商業(yè)運(yùn)載火箭市場(chǎng)分析

商業(yè)運(yùn)載火箭市場(chǎng)分析1.全球商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)介紹商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)鏈總體分為四個(gè)環(huán)節(jié)：（1）電子元器件、材料及燃料廠商；（2）衛(wèi)星研制商、發(fā)射服務(wù)提供商和地面設(shè)備制造商；（3）衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商與衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)提供商（國(guó)內(nèi)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商主要是中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司）；（4）終端用戶（政府、企事業(yè)單位、個(gè)人）。根據(jù)美國(guó)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2022年全球航天產(chǎn)業(yè)的總收入是3840億美元，其中非衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)總收入為1030億美元，主要包括載人航天飛行收入、非地球軌道航天器收入和政府預(yù)算，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)總收入為2810億美元，占全球航天產(chǎn)業(yè)收入的73%，主要包括了衛(wèi)星制造業(yè)收入、發(fā)射服務(wù)業(yè)收入（約70億美元）、衛(wèi)星服務(wù)業(yè)收入和地面設(shè)備制造業(yè)收入等。運(yùn)載是進(jìn)入空間的入口，目前我國(guó)火箭運(yùn)力嚴(yán)重不足。雖然發(fā)射服務(wù)產(chǎn)值僅占整個(gè)航天產(chǎn)業(yè)的1.5%~2%，但是運(yùn)載是進(jìn)入空間的入口，是連接衛(wèi)星制造及衛(wèi)星應(yīng)用的中樞環(huán)節(jié)，隨著國(guó)內(nèi)外紛紛推出多個(gè)小型、中型、大型和巨型星座計(jì)劃，衛(wèi)星發(fā)射需求不斷增長(zhǎng)，但是火箭發(fā)射成本居高不下，成為制約星座大規(guī)模部署的主要瓶頸。對(duì)比spaceX的運(yùn)載能力，我國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭運(yùn)載能力偏低，急需大力發(fā)展中大型可重復(fù)使用液體運(yùn)載火箭，來(lái)滿足星座大規(guī)模部署所需的“低成本、高可靠、高頻次”發(fā)射能力。運(yùn)載火箭主要由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（箭體結(jié)構(gòu)）、動(dòng)力裝置系統(tǒng)（推進(jìn)系統(tǒng)）以及控制系統(tǒng)等三個(gè)系統(tǒng)組成，這三個(gè)系統(tǒng)稱為運(yùn)載火箭的主系統(tǒng)。運(yùn)載火箭一般由2~4級(jí)火箭組成，每一級(jí)火箭都包括箭體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)，末級(jí)有儀器艙，可裝載人造衛(wèi)星和飛船，外面套有整流罩。如果火箭發(fā)射的有效載荷較大，可以在一枚火箭外面捆綁幾枚小火箭，稱為捆綁式火箭，中間的大火箭稱為芯級(jí)火箭，外圍捆綁的火箭稱為助推火箭。2.火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展發(fā)展航天，動(dòng)力先行。航天發(fā)展的瓶頸在火箭，火箭研發(fā)的瓶頸在發(fā)動(dòng)機(jī)?；鸺詈诵牡膭?dòng)力系統(tǒng)直接決定了火箭推力與運(yùn)載能力，占全箭成本的70%到80%，對(duì)于運(yùn)載火箭的系統(tǒng)復(fù)雜度、任務(wù)適應(yīng)性、產(chǎn)品成本等均有較大影響。最早的運(yùn)載火箭出現(xiàn)于第二次世界大戰(zhàn)的德國(guó)，V-2導(dǎo)彈是最典型代表，發(fā)動(dòng)機(jī)是采用了以液氧/酒精作為推進(jìn)劑的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。目前液體和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中最基本、應(yīng)用最廣泛的兩種發(fā)動(dòng)機(jī)，其中固體火箭具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、發(fā)射準(zhǔn)備周期短、發(fā)射點(diǎn)選擇靈活等特點(diǎn)，在快速組網(wǎng)和補(bǔ)網(wǎng)等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一經(jīng)點(diǎn)燃，就按照預(yù)定的推力方案工作，可控性差，難以實(shí)現(xiàn)可回收重復(fù)利用，而且固體火箭涉及的貯運(yùn)安全和生產(chǎn)資質(zhì)等問(wèn)題難以解決，也制約了固體火箭成本的進(jìn)一步下降，所以近年來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)使用從而大幅降低運(yùn)載成本的液體火箭優(yōu)勢(shì)突顯，成為商業(yè)火箭公司競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。