大討論重現(xiàn)？“固液之爭”再審視
——兼論固體火箭商業(yè)化的價值和緊迫性

+李剛

液體燃料、固液混合燃料、固體燃料宇航運(yùn)載器的典型代表（由左到右）：土星五號火箭、航天飛機(jī)、長征十一號火箭。

一、歷史大討論再次浮現(xiàn)

（一）追求運(yùn)力，液體火箭先勝一籌

在火箭技術(shù)領(lǐng)域，長期存在著所謂“固液之爭”，也就是固體火箭發(fā)動機(jī)和液體火箭發(fā)動機(jī)，哪個更適合作為航天動力？

上世紀(jì)七八十年代，曾經(jīng)發(fā)生過一場影響深遠(yuǎn)的“固液”火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)選擇的大討論。

雙方支持者各執(zhí)一詞。液體派認(rèn)為，液體發(fā)動機(jī)的導(dǎo)彈在運(yùn)輸時燃料儲箱是空的，總體較輕，運(yùn)輸車輛的負(fù)荷較小，工程上更易實(shí)現(xiàn)。至于燃料，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，運(yùn)輸隊伍精干，起豎后經(jīng)過簡單檢測就可以發(fā)射。雙方各自強(qiáng)調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，正是對方的軟肋，討論一時相持不下。

由于液體燃料具有更高的比沖，對宇航發(fā)射來說意味著更大的優(yōu)越性。而且航天飛機(jī)助推器的研制和使用實(shí)踐證明，超大直徑固體發(fā)動機(jī)對運(yùn)輸環(huán)節(jié)造成的困難確實(shí)比較大。其主要癥結(jié)在于，固體發(fā)動機(jī)的燃料是在出廠時已經(jīng)澆鑄好的，因此運(yùn)輸時，要把火箭本體和燃料一起裝上平板卡車，小心翼翼地把幾十噸重的龐然大物駛上公路，千里跋涉前往發(fā)射場。但是，卡車和公路的承載能力是相當(dāng)有限的，這就限制了出廠的固體火箭總體重量，進(jìn)而限制了火箭的運(yùn)載能力。用同樣的卡車、同樣的公路運(yùn)輸液體火箭，只需要運(yùn)輸一個空殼。到發(fā)射場加注燃料之后，就可以成為一枚遠(yuǎn)比固體火箭運(yùn)力強(qiáng)大的發(fā)射工具。

于是，在全球范圍內(nèi)，運(yùn)載火箭主要使用液體發(fā)動機(jī)這個技術(shù)路線就此確定下來。中國航天先后研制了“偏二甲肼+四氧化二氮”和“液氧+液氫/煤油”兩代發(fā)動機(jī)，支撐了長征二、三、四、五、六、七號運(yùn)載火箭，取得了輝煌的成就。

然而就在這個時期，依然有一些固體火箭的型號在研制和使用。其中小型火箭包括美國的飛馬座、金牛座等型號，大型火箭包括日本的M5、艾普斯龍、印度GSLV MARK III助推器等。這些型號，有的是為了滿足小型衛(wèi)星零星發(fā)射需要，有的是為了突破和掌握大直徑固體火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)，但都沒有成為世界航天發(fā)射市場的主流。

（二）快速響應(yīng)，液體火箭力不從心

固體發(fā)動機(jī)就此無緣航天發(fā)射市場了嗎？隨著技術(shù)的發(fā)展和歷史的變遷，這個似乎已有定論的舊話題再次呈現(xiàn)出新的意義。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代后半程，小衛(wèi)星開始成為航天業(yè)的熱點(diǎn)。在小衛(wèi)星的概念下，衍生出了微衛(wèi)星、納衛(wèi)星、皮衛(wèi)星等諸多類型。由于這個時期小衛(wèi)星的實(shí)用性有所不足，所有者們尚滿足于耐心等待火箭的搭載機(jī)會。

然而，一場突如其來的戰(zhàn)爭改變了這一狀況。9.11事件后，美國發(fā)動反恐戰(zhàn)爭，復(fù)雜的戰(zhàn)事和日益增加的傷亡，讓美軍在戰(zhàn)術(shù)層面上對天基系統(tǒng)產(chǎn)生了前所未有的強(qiáng)烈興趣。各種類型的偵察衛(wèi)星、通信衛(wèi)星為美軍提供了巨大的信息優(yōu)勢，但在旺盛的需求下也暴露出發(fā)射流程長、信息處理周期長等弱點(diǎn)，對戰(zhàn)術(shù)部隊來說，經(jīng)常發(fā)出“遠(yuǎn)水不解近渴”的抱怨。

