全球最大固體火箭首飛成功,中國只想追趕Space X?
2024年1月11日,山東海陽連理島南方海面。遠遠望去,海平線上隱約可見一艘紅色的大船。大船上靜悄悄地樹立著一個下寬上細的白色圓柱體。這就是中國民商航天公司——東方空間的引力一號火箭,它即將進行海上首飛。
下午1點30分整,只見遠處火光一閃,一股巨大的煙云翻滾著劃過海面,然后火箭開始緩緩上升,長長的煙柱映在海面上,異常美麗。這一切都是在無聲無息中發生的。幾秒鐘后,巨大的聲浪砰然襲來,幾乎要擊破耳膜。雖然這種夾雜著爆裂聲的轟鳴讓心臟都有點難受,但它如此強烈而獨特,以至能感覺到一絲快感。隨著火箭快速爬升變得越來越小直至無法看清,轟鳴也漸漸減弱。空中留下了長長的白色煙云,在高空風吹拂下變成了扭曲的形狀。
引力一號在海陽以南海面****成功(圖源:東方空間)
40分鐘后,火箭****宣告成功,三顆云遙一號氣象衛星準確入軌。這是中國每年數十次航天****中普普通通的一次。但這枚火箭卻有點不走尋常路,實屬多年少見,值得一說。
它給人的第一印象是,一枚外形很萌的大火箭,身材矮胖粗壯(絕非貶義)。30米的高度,卻綁了四個和芯級一樣直徑2.65米的助推器。此外,它還有個長度9米多、直徑4.2米、和長七類似的巨大的整流罩。大頭、粗腿,Q萌的視覺效果馬上出來了。
引力一號****前在垂直測試廠房中(圖源:東方空間)
引力一號噸位也不小,妥妥超過了歐洲織女星C,成為史上最大軌道級固體火箭。它起飛重量405噸,起飛推力600噸,近地軌道(LEO)運載能力6.5噸、太陽同步軌道(SSO)運載能力4.2噸,可支持百公斤級衛星“一箭30星”****。
相比之下,航天科工快舟一號小固體30米的高度,卻只有小幾百公斤的SSO運載能力。此前國內最大固體箭力箭一號和捷龍三號,也是30米的高度,SSO運力1.5噸。而運載能力相似的長征八號和長征六號A則高達50米。歐洲織女星C高度35米,運載能力差不多只有引力一號的一半。小型箭高度,中型箭能力,這樣的火箭航天史上確實不多見。
穿上“保溫衣”的引力一號離開廠房開始垂直轉運(圖源:東方空間)
為什么這枚火箭要設計得如此之萌?道理其實很簡單。大整流罩的好處不用多說。粗短身材的穩定性對海上****來說更為重要。但做捆綁火箭還是有技術門檻的。引力一號不僅是國內火箭首次采用固-固捆綁形式,也是國際上唯一的大尺寸固-固捆綁火箭(以往有大直徑固體芯級上綁小直徑固體助推,如印度PSLV火箭)。它還有一個精妙設計:起飛時助推器點火、芯一級延遲點火的連續助推飛行模式能克服固體發動機不同步帶來的干擾。
據東方空間介紹,在三年研發期,引力一號研制團隊開展了23項大型地面試驗,489項單項試驗,1452次試驗迭代。實現了海陸通用中型火箭構型優化、低成本簡易捆綁火箭模態試驗、大推力多噴管復雜底部力熱環境預示及熱防護技術、固體捆綁火箭載荷辨識、大氣層內大后效固體助推分離技術、簡易充氣柔性保溫防護罩等等首創或首次應用的技術。技術細節過于瑣碎,不展開了。
引力一號不僅是全球運力最大固體運載火箭和國內運力最大民商火箭,也是國內海上****噸位最大火箭暨世界首型海上****捆綁式火箭。為此,這次****啟用了世界上第一艘專用火箭****與回收多功能船——東方航天港號。它載重2.2萬噸,具有無人駕駛自主航行和遠程控制能力,船身中間自帶導流槽,支持海射“三垂”測發模式,可滿足中大型運載火箭海上****需求。能和它媲美的可能只有原海射公司受損退役的奧德賽號****平臺,但奧德賽并非專門為火箭****設計。它由鉆井平臺改建而成,缺乏自主航行能力,功能也不夠全面。
已經上船的引力一號(可見導流槽)(圖源:東方空間)
即將離港的東方航天港號火箭****回收船和引力一號(圖源:東方空間)