從效率方面評(píng)價(jià)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量常常用到比沖的概念。比沖是消耗單位質(zhì)量的推進(jìn)劑所產(chǎn)生的推力沖量，是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)之一。比沖越大，火箭可以達(dá)到的最大速度也越大，射程也越遠(yuǎn)。固體推進(jìn)劑的比沖一般都低于液體推進(jìn)劑。2.1固體火箭固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是指使用固體推進(jìn)劑的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由藥柱、燃燒室、噴管組件和點(diǎn)火裝置等組成。固體推進(jìn)劑點(diǎn)燃后在燃燒室燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的燃燒產(chǎn)物，燃燒產(chǎn)物流經(jīng)噴管膨脹加速，以高速?gòu)膰姽芘懦鰪亩a(chǎn)生推力。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、便于機(jī)動(dòng)部署、快速響應(yīng)、維護(hù)使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為戰(zhàn)略/戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器的主要?jiǎng)恿ρb置，同時(shí)，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是航天運(yùn)載火箭系統(tǒng)的重要?jiǎng)恿υ?，?guó)外大型或重型捆綁式運(yùn)載火箭多將其作為首選助推動(dòng)力。由于固體火箭推進(jìn)劑比沖較低，固體火箭一般需要采用多級(jí)構(gòu)型才能實(shí)現(xiàn)入軌，但是多級(jí)構(gòu)型會(huì)影響到火箭整體的復(fù)雜性、可靠性以及成本問(wèn)題。雖然固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在起步階段研發(fā)和制造成本低，固體火箭也是很多民營(yíng)運(yùn)載火箭公司進(jìn)入商業(yè)發(fā)射服務(wù)領(lǐng)域的敲門(mén)磚，但當(dāng)需要大推力火箭來(lái)發(fā)射更重的載荷時(shí)，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)難度和成本就會(huì)爆發(fā)式增長(zhǎng)。目前，固體火箭主要用于執(zhí)行近地軌道或太陽(yáng)同步軌道任務(wù)，更適合于追求快速發(fā)射的小衛(wèi)星需求。2.2液體火箭液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是目前運(yùn)載火箭主級(jí)或上面級(jí)的主要?jiǎng)恿?。隨著導(dǎo)彈和航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍和種類越來(lái)越多，可按工況特點(diǎn)、推進(jìn)劑類型、推進(jìn)劑供應(yīng)方式和用途等分類。各種不同類型的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)雖然結(jié)構(gòu)有一定差別，但是基本組成都有推力室、推進(jìn)劑貯箱、推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)、渦輪工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)和自動(dòng)器等幾部分。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力路線的選擇主要從三方面考慮，即推進(jìn)劑類型、推進(jìn)劑供應(yīng)方式與泵壓式系統(tǒng)的循環(huán)方式。目前，大多數(shù)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用雙組元推進(jìn)劑，典型的雙組元推進(jìn)劑組合主要包括四氧化二氮/偏二甲肼、液氧/液氫、液氧/煤油和液氧/甲烷。四氧化二氮/偏二甲肼屬于常溫推進(jìn)劑，穩(wěn)定性好，對(duì)沖擊振動(dòng)均不敏感，能夠長(zhǎng)時(shí)間貯存，加注過(guò)程簡(jiǎn)單，可以縮短發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間，但是偏二甲肼是劇毒燃料，四氧化二氮/偏二甲肼燃燒會(huì)產(chǎn)生橘紅色有害煙霧，嚴(yán)重污染環(huán)境。液氧/液氫比沖最高，性能優(yōu)異，是無(wú)毒、綠色環(huán)保推進(jìn)劑組合，但是密度比沖最低，需要體積較大的燃料貯箱，導(dǎo)致飛行器體積很大，另外由于液氫的溫度極低，貯箱和管路必須很好地隔熱，以盡量減少液氫的蒸發(fā)，以及濕氣和空氣在貯箱外壁的凝結(jié)，引入推進(jìn)劑之前，必須吹除所有管道和貯箱中的空氣，不然固態(tài)空氣與液氫混合易發(fā)生爆炸，并且固態(tài)空氣也容易堵塞管道和閥門(mén)，這使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和發(fā)射工序都更為復(fù)雜，成本較高。