為此，美國國防部提出“作戰(zhàn)快速響應(yīng)航天”（ORS）項目，致力于小型衛(wèi)星的快速制造和發(fā)射。ORS的工作在美國乃至全世界范圍內(nèi)引發(fā)了對小衛(wèi)星和小火箭的熱潮。

正是小衛(wèi)星的興起，讓人們重新把目光聚焦到運(yùn)力較小的火箭上。

美國國防部“作戰(zhàn)快速響應(yīng)航天”（ORS）項目相關(guān)說明

維基百科統(tǒng)計的2003～2018年累計發(fā)射立方星數(shù)量

從國際航天的視角來看，小衛(wèi)星在近20年里取得的進(jìn)展，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了小型火箭，特別是立方星標(biāo)準(zhǔn)的提出，給一大批大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)提供了清晰的框架，讓涉及衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)劃、研制、發(fā)射服務(wù)和運(yùn)營的各方能夠在相同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)框架下交流與合作。從1999年立方星標(biāo)準(zhǔn)的提出到2020年1月，已經(jīng)有超過1200顆立方星入軌，每年發(fā)射的立方星數(shù)量都高速遞增。

但快速發(fā)射火箭的研制卻步履艱難。在美國ORS計劃下一共使用過三種火箭，其中包括獵鷹一號、軌道科學(xué)公司的米諾陶火箭和夏威夷大學(xué)的“超級思迪比”。然而現(xiàn)在獵鷹一號已經(jīng)下馬，“超級思迪比”僅發(fā)射了一次，就以失敗告終，至于米諾陶火箭，我們以后再表?？偟膩碚f，ORS進(jìn)行的快速發(fā)射的努力并不成功。

為了解決問題，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）從2016年開始組織“快速發(fā)射競賽”，在經(jīng)歷了多次波折之后，最后只剩下一家叫阿斯特的公司還在努力，然而這家公司也沒有取得成功，競賽最終在2020年初宣告流產(chǎn)。目前，西方世界已經(jīng)投入使用，并且具有快速發(fā)射潛力的，只有新西蘭人彼得·貝克發(fā)明的電子火箭，貝克曾經(jīng)希望電子火箭能夠每72小時發(fā)射一次，但還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)。2019年，“電子火箭”僅發(fā)射了6次，2020年截止到12月15日，也只發(fā)射了7次。

其中的原因也很簡單，就在于這些火箭多數(shù)都采用液體燃料。

以“快速發(fā)射競賽”為例，液體火箭天然就有發(fā)射準(zhǔn)備時間長的問題。DARPA給快速發(fā)射競賽提出的要求是，提前兩周通知發(fā)射位置。參賽者要在兩個星期的時間里，把火箭和支援保障設(shè)施拉到指定發(fā)射地點(diǎn)，完成燃料加注、星箭對接、綜合測試等一系列工作，最終成功發(fā)射。阿斯特公司曾想盡辦法壓縮準(zhǔn)備流程，但在3月2日發(fā)射前的最后一刻，發(fā)現(xiàn)箭上GNC系統(tǒng)不正常，只能放棄。

如果是采用固體發(fā)動機(jī)的運(yùn)載火箭，情況就會有很大改觀。在極限情況下，固體火箭可以裝好衛(wèi)星、做好一切準(zhǔn)備，接到發(fā)射要求后，在不超過一個小時內(nèi)起飛。如果用來發(fā)射衛(wèi)星，考慮到衛(wèi)星的準(zhǔn)備時間和空域使用的協(xié)調(diào)，把準(zhǔn)備時間放寬到一個星期也是可以接受的。

