(fā)射的各種限制等，逐漸在國際商業(yè)火箭市場展現(xiàn)出強勁的競爭力。

此外，商業(yè)小火箭通過提高產(chǎn)品化率、批量生產(chǎn)、簡化發(fā)射、測控支持等，能夠有效降低發(fā)射成本，適合批量發(fā)射小衛(wèi)星一類有效載荷，進而推動小衛(wèi)星的成規(guī)模應用，促進衛(wèi)星及地面應用相關技術的發(fā)展?？商峁?“太空班車”甚至是“招手即來”的Taxi服務，衛(wèi)星可隨時 “上車”發(fā)射，便于靈活組網(wǎng)和補網(wǎng)，大大提高了衛(wèi)星快速在軌服務能力，滿足小衛(wèi)星應用需求。

2 關于商業(yè)小火箭的幾點思考

小衛(wèi)星市場帶動了國外各型商業(yè)小火箭的蓬勃發(fā)展，但是其發(fā)射及應用并非一帆風順：美國超級斯迪比小型運載火箭首飛失?。?］，新西蘭的電子號運載火箭首飛未能將有效載荷送入預定軌道［8］，日本 SS－520－4小型火箭首飛失?。?］。上 述各型商業(yè)小火箭飛行失敗也引發(fā)了關于商業(yè)小火箭發(fā)展的思考：商業(yè)小火箭所服務的商業(yè)航天，和軍事航天、國家航天一樣，可靠性、安全性是永恒的主題，商業(yè)小火箭更應該在性能、可靠性、安全性、技術成熟度、成本和市場需求之間找出一個最佳平衡。

2．1 火箭能力與任務需求的匹配性

綜合市場需求，小衛(wèi)星星座的發(fā)射將是未來商業(yè)小火箭的主流業(yè)務 （也可作為新技術演示驗證平臺）。從降低發(fā)射成本的角度，在開展商業(yè)小火箭的研制時，研發(fā)具有適度運載能力、具備一箭多星發(fā)射能力的小火箭是必要的，但是一味追求火箭的運載能力，或者在創(chuàng)立初期就提出 “一步到位”的較大運載能力指標，將會使研發(fā)方偏離一型商用火箭的既定目標，而在以目標為牽引的大背景下，不合理目標決策將會直接影響工程結(jié)果。運載火箭研制屬較為復雜的系統(tǒng)工程，火箭能力越大，意味著火箭規(guī)模越大，大規(guī)模的火箭需要與之匹配的動力系統(tǒng)和良好的結(jié)構(gòu)效率，同時需要一定規(guī)模的地面發(fā)射支持設備，上述因素都會導致商業(yè)火箭的研發(fā)成本和技術難度隨規(guī)模變化而增長。從能用、夠用的角度，面向市場需求，明確適度的運載能力 “小目標”，積累研發(fā)經(jīng)驗和市場經(jīng)驗，對商業(yè)小火箭的發(fā)展和運營至關重要。

2．2 研發(fā)周期與方案設計的匹配性

在商業(yè)小火箭領域，“一年完成方案設計，兩年完成火箭生產(chǎn)，三年投入商業(yè)服務”的概念并不科學。縱觀國內(nèi)外小型運載火箭的發(fā)展，即便是繼承了成熟的技術和產(chǎn)品，美國的米諾陶火箭也用了5年以上的時間來完成研制，更不用說一型全新研制的商業(yè)小火箭，從設計構(gòu)型到動力系統(tǒng)實現(xiàn)，以及關鍵技術突破都需要過程和技術積累，特別是一款小型液體發(fā)動機的研發(fā)周期一般都在8年以上。盡管可以在傳統(tǒng)火箭的研制流程基礎上進行合并和優(yōu)化，但是為了驗證方案正確性、產(chǎn)品可靠性、系統(tǒng)匹配性的設計和試驗類項目必須嚴格按照相關標準或規(guī)范開展。如果不遵循基本設計流程，盲目地縮短研發(fā)周期，那么將會在技術風險和產(chǎn)品風險上埋下隱患；因此需要考慮研發(fā)周期與方案設計的匹配性，合理地將研發(fā)目標分階段實施，設立工程關鍵節(jié)點，分步驟地完成既定的研制計劃。