液氧/煤油和液氧/甲烷同為無(wú)毒、綠色環(huán)保推進(jìn)劑組合，由于甲烷比熱容高、結(jié)焦溫度高、黏度小，是較為理想的冷卻劑，可以更好地滿足重復(fù)使用推力室冷卻的要求，另外煤油在富燃燃燒時(shí)存在比較嚴(yán)重的積碳問(wèn)題，將導(dǎo)致渦輪堵塞影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力，而甲烷在富燃燃燒時(shí)積碳極少，基本上沒(méi)有影響，甲烷的以上優(yōu)勢(shì)降低了重復(fù)使用的維護(hù)成本，此外甲烷沸點(diǎn)與液氧相近，推進(jìn)劑儲(chǔ)箱可以采用共底儲(chǔ)箱結(jié)構(gòu)形式，從而提升了結(jié)構(gòu)效率，考慮到未來(lái)月球和火星探測(cè)的需求，甲烷是最適合就地取材制取的。迄今為止，俄羅斯的RD-170系列代表了液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的最高水平，美國(guó)的SSME代表了液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的最高水平，美國(guó)藍(lán)色起源公司的BE-4與SpaceX公司的Raptor代表了液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的最高水平。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)按推進(jìn)劑供應(yīng)方式分為泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)和擠壓式發(fā)動(dòng)機(jī)。擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)利用高壓氣體將貯箱中的液體推進(jìn)劑擠壓輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室，是最簡(jiǎn)單的推進(jìn)劑供應(yīng)方式，通常用在推進(jìn)劑量和總沖量較小且比沖要求不高的發(fā)動(dòng)機(jī)上。泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)通常采用燃?xì)怛?qū)動(dòng)的渦輪泵作為主要增壓裝置，可以使推進(jìn)劑組元在泵出口獲得很高的壓力，有效減少貯箱和增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，并且獲得很高的燃燒壓力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)比沖，通常應(yīng)用在推進(jìn)劑流量大、推力大、性能高的場(chǎng)合，如運(yùn)載火箭和戰(zhàn)略導(dǎo)彈的主動(dòng)力、上面級(jí)主推進(jìn)系統(tǒng)等，系統(tǒng)較復(fù)雜。泵壓式系統(tǒng)的循環(huán)方式按照渦輪工質(zhì)的來(lái)源可以分為燃?xì)獍l(fā)生器循、補(bǔ)燃循環(huán)（又稱分級(jí)燃燒循環(huán)）、膨脹循環(huán)及抽氣循環(huán)，其中補(bǔ)燃循環(huán)又分為富氧補(bǔ)燃循環(huán)、富燃補(bǔ)燃循環(huán)和全流量補(bǔ)燃循環(huán)。按照渦輪工質(zhì)的排放方式又可分為開(kāi)式循環(huán)和閉式循環(huán)，其中燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)和抽氣循環(huán)屬于開(kāi)式循環(huán)，補(bǔ)燃循環(huán)和膨脹循環(huán)屬于閉式循環(huán)。各類循環(huán)方式的主要區(qū)別在于性能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，性能包括比沖、推力和推重比，它決定了飛行器的運(yùn)載能力，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度包括組件數(shù)目和技術(shù)成熟度，決定了研制經(jīng)費(fèi)、生產(chǎn)周期和成本以及產(chǎn)品可靠性。綜合比較，補(bǔ)燃循環(huán)技術(shù)先進(jìn)，無(wú)比沖損失，發(fā)動(dòng)機(jī)性能更高，可以有效降低航天運(yùn)載器的發(fā)射成本，代表著液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向。2.2.1液氧/液氫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，氫氧液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有最高的比沖性能，燃燒產(chǎn)物是水，環(huán)保無(wú)污染，另外液氫具有良好的冷卻性能，使用液氫作冷卻劑的推力室可以重復(fù)使用，冷卻通道內(nèi)也非常干凈，所以不論在一次性使用運(yùn)載火箭還是未來(lái)可重復(fù)使用運(yùn)載器中，氫氧液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都占有重要地位。但是液氫在使用上仍有不少缺陷，首先液氫溫度極低，需要隔熱建立超低溫的環(huán)境，其次氫分子量小，黏度低，很容易泄露，混合空氣后易爆炸，需要認(rèn)真解決低溫密封問(wèn)題，最后是液氫的密度很小，需要體積較大的燃料貯箱，導(dǎo)致飛行器體積很大。由于研制氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)需要克服上面這些缺點(diǎn)，研制難度較大，加之液氫成本高昂，因此液氧液氫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不適應(yīng)低成本發(fā)射需求的商業(yè)運(yùn)載火箭。1958年美國(guó)開(kāi)始研制世界第一臺(tái)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)RL-10，縱觀半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展大致分為3個(gè)階段。