如此簡單的道理，美國人難道不明白嗎？事實(shí)上，只是做不到而已。

（三）固體運(yùn)載火箭，美國為什么興趣不大

為何如此，原因并不復(fù)雜。

冷戰(zhàn)結(jié)束后，美國的“侏儒”導(dǎo)彈下馬、“和平保衛(wèi)者”導(dǎo)彈停產(chǎn)撤編。曾經(jīng)參與上述導(dǎo)彈研制的幾家企業(yè)紛紛被收購，研發(fā)和產(chǎn)能嚴(yán)重萎縮，情況最嚴(yán)重的專業(yè)領(lǐng)域就是固體發(fā)動機(jī)。最終，美國只剩下一家能夠生產(chǎn)大直徑固體發(fā)動機(jī)的企業(yè)，就是諾斯羅普·格魯曼（簡稱“諾格”）。大直徑固體發(fā)動機(jī)的客戶只剩下了航天飛機(jī)助推器、米諾陶火箭、飛馬座火箭、地基反導(dǎo)攔截器等幾個有限型號。以米諾陶火箭為例，從1994年到現(xiàn)在，一直保持著低速的生產(chǎn)和發(fā)射頻率，最活躍的2011年也只發(fā)射了5次。在航天飛機(jī)退役后，情況更是雪上加霜。

美國要想把產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)恢復(fù)起來，絕不是那么容易的事。美國空軍在為下一代洲際導(dǎo)彈合同招標(biāo)時，經(jīng)過幾輪競標(biāo)，決賽時只剩下了諾格公司和波音公司，但就在最后關(guān)頭，波音居然退出了，原因是波音也沒有大型固體發(fā)動機(jī)產(chǎn)能，就算波音拿下了合同，也要向諾格購買發(fā)動機(jī)，與其為別人做嫁衣裳，不如放手。幾乎同時，美國空軍還開展了新一輪“漸進(jìn)一次性運(yùn)載器（EELV）”（2019年3月已改名為"國家安全航天發(fā)射"，NSSL）的競標(biāo)，有三個競爭者的三個型號系列進(jìn)入決賽，分別是ULA的“火神-半人馬座”、太空探索技術(shù)公司的獵鷹九號和諾格公司的“歐米伽M”。前兩者都是液體火箭，唯有第三種是固體火箭。然而當(dāng)諾格公司獲得美國國防部下一代洲際導(dǎo)彈研制合同、拿到一千多億美元訂單之后，立刻心滿意足，終止了“歐米伽M”的研制。也就是說，美國的固體火箭產(chǎn)業(yè)只能滿足一個方向的需求，不是運(yùn)載火箭就是洲際導(dǎo)彈。這也解釋了，美國的商業(yè)航天企業(yè)為什么很少討論固體火箭解決方案。

太空探索技術(shù)公司如今是西方商業(yè)發(fā)射市場上的領(lǐng)頭羊。獵鷹九號和重型獵鷹的成功，在國際航天界掀起了一片跟風(fēng)的潮流。幾乎所有人都在討論重型火箭、液氧甲烷發(fā)動機(jī)和可重復(fù)使用等話題。

然而，火箭畢竟是一種用來實(shí)施發(fā)射服務(wù)的工具，滿足用戶的需求才有其最根本的存在意義。在很多情況下，用戶需要一種發(fā)射準(zhǔn)備時間短，可以靈活選點(diǎn)機(jī)動發(fā)射的火箭。這正是美國國防高級研究計劃局快速發(fā)射挑戰(zhàn)賽的初衷。然而，由于固體火箭供應(yīng)能力的缺失，美國人在快速響應(yīng)發(fā)射方面的努力迄今未能有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。而液體火箭無論怎么壓縮制造和準(zhǔn)備流程，在響應(yīng)速度方面也是絕不可能和固體火箭相提并論的。

美國做不到，中國能不能做到呢？

二、中國固體火箭的優(yōu)勢和機(jī)遇

由于在大直徑固體火箭發(fā)動機(jī)研制上的長期投入，中國固體運(yùn)載火箭正處在一個非常有利的發(fā)展態(tài)勢下：固體火箭的產(chǎn)能已經(jīng)建立起來并且運(yùn)轉(zhuǎn)良好；服務(wù)于生產(chǎn)線的管理者、設(shè)計師、工藝師、工人技師隊伍完整；主要分系統(tǒng)和關(guān)鍵元器件供應(yīng)鏈完整而強(qiáng)大，質(zhì)量合格、成本可控。用這些成熟的技術(shù)和產(chǎn)能研制不同等級的固體運(yùn)載火箭，提供快速發(fā)射服務(wù)，正是商業(yè)航天的題中應(yīng)有之義。