2．3 借用產(chǎn)品與使用條件的匹配性

盡管目前市場上能夠采購到較為成熟的部分小火箭配套產(chǎn)品，尤其是電氣產(chǎn)品，如慣性器件、導航接收機等，但無法通過大量產(chǎn)品借用、組合的方式輕易組合成一款商業(yè)小火箭。因為借用產(chǎn)品盡管具有產(chǎn)品狀態(tài)穩(wěn)定、技術成熟、可靠性高等特點，但其繼承和借用必須經(jīng)過嚴格的技術適應性分析、風險評估，甚至補充試驗，否則就會引入新的風險。主要原因有以下幾個方面：一是使用剖面的變化，二是飛行環(huán)境的變化，三是綜合匹配的變化。比如在某型火箭的研制中，先后對標借用產(chǎn)品的功能及性能參數(shù)要求，梳理了之前所開展的各類試驗，進行閉環(huán)確認，同時針對各類地面使用環(huán)境和飛行環(huán)境開展復查、確認，閉環(huán)力學環(huán)境、熱環(huán)境和地面使用環(huán)境等指標，在新的使用環(huán)境下某些技術指標設計裕度超出范圍時，補充進行了存在使用剖面差異的地面試驗。因此借用產(chǎn)品后需要充分考慮與使用環(huán)境的匹配性，進行大量的適應性分析與驗證工作。

2．4 經(jīng)濟效益與風險管控的匹配性

航天發(fā)射為高風險行業(yè)，每一次發(fā)射對于小衛(wèi)星，尤其是小衛(wèi)星的初創(chuàng)公司都是里程碑事件，必須在風險投入和效益中找到平衡。在短期內(nèi)達到商業(yè)航天預期的收益和盈利，實現(xiàn)商業(yè)小火箭公司的理想目標并不容易。從新型商業(yè)小火箭不斷開展飛行試驗，到可重復使用運載器技術通過多次飛行試驗取得不斷突破，都在傳遞一個較為樸素的觀點：商業(yè)航天運營不能急于產(chǎn)生效益，必須腳踏實地地按照航天系統(tǒng)工程的研制規(guī)律開展。商業(yè)小火箭的效益和火箭的可靠性、成熟度密切相關，哪怕一次發(fā)射任務的失敗，對于商業(yè)小火箭的商業(yè)運營都是嚴重的打擊。從當前的研制規(guī)律看，開展故障分析和制定有效的解決措施，不論是進度上還是經(jīng)費上的投入都將大大超過預期的效益，如超級斯迪比、SS－520－4和電子號火箭首飛失敗后，很長一段時間內(nèi)都沒有能夠給出故障調(diào)查報告，更不用說之前預期產(chǎn)生的商業(yè)效益了。

3 國內(nèi)商業(yè)小火箭生態(tài)圈發(fā)展展望

3．1 成熟可靠，確保商業(yè)發(fā)射成功率

運載火箭及其發(fā)射載荷價值較高，衛(wèi)星公司后續(xù)的盈利和產(chǎn)業(yè)增長均基于其能夠順利發(fā)射、準確進入預定軌道；因此，發(fā)射成功率和技術成熟度是商業(yè)發(fā)射服務市場在選擇運載工具時所考慮的首要因素。這就需要運載火箭研制單位在航天運載器領域具有深厚的技術基礎、制造基礎，具有完備的研制程序、質(zhì)量管控體系，才能有效保證產(chǎn)品設計和制造質(zhì)量。同時，在允許的范圍內(nèi)，應盡可能采用技術成熟度較高的產(chǎn)品，尤其是經(jīng)過其他平臺飛行的、且經(jīng)分析和驗證后可用于商業(yè)小火箭的產(chǎn)品。成熟可靠，永遠是商業(yè)小火箭具有市場競爭力的根本。

3．2 立足通用，適應商業(yè)發(fā)射差異化需求

商業(yè)發(fā)射需求差異化較大，通用性設計決定了固體運載火箭商業(yè)發(fā)射市場的廣度。因此商業(yè)小火箭必須使用靈活，以滿足各類小衛(wèi)星的發(fā)射需求，上述保障的核心在于立足通用接口設計。