第一個(gè)階段是起步發(fā)展時(shí)期（20世紀(jì)50年末到70年代初），發(fā)動(dòng)機(jī)推力不大，推力級(jí)多為10t左右，各種循環(huán)方式全面發(fā)展，主要用于運(yùn)載火箭上面級(jí)，代表型號(hào)有美國(guó)RL-10和J-2、蘇聯(lián)的RD-56、歐洲的HM-7和日本的LE-5，各國(guó)通過(guò)小推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，基本掌握了氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)技術(shù)，為大推力的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制奠定了基礎(chǔ)。第二階段是高速發(fā)展時(shí)期（20世紀(jì)70年代中期至80年代末），這一階段關(guān)注于實(shí)現(xiàn)更大的推力和更高的性能，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)方案以補(bǔ)燃循環(huán)為主，代表型號(hào)有美國(guó)的SSME、蘇聯(lián)的RD-0120、歐洲的Vulcain和日本的LE-7，推力量級(jí)為100t~200t，其中美國(guó)的SSME發(fā)動(dòng)機(jī)還提出了多次重復(fù)使用的目標(biāo)，迄今為止代表了液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的最高水平。第三階段是全面發(fā)展時(shí)期（20世紀(jì)90年代至今），這一階段各種推力量級(jí)和各種循環(huán)方式均全面發(fā)展，在追求性能的同事，也更加注重可靠性和研制成本，例如日本在LE-7基礎(chǔ)上發(fā)展了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的LE-7A，美國(guó)在擁有SSME之后，發(fā)展了低性能低成本的RS-68，Vulcain、RL-10、J-2則通過(guò)不斷優(yōu)化提升性能和可靠性。此外，閉式膨脹循環(huán)開(kāi)式向20t推力量級(jí)發(fā)展，日本獨(dú)辟蹊徑發(fā)展了開(kāi)式膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。我國(guó)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制始于20世紀(jì)70年代，曾先后成功研制出用于CZ-3系列運(yùn)載火箭上面級(jí)YF-73和YF-75，以及用于CZ-5芯一級(jí)的50t級(jí)YF-77和芯二級(jí)的9t級(jí)YF-75D。相比國(guó)外先進(jìn)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，國(guó)內(nèi)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏小，由于尚未掌握氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃循環(huán)技術(shù)，以及在設(shè)計(jì)和材料工藝方面的差距，國(guó)內(nèi)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)比沖和推重比水平偏低。目前我國(guó)正在研制220t級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，采用高壓補(bǔ)燃循環(huán)技術(shù)方案，設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平，未來(lái)將作為重型火箭二級(jí)和三級(jí)的動(dòng)力。大推力高壓補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制將大幅提升我國(guó)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，帶動(dòng)我國(guó)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造工藝和試驗(yàn)技術(shù)水平的提高升級(jí)。2.2.2液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)液氧/煤油是無(wú)毒、綠色環(huán)保推進(jìn)劑組合，燃燒產(chǎn)物是水蒸氣和二氧化碳，是綜合性能優(yōu)秀的推進(jìn)劑。煤油作為常溫推進(jìn)劑，貯存性能好，液氧煤油推進(jìn)劑組合密度比沖高，使得火箭貯箱尺寸小、成本低。液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)作為運(yùn)載火箭主動(dòng)力裝置，是大規(guī)模、低成本進(jìn)出空間的優(yōu)選動(dòng)力裝置，在國(guó)家重大航天運(yùn)載項(xiàng)目、商業(yè)航天運(yùn)輸系統(tǒng)和重復(fù)使用運(yùn)載器領(lǐng)域占有重要位置。20世紀(jì)50~60年代，美國(guó)和蘇聯(lián)的航天運(yùn)載主動(dòng)力均以液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)為主。1957年蘇聯(lián)成功研制了80t級(jí)的RD-107/108液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，并以此動(dòng)力成功將第一顆人造衛(wèi)星和第一名宇航員送入太空。