這種思路的第一批成果，就是已經(jīng)發(fā)射了多次的長征十一號火箭、快舟一號火箭和新研制的“捷龍”系列火箭。其中，長征十一號火箭于12月10日進(jìn)行了第十一次發(fā)射，全部十一次發(fā)射均獲得成功。該火箭還開創(chuàng)了中國海上發(fā)射火箭的新領(lǐng)域，并承攬了國際發(fā)射業(yè)務(wù)。

固體火箭在快速發(fā)射上的應(yīng)用價值，簡單說就是“兩隨”，即隨時發(fā)射、隨處發(fā)射。“兩隨”給發(fā)射服務(wù)商和衛(wèi)星運(yùn)營方帶來的好處有兩個。

首先是可以做到“火箭等衛(wèi)星”，在軍用領(lǐng)域，固體火箭可以實(shí)施類似于美國國防部“快速響應(yīng)航天”的發(fā)射；在民用領(lǐng)域，固體火箭可以對大型星座等重要空間基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行應(yīng)急補(bǔ)網(wǎng)發(fā)射、時間敏感性自然現(xiàn)象的應(yīng)急科學(xué)探測發(fā)射、災(zāi)害處理衛(wèi)星的應(yīng)急發(fā)射等。這給衛(wèi)星運(yùn)營者帶來的優(yōu)勢是極為明顯的。

其次就是可以自由地選擇發(fā)射窗口、自由地選擇發(fā)射位置，具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過液體火箭的優(yōu)勢。從理論上說，只要解決了空域使用和落區(qū)安全的問題，固體火箭可以在荒灘、戈壁、大海上起飛，甚至在暑假期間租用學(xué)校體育場發(fā)射也不是不可想象的。

這一切，都是馬斯克那條技術(shù)路線所不能做到的。

就此而言，用中國自己的資源，開發(fā)自己的固體火箭，做好中國自己的商業(yè)航天發(fā)射服務(wù)，建立一個具有強(qiáng)大國內(nèi)國際競爭力的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，是中國商業(yè)火箭創(chuàng)業(yè)者們的現(xiàn)實(shí)選擇，也是歷史責(zé)任。

三、大力發(fā)展商業(yè)固體火箭一舉多得

雖然我們已經(jīng)有了優(yōu)秀的長征十一號，但是國內(nèi)固體火箭的制造能力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有“吃飽”，巨大投資形成的資產(chǎn)和積累起來的技術(shù)成果，還沒有實(shí)現(xiàn)自己的商業(yè)價值。而解決大型固體火箭的商業(yè)化問題，將形成一個多贏的局面。

第一，國家投入巨資形成的固體火箭產(chǎn)能，可以轉(zhuǎn)變成產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)動機(jī)。

在可預(yù)見的將來，國內(nèi)外中小衛(wèi)星發(fā)射市場依然會保持繁榮，是值得投入的市場。據(jù)我們在學(xué)術(shù)領(lǐng)域的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有志于空間輻射環(huán)境研究、微重力研究、空間生命科學(xué)研究、空間材料科學(xué)研究等領(lǐng)域的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)相當(dāng)多，他們的需求已經(jīng)催生了日益繁榮的立方星市場，隨之而來的就是對發(fā)射服務(wù)的需求。這種需求對發(fā)射的時效性要求很高，小型科研項目的周期往往在1～3年，攻讀學(xué)位的周期往往是碩士30個月、博士40個月，也就是說，學(xué)者們要在一定的時間內(nèi)完成立項或者立題、理論研究和設(shè)計、樣機(jī)制造和調(diào)試，飛行試驗(yàn)之后還需要時間來完成數(shù)據(jù)分析和結(jié)論，最后還需要時間來撰寫論文和發(fā)表，如果是攻讀學(xué)位，前期還要有理論課學(xué)習(xí)的時間。留給發(fā)射和在軌飛行的時間是很緊張的，假如學(xué)者們需要等上半年、一年甚至更久才有機(jī)會發(fā)射，能不能按時結(jié)題、畢業(yè)都是個很大的問題。