從1月5日起短短一周內,中國已經進行了4次航天****。就在不到兩小時前,快舟一號甲火箭在酒泉****成功。但引力一號作為本年度民商火箭首發,更是第一型首飛的新火箭,外形Q萌、集眾多最大、最重、第一、首次于一身,毫無疑問引起的關注最多。但這只是2024中國航天的序幕。2024將是極為繁忙的一年,有很多精彩的看點,其中重頭戲是商業航天。
國家隊的載人航天和深空探測依然是2024年很值得關注的航天任務。中國空間站將迎來兩艘神舟飛船和兩艘天舟貨運飛船。航天員中將出現哪些新面孔,會不會有意外之喜,值得期待。深空方面,鵲橋二號中繼星和搭載的兩顆月軌通導遙星座試驗小衛星(天都一號二號)、嫦娥六號月背采樣返回任務也一定會成為全球關注焦點。
2024年意義更為深遠的一件大事是星網(又稱國網或GW)的規模化組網****。2023年,4組衛星互聯網試驗衛星相繼****,小規模組網試驗應該已在緊鑼密鼓地進行中。由于頻譜的稀缺性,國際電聯(ITU)對非地球同步軌道(NGSO)衛星星座提出了嚴格的部署節點要求。要保住頻譜權利,必須按節點要求完成****。12992顆衛星的星網星座最晚必須在未來10年內完成部署。換句話,即使拖到最后期限完成,也要求平均每年****1299顆衛星。我國目前的****能力與此還有較大差距。時不我待!
可以說,海南商業航天****場就是為星網組網****而生的。2023年底,****場一號工位竣工,二號工位導流槽等設施完成封頂。按設計,一號工位將用于長八改,而二號工位則適用于19型不同的商業火箭。用于固體火箭的三號場坪工位也已于6月開工建設。此外,有消息說擱置已久的浙江象山商業航天****場項目也可望重新啟動。
海南商業航天****場(圖源:互聯網)
海陽東方航天港近年發展迅速。除了這次剛剛投入使用的東方航天港號專用火箭****船,更穩定、可用于大型液體火箭****的半固定海上****平臺也在悄然建造中。2023年12月,博潤九州號貨船遠赴南海,在廣東陽江附近完成了捷龍三號和長十一的兩次****,為設想中未來的南方母港做了鋪墊。海上****作為地面****場的有效補充,將占據中國商業航天****一席之地。
2024年新箭首發將非常熱鬧,數量將創歷史新高,而其中幾乎都是商業火箭。引力一號只是其中的第一箭。我們羅列一下其他首發火箭。
航天科技長八改:二級從基本型的3米直徑增加到3.35米,整流罩從4.2米增加到5.2米。計劃6月在海南商業航天****場一號工位首飛。
航天科技XLV(八院3.8米箭):將成為5米直徑芯級的長五和長五乙外中國直徑最大火箭。計劃下半年在海南商業航天****場二號工位首飛。
天兵科技天龍三號:國內首型獵鷹九級別的可復用液體箭。計劃年中首飛(不回收)。如果成功將大大縮小和SpaceX的差距。
星河動力智神星一號:首枚火箭已總裝下線,計劃下半年酒泉首飛。
深藍航天星云一號:計劃在海南商業航天****場進行一子級陸上回收、海上回收飛行驗證,年底完成入軌****回收。如果成功,將成為中國第一款入軌可回收火箭。
藍箭朱雀二號改型:二級取消TQ-12加TQ-11游機方案,改為可多次啟動變推力泵前擺TQ-15A發動機,性能也有所提高。
星際榮耀雙曲線二號Y海上回收驗證箭:在海上著陸平臺重復2023年11、12月的垂直****回收試驗
除了首發箭,民商航天現役火箭****密度將繼續增加。其中谷神星一號計劃6發,力箭一號計劃5發,雙曲線一號計劃3發,朱雀二號(改型)計劃3發。加上引力一號、天龍三號、智神星一號、星云一號首發箭,中國民商航天年度****數量有望超過20發。國家隊方面也不會松懈,全年****次數大概率將再破記錄。
這是中國航天史上從未出現過的蓬勃向上的景氣局面。這是怎么發生的?其實我們都看得很清楚,星網項目的拉動效應已經開始出現。可以預期,它所創造的巨大需求將成為未來十年整個行業最重要的驅動力,將推動創新和技術進步以及成本的大幅降低,而低成本反過來又會創造出新的需求。市場規模的迅速擴大將會帶來一場產業革命。每次技術革命都是相同的邏輯,大航天時代也不例外。