60年代蘇聯(lián)研制了150t級(jí)的NK-33液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，用于載人登月的N-1火箭，美國(guó)的土星Ⅴ重型運(yùn)載火箭采用680t級(jí)的F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)作為一級(jí)主動(dòng)力，成功實(shí)現(xiàn)了載人登月。20世紀(jì)70~80年代，主動(dòng)力選擇出現(xiàn)分歧。蘇聯(lián)致力于發(fā)展大推力液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)并取得突出成就，針對(duì)能源號(hào)和天頂號(hào)運(yùn)載火箭需求，成功研制了740t級(jí)推力的RD-170和85t級(jí)的RD-120液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，RD-170時(shí)至今日仍代表了液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的最高水平。由于技術(shù)和相關(guān)工業(yè)體系發(fā)展方向等原因，美國(guó)航天飛機(jī)、歐洲阿里安5火箭和日本H-2A火箭等運(yùn)載火箭的主動(dòng)力，轉(zhuǎn)向采用大推力固體助推器加液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)的模式。20世紀(jì)90年代以來(lái)，俄羅斯液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)達(dá)到世界最高水平。90年代，俄羅斯在繼承RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，成功拓展研制了400t級(jí)推力的RD-180和200t級(jí)推力的RD-191液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，其中RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)出口美國(guó)用于宇宙神系列運(yùn)載火箭，另外還有NK-33（用于美國(guó)阿塔瑞斯運(yùn)載火箭）和RD-120也被引入美國(guó)。進(jìn)入21世紀(jì)，美國(guó)民營(yíng)宇航公司迅速發(fā)展，2005年以來(lái)SpaceX公司研制了Merlin-1系列液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，成為獵鷹1/9運(yùn)載火箭成功和SpaceX公司崛起的關(guān)鍵。20世紀(jì)80年代起，我國(guó)開(kāi)始研究液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，經(jīng)歷三十余年發(fā)展我國(guó)已成為世界第二個(gè)完全掌握液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的國(guó)家，并形成了系列化、型譜化發(fā)展路線。目前我國(guó)正在研制500t級(jí)和240t級(jí)液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，未來(lái)可作為重型、中大型運(yùn)載火箭主動(dòng)力，這些發(fā)動(dòng)機(jī)的研制將大幅提升我國(guó)航天動(dòng)力的技術(shù)水平，助力載人登月、深空探測(cè)等重大航天任務(wù)實(shí)施，有力提升我國(guó)未來(lái)大規(guī)模進(jìn)人空間、利用空間的能力。2.2.3液氧/甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的概念早在20世紀(jì)60年代就已提出，但是航天大國(guó)蘇聯(lián)和美國(guó)的研究重點(diǎn)分別放在液氧煤油和液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)上，并沒(méi)有給予足夠重視。近年來(lái)隨著可重復(fù)使用運(yùn)載器動(dòng)力需求的提出，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)由于具備無(wú)毒環(huán)保、高比沖、不易結(jié)焦積碳、易于重復(fù)使用、低成本等綜合優(yōu)勢(shì)，受到商業(yè)航天公司的青睞，并涌現(xiàn)出一批不同成熟度的代表型號(hào)。液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)榫哂械统杀?、無(wú)毒無(wú)污染、不易結(jié)焦積碳、使用維護(hù)方便、適于重復(fù)使用、比沖較高等特點(diǎn)，更加適宜于重復(fù)使用、低成本運(yùn)載器的使用要求，已成為下一代液體運(yùn)載火箭的理想動(dòng)力選擇，世界主要航天強(qiáng)國(guó)都在積極開(kāi)展液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和火箭技術(shù)的研究。美國(guó)是最早對(duì)液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究的國(guó)家之一，目前走在液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)研制與應(yīng)用的前列，美國(guó)SpaceX和BlueOrigin兩家私有企業(yè)主導(dǎo)了大推力液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)（Raptor、BE-4）的研制工作?！