航空企業(yè)能否代工航天發(fā)動機？
——航天技術(shù)應(yīng)用系列探討專題（3）

+劉雨霏（航天加工程技術(shù)研究院常務(wù)副院長）

人類的航天活動越來越活躍，根據(jù)“研究與市場”咨詢公司年初的一份報告，到2027年，全球平均每年要發(fā)射330顆超過50千克的衛(wèi)星。另據(jù)國內(nèi)專家的預(yù)測，隨著地月經(jīng)濟的開發(fā)，人類在2050年前可能會實現(xiàn)每年發(fā)射超過10萬噸物體進入太空。這對于商業(yè)發(fā)射來說是一個好消息，更是沖鋒的號角。隨之而來的問題是，火箭工廠的建設(shè)不是一朝一夕的事情，哪怕是服務(wù)于2030～2040年的火箭，產(chǎn)能問題也迫在眉睫。

彼得·貝克的3D打印發(fā)動機

必須指出，在涉及火箭的各種產(chǎn)能問題當中，發(fā)動機排在第一位。NASA曾經(jīng)公開贊揚馬斯克，說他在加利福尼亞州的火箭工廠“地板上擺滿了發(fā)動機”，這意味著馬斯克可以隨時拿出足夠的獵鷹九號火箭來滿足需求，不但可以用來履行國際空間站商業(yè)貨運合同，也能在其他發(fā)射服務(wù)商陷入困境的時候擔當替補，保證用戶的進度。

火箭發(fā)動機是人類諸多工業(yè)品中最復(fù)雜的一種。為了能設(shè)計制造出合格的發(fā)動機，工程師們絞盡腦汁。《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》公眾號發(fā)布的文章《火箭實驗室展示火箭制造機器人羅西》一文引發(fā)了讀者的熱烈討論。用機器人來解決火箭制造中的諸多工藝問題，顯然是正確的途徑。但這篇文章中還沒有討論發(fā)動機的制造。我們都知道，火箭是復(fù)雜的機械，除了用碳纖維制造殼體之外，最重要的大部件就是發(fā)動機了。

火箭實驗室公司創(chuàng)始人、CEO彼得·貝克的想法，是用3D打印來解決問題。這也成為相當多中國商業(yè)發(fā)射創(chuàng)業(yè)者們的選擇。3D打印當然是先進有效的技術(shù)，但并不是萬能的。同時，在一定的發(fā)展時間內(nèi)，3D打印所能制造的部件尺寸還是相當有限的。貝克為“電子”火箭設(shè)計的“盧瑟?！卑l(fā)動機直徑只有20厘米，推力只有24千牛。所以即使在尺寸極為袖珍的“電子”火箭一級上，也要采用9臺發(fā)動機；它的第二級使用1臺“盧瑟?！?，第三級使用一臺更小型的“居里”發(fā)動機。

為了爭取美國軍方市場，貝克把公司總部搬到了美國，并且在美國建立了新的生產(chǎn)基地。他在接受媒體采訪時表示，設(shè)在美國的生產(chǎn)基地“買了越來越多的3D打印機”，期望能在2020年實現(xiàn)年產(chǎn)200臺發(fā)動機，可以支撐20次左右的發(fā)射。

“盧瑟?！卑l(fā)動機

我國的商業(yè)發(fā)射公司能不能這樣做？

貝克并沒有公布，他是從哪個制造商那里采購3D打印機的。但是可想而知，這種可以生產(chǎn)宇航級產(chǎn)品的打印機，幾乎一定被寫在了西方對華高技術(shù)禁運的名單上，而國內(nèi)企業(yè)短期內(nèi)還不能供貨。這還不是最重要的問題，在2019年的北京航展上，我們見到了好幾家企業(yè)展出了原尺寸的液氧甲烷發(fā)動機模型，都要比貝克的“盧瑟?！贝蟮枚?，需要更大型、更昂貴的3D打印設(shè)備，以及更長的時間和更多的資金來摸索生產(chǎn)工藝。

為了解決類似的問題，一家叫做“相對論航天”的美國火箭創(chuàng)業(yè)公司采取了更加激進的方式，他們自行研制了一臺叫做“星門”的巨型金屬3D打印機，打算用它來打印一枚完整的小型火箭?！靶情T”的技術(shù)相當復(fù)雜，這顯然不是中國商業(yè)航天企業(yè)目前能夠效仿的。而且“星門”的制造能力還是比較有限，其打算制造的“地球人”（TERRAN）火箭只能把900千克載荷運送到500千米高的太陽同步軌道上。