1）需具有標準化星箭接口?？筛鶕?jù)衛(wèi)星需求提供包帶、點式連接、立方星釋放機構(gòu)、輕型包帶等多種機械接口。

2）需具有較好的多星發(fā)射適應能力，可提供多路不同類型的衛(wèi)星解鎖釋放信號。

3）火箭的彈道規(guī)劃等軟件設計可適應不同軌道、不同有效載荷質(zhì)量、不同發(fā)射平臺等各類任務需求。

3．3 降低成本，推動商業(yè)航天平民化

發(fā)射成本是商業(yè)發(fā)射非常敏感的要素，隨著技術進步及商業(yè)航天市場化發(fā)展，各商業(yè)火箭公司需不斷創(chuàng)新、變革，通過技術手段降低發(fā)射成本，以推動商業(yè)航天平民化應用。一般來說，可采取以下措施：

1）集成化、產(chǎn)品化、模塊化設計，簡化系統(tǒng)，從設計源頭降成本。

2）生產(chǎn)設施共用，成熟部件通用，通過規(guī)模化生產(chǎn)，降低火箭生產(chǎn)成本。

3）簡化發(fā)射場流程，減少發(fā)射場工作人員及保障設施，縮短發(fā)射準備時間，從而降低發(fā)射場操作時間、人力及保障成本。

4）深化可靠性增長和質(zhì)量管控工作，降低發(fā)射風險控制成本。

3．4 自主靈活，創(chuàng)造更多商業(yè)發(fā)射機會

目前，發(fā)射場和測控資源主要用來保障國家重大工程任務，國內(nèi)商業(yè)發(fā)射機會并不能滿足當前商業(yè)小衛(wèi)星市場蓬勃發(fā)展的趨勢。商業(yè)小火箭必須充分發(fā)揮自身特點，突破相關技術瓶頸，不斷降低對現(xiàn)有發(fā)射場和測控體系的依賴，為小衛(wèi)星商業(yè)發(fā)射創(chuàng)造更多機會。

1）需要高度自主，降低保障條件要求，利于組網(wǎng)應用時連續(xù)高密度發(fā)射。通過預存儲技術、自主轉(zhuǎn)運和衛(wèi)星環(huán)境自主保障技術等，降低發(fā)射場相關保障條件；弱化對發(fā)射工位的依賴，實現(xiàn)多發(fā)連續(xù)高密度發(fā)射。

2）需要規(guī)?；a(chǎn)，使用靈活?；谡尜A技術與高可靠性，商業(yè)小火箭可實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)、滾動備份，推動航天發(fā)射從定制模式走向“招手即來”的Taxi模式。

4 我國商業(yè)小火箭發(fā)展建議

商業(yè)航天應該是航天的心態(tài)，商業(yè)的手法；不應是商業(yè)的心態(tài)，航天的手法，商業(yè)小火箭的發(fā)展亦是如此。商業(yè)小火箭發(fā)射服務市場目前正在逐步納入國家戰(zhàn)略實施框架，需要在規(guī)范的框架內(nèi)加以引導，避免重復建設、資源浪費［10］。此外，國家經(jīng)濟社會發(fā)展總體戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，是建立商業(yè)小火箭良性發(fā)展前景的基本保證，新型商業(yè)小火箭屬戰(zhàn)略性布局產(chǎn)業(yè)，投入巨大，對可靠性和飛行安全性的要求與軍事航天和國家航天相同，無論是直接支撐國民經(jīng)濟和社會發(fā)展，還是通過技術轉(zhuǎn)移、二次應用服務于其他行業(yè)，都需要在一定框架下實施。

商業(yè)小火箭除了政策引導的必要性之外，系統(tǒng)設計和運營的協(xié)調(diào)性也必須在發(fā)展過程中予以足夠的重視。小衛(wèi)星的商業(yè)發(fā)射服務屬系統(tǒng)工程，在發(fā)射場選址及建設、落區(qū)選擇、測控方案設計等方面都需要在商業(yè)小火箭研制初期統(tǒng)籌考慮，融資、研發(fā)、承攬發(fā)射服務、開拓市場等也應多維度協(xié)調(diào)，才能實現(xiàn)與衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的共進發(fā)展，打造我國商業(yè)小火箭的良性生態(tài)圈。