懊颓荨保≧aptor）是美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）正在研發(fā)的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)系列，計(jì)劃作為該公司“星艦”和“超重”助推器的主動(dòng)力，是世界首款實(shí)用化的全流量補(bǔ)燃循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，該系列有“猛禽”1（Raptor1）、“猛禽”2（Raptor2）和“猛禽”真空版（RaptorVacuum）3個(gè)版本。2021年5月，“猛禽”1首次完成全任務(wù)時(shí)長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，“猛禽”2是“猛禽”1的改進(jìn)版，2022年3月開(kāi)始交付給進(jìn)行軌道測(cè)試的“星艦”使用，目前“猛禽”2仍在持續(xù)改進(jìn)中。BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)是藍(lán)色起源公司（BlueOrigin）正在研發(fā)的大推力液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)劃用于其自主開(kāi)發(fā)的“新格倫”火箭和聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的“火神-半人馬”火箭上。BE-4的設(shè)計(jì)推力高達(dá)2450kN，是全世界初始設(shè)計(jì)推力最高的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，采用富氧補(bǔ)燃循環(huán)，設(shè)計(jì)燃燒室壓13.4MPa，海平面比沖310s，同時(shí)具備40%~100%變推力、100次重復(fù)使用和±5?搖擺能力。2020年5月，BE-4進(jìn)行了全推力狀態(tài)下的8?搖擺試驗(yàn)，總試車(chē)時(shí)間累計(jì)達(dá)2500s，2022年11月，兩臺(tái)BE-4完成在“火神-半人馬”火箭上安裝，2023年1月隨火箭運(yùn)抵發(fā)射塔架，目前正在準(zhǔn)備進(jìn)行全箭的安裝和測(cè)試，但是2023年6月供“火神-半人馬”火箭第二次發(fā)射任務(wù)使用的BE-4在測(cè)試中發(fā)生爆炸事故，交付時(shí)間或推遲。我國(guó)于20世界80年代開(kāi)展了液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)先研究工作，進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)啟動(dòng)了液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究。通過(guò)“十一五”、“十二五”的研究，中國(guó)已經(jīng)基本突破了重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，驗(yàn)證了60噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用性能，開(kāi)展了3噸級(jí)和8噸級(jí)高性能上面級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，契合了世界重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研究方向。國(guó)內(nèi)商業(yè)航天公司方面，藍(lán)箭航天、星際榮耀、九州云箭、宇航推進(jìn)等公司近年來(lái)也紛紛發(fā)布了新型運(yùn)載火箭計(jì)劃并投入液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。2019年藍(lán)箭航天80噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)“天鵲”12號(hào)和星際榮耀15噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)“焦點(diǎn)”1號(hào)全系統(tǒng)長(zhǎng)程試車(chē)成功，緊隨其后2021年九州云箭80噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)“龍?jiān)啤焙?0噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)“凌云”完成全系統(tǒng)長(zhǎng)程試車(chē)，2023年7月12日，采用“天鵲”發(fā)動(dòng)機(jī)的朱雀二號(hào)液氧甲烷火箭成功在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，成為世界上第一枚成功入軌的甲烷火箭。3.美國(guó)spaceX發(fā)展歷程美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）由埃隆?馬斯克（ElonMusk）于2002年創(chuàng)立，經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，研制出了“獵鷹”（Falcon）系列運(yùn)載火箭、“龍”（Dragon）飛船、“載人龍”（CrewDragon）飛船、“星鏈”（Starlink）星座、“星艦”飛船和“超重”火箭等航天系統(tǒng)，業(yè)務(wù)覆蓋大中小型衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)、貨物與乘員運(yùn)輸、低軌寬帶通信服務(wù)等領(lǐng)域，取得了多項(xiàng)突破，已經(jīng)成為美國(guó)商業(yè)航天企業(yè)的先鋒力量。