實際上，太空探索技術(shù)公司和藍色起源公司作為大型火箭制造商，只不過使用3D打印來制造一小部分復(fù)雜部件或是小尺寸的發(fā)動機，大型發(fā)動機上的多數(shù)部件還是用傳統(tǒng)工藝制造。

那么，作為一個制造大國，我們的商業(yè)火箭公司是不是可以有其他的選擇？

要破局，就得膽大

熟悉工業(yè)生產(chǎn)的人都知道，無論什么產(chǎn)品，在實驗室里試制出來是一碼事，在流水線上大規(guī)模生產(chǎn)是另外一碼事。具體到火箭發(fā)動機，設(shè)計者們可以用小型設(shè)備、3D打印機甚至手工來制造，只要能滿足試車需求就可以了。但是要進入流水線生產(chǎn)，就必須解決工藝、工裝、標準、進度和質(zhì)量控制等多方面的問題。

而我國的國有航天企業(yè)是在本世紀初才基本解決火箭和發(fā)動機從試制向批產(chǎn)過渡的問題。如果我們回顧年度發(fā)射數(shù)據(jù)，會發(fā)現(xiàn)在整個90年代，年發(fā)射次數(shù)最多只有6次。2000、2001和2002年的發(fā)射也很少，但是從2003年開始，航天發(fā)射次數(shù)開始增加，從2007年開始突破10次，2010年突破15次，此后每年都保持在10次以上；2016年突破了20次。這些發(fā)射多數(shù)用長征二、三、四系列來實施，每次發(fā)射都要用掉大量火箭發(fā)動機，多則12臺（長征三號乙），少則6臺（長征二號?。?。這樣大量的發(fā)動機消耗，是航天科技集團有關(guān)單位實施大規(guī)模技術(shù)改造和流程再造，成功地把發(fā)動機制造從試制模式轉(zhuǎn)向批產(chǎn)模式的結(jié)果，前后歷經(jīng)10多年，才把產(chǎn)能穩(wěn)定下來，國家為此投入了天文數(shù)字的經(jīng)費。

商業(yè)火箭企業(yè)不可能得到這么多的經(jīng)費和時間，來復(fù)制國有航天企業(yè)的產(chǎn)能增長模式。目前，外界已知的商業(yè)火箭公司已經(jīng)實現(xiàn)了一定程度上的試制能力，所研制的液體發(fā)動機樣機可用于地面試車。但試制到批產(chǎn)之間的鴻溝還是顯而易見的。目前，已經(jīng)嘗試過入軌發(fā)射的幾家企業(yè)，采用了直接購買體制內(nèi)的發(fā)動機的模式；也有的是自我設(shè)計，然后向國有航天企業(yè)外包生產(chǎn)大直徑固體發(fā)動機來落實火箭動力。

“星門”巨型金屬3D打印機

“相對論航天”火箭創(chuàng)業(yè)公司車間內(nèi)景

如果這些企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)把自己設(shè)計的液體發(fā)動機和國有航天企業(yè)——比如航天科技集團第六研究院——共享生產(chǎn)、實驗設(shè)施的話，那么，這是一條符合軍民協(xié)同大思路和質(zhì)量成本合理的，甚至是最優(yōu)的路徑選擇。

在這樣的基礎(chǔ)上，繼續(xù)謀求更好的突破，商業(yè)火箭公司是否可以有其他的選擇？

中國航天技術(shù)的發(fā)展和美國、蘇聯(lián)、俄羅斯都有很大不同，我們的科研單位基本上是在建國后全新建立起來的。而在美蘇，多數(shù)骨干航天企業(yè)、航天設(shè)計局都脫胎于航空科研機構(gòu)，連NASA本身也是從航空咨詢委員會發(fā)展而來，包括科羅廖夫在內(nèi)的一眾蘇聯(lián)航天設(shè)計師都是從飛機設(shè)計師成長起來的。所以，我們不妨嘗試把目光投向航空領(lǐng)域的制造能力。

顛覆你的，從來就不是你的同行

今天的中國航空發(fā)動機研究制造能力，已經(jīng)從中航工業(yè)剝離出來，成為獨立的中國航空發(fā)動機集團有限公司，是中央直接管理的國有特大型企業(yè)，本身擁有很強的制造能力。而航空和航天在發(fā)動機產(chǎn)能產(chǎn)量上的差異非常巨大。僅僅在2018年，中國航發(fā)就生產(chǎn)了6126臺各類發(fā)動機。