馬斯克早已明白這個道理。所以他以一己之力創造了星鏈這個巨大需求,成為了可復用火箭研制的原動力。后者大幅降低****成本的能力,又使得星鏈具備了商業可行性和可持續性,從而在SpaceX內部形成了一個閉環,使可復用航天運輸系統從科學幻想變為了現實,并正在向更大規模(星艦)發展。不過,SpaceX未來仍存在一個潛在危機:競爭不夠。
中國的情況有所不同。中國沒有馬斯克和SpaceX,但有著一個擅長長期規劃、執行力超強的政府。在高鐵、核電、光伏、風能、新能源汽車等行業,政府政策主導、政府投資(或補貼)創造需求、企業公平競爭的模式屢試不爽。在商業航天領域,中國的大規模需求也由政府創造,它就是星網。
可能很多人要問,中國兩大航天集團已經有20多款在役長征、快舟、捷龍火箭,加上這些民商火箭,已經超30款了。星網的需求的確很大,但需要這么多型號的新火箭嗎?為什么不更好地利用現有資源而去做低水平重復投資?還有,民商火箭是不是已經出現泡沫?
回答:星網****需求極大,現役一次性火箭****成本很高,初期組網少量使用可以承受,但如果以它們作為主力來建設星網,即便對中國這樣經濟實力雄厚的大國,在財力上也幾乎是不可能的任務。規模化可以有效降低成本,但因火箭技術高度復雜、制造要求極高,現有火箭降本依然存在天花板。沒有選擇,主力火箭必須采用成本導向設計,實現可復用和重型化。而這恰恰是我們缺乏的。
這樣的火箭只能通過商業化來催生。激烈的市場競爭能推動創新,驅動技術的快速進步。市場會很卷,重復投資不可避免,出現一些泡沫也很正常。新能源汽車等行業也出現了類似情況,但依然蓬勃發展,終成正果。航天技術要求極高,低水平競爭者的淘汰會更早出現,因而進化效率更高。相信中國商業航天的泡沫和低水平重復問題不會很突出。
重復一下這個閉環的商業邏輯:創造巨量需求,激發市場競爭,推動技術革命,大幅降低成本,反過來進一步推動需求擴大,最終實現產業騰飛。問題的關鍵就是這個巨大的需求。只要它真真實實存在,那就一定能實現航天可持續的健康發展,推動人類走向星辰大海。
星鏈的初步成功已經證明衛星互聯網是一個真實存在的巨大需求,中國采用跟隨戰略建設星網比星鏈風險更小。我們能發揮制度優勢,國家統一規劃,國家隊牽頭實施,民企積極參與。這是個開放式體系,比SpaceX模式參與者更多、競爭更充分(卷)、產業鏈拉動更大,也有能力實施規模更大、商業盈利周期更長、靠單一公司(如SpaceX)根本不可能實施的巨型項目,比如空間太陽能電站。
中國是目前世界上空間站太陽能電站預研位于前列的國家。在西安和重慶,有兩個能量無線傳輸試驗設施已經建成或正在建設。這個十年內,將開展在軌能量傳輸實驗。2030年后將建設兆瓦級小型示范實驗電站。2050年,計劃****萬噸質量的吉瓦級商用電站。如此巨大的質量需要極低成本的****系統,這將是繼星網后驅動中國商業航天的一個規模更大的需求,也是民商航天企業的巨大機會。
西安電子科技大學“逐日工程”太陽能電站地面驗證設施(圖源:西電)
此外,空間站技術的成熟和****成本的迅速降低,會推動太空旅游的需求增長。因為人口基數巨大,當太空旅游的費用降低到某個門檻,將會引發指數級增長和市場爆發。在剛剛過去的年末,中國可控核聚變創新聯合體正式宣布成立,中國聚變公司舉行揭牌儀式,國務院國資委啟動未來產業啟航行動,明確可控核聚變為未來能源唯一方向。這意味著,到月球開采氦三礦產可能也不遠了。
這些巨型項目不僅會有力促進可回收火箭和空天飛機等低成本航天運輸系統的發展和成熟,也會推動太空基礎設施如商業空間站(太空酒店)和太空工業設施如電站、月礦的建設。中國的經濟實力和制度優勢讓我們有很大機會在這些領域成為領導者。中國商業航天企業在超卷環境下成長,競爭力強悍,前景十分光明。
扯遠了。讓我們把思路從未來拉回到2024年。2024年中國商業航天的格局將如何演變?會不會很快進入淘汰賽?