SpaceX的發(fā)展大致可以分為三個(gè)階段，第一階段（2002~2009）是萌芽時(shí)期。SpaceX從無(wú)到有，首枚火箭“獵鷹”-1的研制歷經(jīng)坎坷，第一次發(fā)射比原計(jì)劃推遲了1年，在經(jīng)歷了2006~2008年連續(xù)三次失敗后，終于2008年9月取得成功，成為首次成功發(fā)射入軌的私人液體火箭，并于2009年7月連續(xù)第二次試射成功，同時(shí)首次將衛(wèi)星送入低地球軌道。2008年12月，SpaceX公司贏得了NASA高達(dá)16億美元的國(guó)際空間站商業(yè)貨運(yùn)合同，并計(jì)劃采用獵鷹-9和“龍”飛船在航天飛機(jī)退役后為國(guó)際空間站運(yùn)送物資。第二階段（2010~2017）是快速成長(zhǎng)時(shí)期。為了滿足NASA的空間站貨運(yùn)合同，SpaceX叫停了“獵鷹”-5的研發(fā)，直接沖刺運(yùn)載能力更強(qiáng)的“獵鷹”-9火箭。2010年6月，“獵鷹”-9首次飛行，2012年“龍”飛船與國(guó)際空間站對(duì)接，成為歷史上首次對(duì)接國(guó)際空間站的商業(yè)飛船?！矮C鷹”-9火箭于2015年和2016年相繼實(shí)現(xiàn)火箭一子級(jí)陸地和海上平臺(tái)回收，并于2017年實(shí)現(xiàn)一子級(jí)的重復(fù)使用，重新定義了運(yùn)載火箭，并形成大規(guī)模、快速、低成本進(jìn)入空間能力。第三階段（2018年至今）是發(fā)展壯大時(shí)期?！矮C鷹”-9火箭從首飛開(kāi)始就進(jìn)行了大量設(shè)計(jì)上的持續(xù)改進(jìn)，在經(jīng)歷了8年的迭代升級(jí)后，終極版“獵鷹”-9（“獵鷹”-9Block5）定型。2018年獵鷹重型火箭首飛成功，成為現(xiàn)役推力最大的運(yùn)載火箭（近地軌道運(yùn)載能力63.8t）。2020年SpaceX順利發(fā)射載人“龍”飛船，這是航天飛機(jī)退役后時(shí)隔近9年美國(guó)再次自主將本國(guó)航天員送入軌道，載人“龍”飛船認(rèn)證完成最后一個(gè)重要里程碑。2021年星艦原型機(jī)SN15成功實(shí)現(xiàn)10km高度飛行演示驗(yàn)證，2023年4月“超重-星艦”執(zhí)行首次軌道級(jí)測(cè)試飛行任務(wù)，但升空后不久發(fā)生爆炸，“超重-星艦”未來(lái)將具備全箭可完全重復(fù)使用能力。SpaceX公司用了16年時(shí)間，先后研制成功“獵鷹”-1、“獵鷹”-9和“獵鷹”重型系列運(yùn)載火箭，同時(shí)已經(jīng)成功為NASA執(zhí)行了多次國(guó)際空間站貨運(yùn)補(bǔ)給和載人航天飛行任務(wù)。自2010年6月以來(lái)，獵鷹9系列火箭在13年中（截止2023年10月10日）已發(fā)射263次，其中261次成功（任務(wù)成功率99.2%），一子級(jí)成功回收219次，復(fù)用一子級(jí)發(fā)射194次。2022年“獵鷹”-9火箭復(fù)用一級(jí)火箭占當(dāng)年發(fā)射總量的93.33%（56/60），截止2023年10月10日，2023年“獵鷹”-9火箭復(fù)用一級(jí)火箭占當(dāng)年發(fā)射總量的94.12%（64/68），SpaceX擁有11枚使用次數(shù)達(dá)到10次以上的火箭，其中2枚已經(jīng)“一箭十七飛”。憑借獨(dú)一無(wú)二的火箭回收復(fù)用技術(shù)與高效運(yùn)營(yíng)，SpaceX已經(jīng)順利實(shí)現(xiàn)了低成本、大中型運(yùn)力、美國(guó)自主可控的航天發(fā)射能力，坐穩(wěn)了全球運(yùn)載第一把交椅。“獵鷹”系列火箭以出色的性能和低廉的價(jià)格，給世界航天帶來(lái)大幅沖擊和震動(dòng)，“獵鷹”-9商業(yè)發(fā)射報(bào)價(jià)甚至低于我國(guó)“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭。“星鏈”星座補(bǔ)齊商業(yè)閉環(huán)，后續(xù)實(shí)踐明顯有助于軍事利用。衛(wèi)星星座興起于20世紀(jì)90年代，通過(guò)利用低軌衛(wèi)星的覆蓋優(yōu)勢(shì)，可以擺脫鋪設(shè)光纖電纜的高成本基建，為偏遠(yuǎn)地區(qū)和發(fā)展中國(guó)家提供快速、廉價(jià)的網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)，還可以通過(guò)衛(wèi)星通信系統(tǒng)提升現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)主干的速度，形成天地一體化全球無(wú)縫覆蓋的信息網(wǎng)絡(luò)。但是上世紀(jì)90年代由于小型通信衛(wèi)星研制與發(fā)射費(fèi)用較高，導(dǎo)致系統(tǒng)建設(shè)耗資巨大，而相比發(fā)展迅猛的地面移動(dòng)通信，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信速率低，費(fèi)用高，終端昂貴，潛在市場(chǎng)有限，于是在2000年前后低軌通信與星座系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)入長(zhǎng)達(dá)十余年的建設(shè)低潮，之后隨著火箭發(fā)射成本降低、衛(wèi)星制造能力提升以及集成電路技術(shù)的進(jìn)步等，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)悄然復(fù)蘇。2015年SpaceX宣布投資“星鏈”星座，計(jì)劃2024年部署完成4425顆衛(wèi)星，2027年部署完成7518顆衛(wèi)星，預(yù)備占位衛(wèi)星30000顆，共計(jì)42000顆衛(wèi)星，是全球迄今為止規(guī)模最大的衛(wèi)星星座項(xiàng)目。