2020年9月15日，長征十一號火箭進(jìn)行了第二次海上發(fā)射，取得圓滿成功。

第二，固體火箭商業(yè)化，也能增加國內(nèi)發(fā)射服務(wù)供應(yīng)，為商業(yè)小衛(wèi)星星座提供更多的入軌機(jī)會。

目前，國內(nèi)商業(yè)航天市場上已經(jīng)出現(xiàn)了大量的小衛(wèi)星創(chuàng)業(yè)企業(yè)。這些企業(yè)同樣需要按照自己的商業(yè)計劃書及時發(fā)射，假如讓他們苦等發(fā)射機(jī)會，星座建設(shè)進(jìn)程達(dá)不到預(yù)期，或許就會錯失用戶市場，進(jìn)而失去資本的支持。

第三、固體火箭并不局限于小型火箭，在有關(guān)技術(shù)突破之后，固體火箭同樣可以開發(fā)出大推力、大運(yùn)載能力的型號。

航天飛機(jī)的固體助推器就是最典型的案例。其他發(fā)射服務(wù)商同樣可以通過技術(shù)進(jìn)步來開發(fā)大型固體火箭，承擔(dān)大型載荷發(fā)射、一箭多星發(fā)射等任務(wù)。國內(nèi)已經(jīng)有機(jī)構(gòu)正在朝這個方向努力，例如北京中科宇航探索技術(shù)有限公司（簡稱“中科宇航”）研制中的兩型火箭。

四、固體火箭商業(yè)化時不我待

大推力固體運(yùn)載火箭研發(fā)進(jìn)展：2019年初，推力達(dá)450噸、將用于歐洲織女星-C火箭的P120C固體燃料發(fā)動機(jī)試車成功。

為了充分利用中國在固體火箭發(fā)動機(jī)制造能力方面的潛力，在長征十一號、快舟和“捷龍”火箭之外，我們需要有更多中國企業(yè)站出來，充當(dāng)產(chǎn)業(yè)龍頭，更加充分地把固體火箭的產(chǎn)能和科學(xué)、商業(yè)領(lǐng)域的需求對接起來，在市場和技術(shù)兩個問題上起到建立者和培育者的作用，創(chuàng)造出屬于中國自己的商業(yè)發(fā)射產(chǎn)業(yè)生態(tài)，進(jìn)而為商業(yè)航天大產(chǎn)業(yè)生態(tài)的建設(shè)和航天產(chǎn)業(yè)國際化起到推動作用。

這正是中科宇航正在實(shí)施的戰(zhàn)略，這家混合所有制企業(yè)打算充分調(diào)動中國科學(xué)院系統(tǒng)在機(jī)械、電子、計算機(jī)、控制、光電、雷達(dá)等多個領(lǐng)域的科研能力，跨系統(tǒng)協(xié)調(diào)固體發(fā)動機(jī)研制相關(guān)單位的資源，開發(fā)一系列快速發(fā)射的固體火箭，為科學(xué)界和商業(yè)界提供穩(wěn)定、可靠、及時的發(fā)射服務(wù)。

中科宇航擁有一個熟悉業(yè)務(wù)和流程的優(yōu)秀團(tuán)隊，董事長楊毅強(qiáng)，曾擔(dān)任長征十一號火箭首任總指揮，對跨系統(tǒng)合作和總體協(xié)調(diào)相當(dāng)嫻熟。此外，固體戰(zhàn)略導(dǎo)彈研發(fā)相關(guān)企業(yè)在商業(yè)代工方面采取了非常開放的態(tài)度，一些民營火箭公司的前期發(fā)射活動就在商業(yè)代工框架下，得到了體制內(nèi)企業(yè)的有力支持，因此，中科宇航的戰(zhàn)略是具有可操作性的。

現(xiàn)在的問題是中科宇航研發(fā)的速度夠不夠快，能不能抓住固體火箭科研生產(chǎn)能力的巔峰期，順勢而為，把產(chǎn)業(yè)生態(tài)建立起來。按照中科宇航的計劃，其正在研制的中科一號（ZK-1）火箭系列能夠達(dá)到2～3噸的500千米近地軌道運(yùn)載能力，中科二號正在瞄準(zhǔn)500千米近地軌道4噸運(yùn)載能力的方向前進(jìn)。2021年，中科一號的第一枚火箭就要試飛。對這個時間表，我們還是有理由抱有樂觀態(tài)度的。