中國民商火箭已經進入了以液體火箭為目標的下半場。有意思的是,很多公司都不約而同地對標獵鷹九號推出了大中型可復用液體火箭,比如天兵科技的天龍三號、藍箭航天的朱雀三號、星際榮耀的雙曲線三號。按計劃它們都將在今明兩年內實現首飛。
東方空間不僅成功****了最大固體箭引力一號,也同樣在研制對標獵鷹九號的引力二號可回收液體火箭。12月上旬,用于引力二號的百噸級原力-85液氧煤油發動機在無錫完成了半系統試車。這是一臺采用針栓式噴注器、對標SpaceX梅林1D的可復用變推力發動機。引力二號芯一級將采用9臺原力-85,芯二級采用一臺原力-85真空版。該箭****質量690噸,近地軌道載荷能力15噸,計劃于2025年首飛。
原力-85發動機模型(圖源:互聯網)
其實,各家頭部民商火箭公司的技術路線和市場策略也不盡相同。比如,藍箭all in甲烷箭,穩扎穩打,意在厚積薄發。天兵善于整合資源,欲利用成熟煤油技術出奇制勝、后來居上。星河動力則堅持固液并舉路線,先市場后技術,可能最早實現商業盈利。東方空間估計也會走固液并舉路線。星網初期組網****對成本相對不敏感,引力一號中型固體箭馬上可以享受星網紅利。
縱觀2024和2025年,星網組網市場火箭供應其實還是不足的。長八改應該是主力。長六甲、朱雀二號、引力一號等中型箭或可作為補充。力箭一號、捷龍三號、長二丙、長二丁,以及其他民商火箭也都有機會。中國商業火箭將進入快速上升期。
兩三年后,隨著新火箭成熟、****頻率的提高和競爭者的增加,市場有可能會出現一定過剩,殘酷的淘汰可能會出現。但頭部公司應該都能存活,淘汰的可能是技術、產品、管理、商業模式存在問題的公司。
對一部分公司來說,小固體火箭是快速建立能力的捷徑,是交給資本的入場券。這不是問題,只做固體才是問題。由于在成本、復用性、自主可控等方面存在限制,當可復用液體箭成為市場主流,固體箭就會失去商業競爭力,也許只能作為補充,服務特定利基市場。
可以預見,中國民商火箭公司很快都將轉向可復用液體火箭。民商航天和國家隊將共同上場演繹商業航天的未來。最早2024年下半年,中國商業航天可能進入爆發期。精彩而殘酷的競爭即將展開。數年后經過淘汰留下的頭部公司們不僅在國內能和兩大航天集團并駕齊驅,還將具備國際競爭力,挑戰SpaceX。當然,如何突破地緣政治障礙是另一個問題了。
海陽的海面又恢復了平靜。那艘紅色大船依然在遠處海平線上,近處只有一群海鷗在自由自在地翱翔,發出歐歐的叫聲。天空中,長長的白色煙云早已消失,一切似乎都已回復正常。
不久的未來,海陽人將習慣隔三岔五的火箭****。對頭頂上扭曲的白色云煙,或者照亮夜空的巨大光亮和火焰,他們將波瀾不驚。
來源:科工力量
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