SpaceX低成本火箭的研發(fā)成功促成了“星鏈”計(jì)劃的大規(guī)模建設(shè)，而“星鏈”計(jì)劃的可觀收入將用于支持SpaceX未來(lái)火星探索和移民計(jì)劃的巨大投資。2019年SpaceX以一箭60星的方式首次發(fā)射“星鏈”衛(wèi)星，目前已發(fā)射了5000多顆低地球軌道小衛(wèi)星。從2020年開(kāi)放服務(wù)至2023年9月，“星鏈”已覆蓋7個(gè)大洲，60多個(gè)國(guó)家，連接超過(guò)200萬(wàn)用戶，初步部署成功后，預(yù)期每年可以帶來(lái)幾百億美元的收益。2022年2月俄烏沖突爆發(fā)后，烏克蘭通過(guò)“星鏈”實(shí)現(xiàn)對(duì)原有地面互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的替代，展示了一個(gè)可擴(kuò)展、彈性巨型星座架構(gòu)的能力，“星鏈”計(jì)劃突破了商業(yè)邊界。2022年12月SpaceX公司發(fā)布了“星盾（Starshield）”計(jì)劃，該計(jì)劃平行于“星鏈（Starlink）”項(xiàng)目，旨在為美國(guó)提供全球部署的衛(wèi)星遙感、加密通信、其他軍用平臺(tái)模塊化托管能力。該計(jì)劃基于“星鏈”的技術(shù)和生產(chǎn)線，并與“星鏈”通信兼容?！靶嵌堋庇?jì)劃利用“星鏈”衛(wèi)星星座，為美國(guó)情報(bào)機(jī)構(gòu)、國(guó)防部等部門(mén)提供數(shù)據(jù)加密傳輸、戰(zhàn)場(chǎng)信息感知等多項(xiàng)服務(wù)，特別是為美軍一直欠缺的戰(zhàn)場(chǎng)高通量信息傳輸、戰(zhàn)場(chǎng)衛(wèi)星遙感信息獲取等方面提供支持，將有效增強(qiáng)美軍偵察遙感、通信中繼、導(dǎo)航定位、精確打擊等作戰(zhàn)能力。SpaceX公司制勝的關(guān)鍵就是低成本。SpaceX始終堅(jiān)持“簡(jiǎn)單、低成本、高可靠”的經(jīng)營(yíng)理念，使用貨架產(chǎn)品結(jié)合成熟技術(shù)，并在合理范圍內(nèi)大膽使用新材料和新工藝，打造出了性能較好的經(jīng)濟(jì)適用的金牌火箭，并以單一型號(hào)火箭撐起了美國(guó)幾乎整個(gè)航天發(fā)射能力。SpaceX火箭低成本的原因是復(fù)雜而多層次的，既有來(lái)自外部美國(guó)政府在資金、政策和技術(shù)等方面的支持，也有源于SpaceX自身在設(shè)計(jì)理念、生產(chǎn)制造、配套采購(gòu)、管理模式等方面尋求的低成本方法和策略。運(yùn)載火箭可復(fù)用技術(shù)創(chuàng)新是低成本的主要原因。“獵鷹”-9火箭的成本約5000~6000萬(wàn)美元，推進(jìn)劑成本只有20萬(wàn)美元，只有運(yùn)載火箭可復(fù)用才能推動(dòng)發(fā)射成本實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)上的降低，根據(jù)SpaceX發(fā)布的數(shù)據(jù)，在技術(shù)進(jìn)一步成熟后，僅一子級(jí)回收多次重復(fù)使用即可降低發(fā)射成本的80%。目前，在航天領(lǐng)域回收航天器有四種方式：一是利用降落傘垂直下降，我國(guó)“神舟”飛船的返回艙就采用了這種回收方式；二是在動(dòng)力輔助下通過(guò)滑翔飛行進(jìn)行回收，蘇聯(lián)的“暴風(fēng)雪”航天飛機(jī)就是采用了這種回收方式；三是單純通過(guò)滑翔飛行達(dá)到水平著陸，美國(guó)的航天飛機(jī)和X-37B采用了這種回收方式；四是通過(guò)動(dòng)力反推完成垂直回收，SpaceX的“獵鷹”-9火箭就是選擇了這種方式。方式二和方式三的共同特點(diǎn)是垂直起飛水平降落，采用帶翼飛回式結(jié)構(gòu)，曾是美國(guó)和蘇聯(lián)航天飛機(jī)選擇的回收方式，但是由于航天飛機(jī)規(guī)模過(guò)大、結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜、維修量過(guò)大、發(fā)射操作不夠靈活、飛行次數(shù)與發(fā)射頻率太低等從而造成很高的操作費(fèi)用，最終并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)降低發(fā)射成本。SpaceX公司最初曾選擇傘降方式，但是由于液體火箭貯箱難以承受落海時(shí)不可控的巨大沖擊，以及價(jià)值量最大的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)難以承受海水的浸泡和侵蝕，而且同期進(jìn)行的垂直起飛垂直降落測(cè)試的“蚱蜢”原型機(jī)不斷取得突破，所以在嘗試幾次傘降回收失敗后，“獵鷹”-9最終選擇了垂直回收模式。根據(jù)公眾號(hào)小火箭的《SpaceX可回收火箭技術(shù)與成本分析》的測(cè)算，如果SpaceX公司能夠把對(duì)第一級(jí)火箭的檢測(cè)維修成本控制在295萬(wàn)美元以內(nèi)的話，同一枚火箭的第8次發(fā)射的報(bào)價(jià)將會(huì)是一次性火箭的一半。相比航天飛機(jī)的水平滑翔回收，采用垂直回收方式會(huì)有新的技術(shù)難度。垂直回收技術(shù)主要遇到四大技術(shù)難題：（1）再入隔熱難度大。完全可重復(fù)使用火箭采用傳統(tǒng)圓柱體外形，相比流線型升力體外形，在再入返回時(shí)，所承受的氣動(dòng)熱環(huán)境和氣動(dòng)載荷環(huán)境將比發(fā)射時(shí)更加惡劣，需要材料具備耐超高溫和氣流沖蝕的特性；（2）姿態(tài)控制難度大。在返回過(guò)程中，火箭各子級(jí)再入速度大，在5k