雖然航空發(fā)動機和火箭發(fā)動機是兩類不同性質(zhì)的產(chǎn)品，但這也意味著，航空發(fā)動機企業(yè)擁有相當可觀的產(chǎn)能?！邦嵏材愕?，刺激你變革的，從來就不是你的同行?！毕嘈胚@句話，大家都熟悉。因此，商業(yè)火箭公司可以考慮在航空發(fā)動機領(lǐng)域開發(fā)新的代工企業(yè)。而且，考慮到中國航發(fā)與兩大航天集團是獨立的企業(yè)，對于商業(yè)機密保護也更加有利。

當然，航空發(fā)動機企業(yè)要想制造火箭發(fā)動機，絕不是接到訂單就開工那么容易。商業(yè)火箭公司必須要向代工企業(yè)充分解釋自己的需求、提前指出和規(guī)避一些因為專業(yè)差異而帶來的陷阱，甚至要共同開發(fā)一些新的工藝和工裝等。但，無論如何，這或許真的比商業(yè)火箭公司自己建立生產(chǎn)線要來得更現(xiàn)實。而，這對整個商業(yè)航天的發(fā)展和格局的形成，也許大有裨益。

任何一個產(chǎn)業(yè)，如果還保持著生命力，就會在外來沖擊下自我變革，找到新的出路。就像傳統(tǒng)商業(yè)在電商的沖擊下，雖然出現(xiàn)了大量商家倒閉的現(xiàn)象，但整個產(chǎn)業(yè)通過創(chuàng)新，在找到了新的線下經(jīng)營模式和成本控制手段的同時，有了很多的創(chuàng)新模式、完善了經(jīng)營理念，連鎖便利店、高端賣場、體驗店等新業(yè)態(tài)展示出了強勁的生命力。如果商業(yè)火箭公司+航空制造企業(yè)能夠?qū)鹘y(tǒng)航天企業(yè)形成沖擊，那么相信兩大航天集團會在沖擊之下啟動進化技能，展現(xiàn)出自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)、自我完善等能力，演進成為更加高效、更加強大的宇航供應(yīng)商。

“云霄塔”概念“太空飛機”

空天一體化，民企可以先行一步

由航空發(fā)動機企業(yè)來代工火箭發(fā)動機，或許還有一項額外的收獲，那就是可重復(fù)使用。

當下國內(nèi)的運載火箭發(fā)動機還都是一次性使用的，雖然長征八號已經(jīng)立項研制，但畢竟還沒有經(jīng)歷過飛行。即使是馬斯克，在把火箭回收之后，也要經(jīng)過一個比較長的周期才能重新投入使用。然而航空發(fā)動機早已經(jīng)實現(xiàn)了可重復(fù)使用，國外的民航客機發(fā)動機，基本上實現(xiàn)了落地加油重新起飛，國內(nèi)的航空發(fā)動機科研和技術(shù)水平雖然還有一定差距，但也早就實現(xiàn)了頻繁重復(fù)使用。因此，航空發(fā)動機企業(yè)在可重復(fù)使用發(fā)動機相關(guān)的材料、工藝、流程等方面，必然有著相當豐厚的技術(shù)積淀，在商業(yè)火箭公司開發(fā)可重復(fù)使用火箭的過程中，這或許會成為一個重要的助力。

雖然是腦洞，但并不是漫無邊際。我們所說的重點并不在這里。自從航天的夢想發(fā)端，人們就一直期盼著能有一種航天器，從地面像飛機一樣起飛，自由地進入太空、抵達外星，再從那里起飛返回地球，或者去往更深遠的宇宙。這種航空航天一體化的前景，激勵著一代一代科學家和工程師們不斷努力。英國反作用發(fā)動機有限公司推出“云霄塔”計劃，馬斯克打造不銹鋼“星船”，都是在為此而努力。

在中國的國有企業(yè)體制下，航空與航天各有分工，但這種條塊分割對民營企業(yè)來說是不存在的。今天的民營商業(yè)航天企業(yè)就算尚且弱小，也有資格和權(quán)利去追求這個宏大的夢想。今后，我們需要聯(lián)合的不僅僅是國有航空航天部門，或許還要聯(lián)合電子信息、核技術(shù)、化工、冶金、機械……等各個門類的國有和民營航天單位，研制和運營真正意義上的天地往返飛行器，為大航天時代提供堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。

我們相信，到那個時候，商業(yè)航天將如同今天的交通、信息產(chǎn)業(yè)一樣，成為人類經(jīng)濟和社會體系的支柱。推動航空發(fā)動機企業(yè)代工火箭發(fā)動機，或許就是這個進程中關(guān)鍵性的一步。