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陳藍(lán):商業(yè)火箭頭部公司已然浮現(xiàn),誰會成為中國的SpaceX?
最后更新: 2023-09-01 11:05:00火箭研制的內(nèi)在規(guī)律:動力先行、厚積薄發(fā)
SpaceX取得現(xiàn)在的成就不是偶然的。尊重客觀規(guī)律、持之以恒地向動力系統(tǒng)研發(fā)傾斜是它的成功秘訣之一。
火箭作為一種高復(fù)雜性、高可靠性、高精密性的系統(tǒng)集成產(chǎn)品,其研制過程是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。影響火箭研制周期的主要因素包括動力系統(tǒng)的研制、全箭的總裝和測試,以及配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等。如果涉及新技術(shù)和新工藝,則更需要長時間的驗(yàn)證和反復(fù)優(yōu)化。這是火箭研制的基本規(guī)律?;鸺兄谱罾щy的部分從來都不是理論設(shè)計(jì),而是工程實(shí)現(xiàn)。所以,不管是什么類型的火箭,如果從發(fā)動機(jī)開始自主研制的話,周期都是很長的,因?yàn)榘l(fā)動機(jī)通常就是影響火箭研制周期的關(guān)鍵。
相比固體發(fā)動機(jī),液體火箭發(fā)動機(jī)無論是結(jié)構(gòu)還是工藝更為復(fù)雜。一款新型的液體發(fā)動機(jī)從開始立項(xiàng)到投產(chǎn)使用,期間需要反復(fù)經(jīng)歷“設(shè)計(jì)-制造-總裝-試車-設(shè)計(jì)優(yōu)化-制造-總裝-試車-設(shè)計(jì)優(yōu)化……”的循環(huán)。設(shè)計(jì)的優(yōu)化需要底層數(shù)據(jù),底層數(shù)據(jù)只能通過地面試車或者飛行試驗(yàn)來獲取,而設(shè)計(jì)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)往往又需要新工藝的配合,新工藝的摸索又需要時間來驗(yàn)證。
在單臺發(fā)動機(jī)的性能和穩(wěn)定性通過充分驗(yàn)證后,火箭企業(yè)還需要通過子級動力系統(tǒng)試車來驗(yàn)證多臺發(fā)動機(jī)之間的協(xié)調(diào)性和一致性,以及增壓輸送系統(tǒng)的合理性和可靠性。由于火箭動力系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)等其他系統(tǒng)是深度耦合、相互影響的關(guān)系,在動力系統(tǒng)得到驗(yàn)證后,還需要通過多種測試,進(jìn)一步驗(yàn)證動力系統(tǒng)和其他系統(tǒng)之間的匹配性,包括一系列的接口管理、震動管理和受力分析等,過程中則需要通過設(shè)計(jì)或工藝上的優(yōu)化和調(diào)整,不斷對火箭進(jìn)行調(diào)試,這也是一個相對漫長的過程,進(jìn)一步拉長了火箭的研制周期。
從行業(yè)規(guī)律來看,一款液體火箭發(fā)動機(jī)從立項(xiàng)研制到達(dá)到成熟狀態(tài),需要近10年的時間。以SpaceX的梅林發(fā)動機(jī)為例,發(fā)動機(jī)從開始研制到首次飛行驗(yàn)證(用于獵鷹一)耗時6年,從開始研制到應(yīng)用于成熟型號(獵鷹九)耗時10年。梅林發(fā)動機(jī)在首飛驗(yàn)證后又用了近10年時間反復(fù)迭代更新,才達(dá)到目前的成熟穩(wěn)定狀態(tài)。
下面是全球范圍內(nèi)已進(jìn)行過軌道發(fā)射(按首飛時間排列,含失?。┑纳虡I(yè)火箭??梢妱恿ο到y(tǒng)研制方式對研制周期的重大影響。自研液體發(fā)動機(jī)到成熟普遍需要10年左右的時間。
· 獵鷹一號(SpaceX):煤油,發(fā)動機(jī)自研,研制周期約6年(2002-2008)
· 獵鷹九號(SpaceX):煤油,沿用獵鷹一號發(fā)動機(jī),研制周期約5年(2005-2010)
· 電子號(Rocket Lab):煤油,發(fā)動機(jī)自研,研制周期約7年(2012-2018)
· 朱雀一號(藍(lán)箭航天):固體,發(fā)動機(jī)外采,研制周期約1年(2017-2018)
· 雙曲線一號(星際榮耀):固體,發(fā)動機(jī)外采,研制周期約2.5年(2017-2019)
· 谷神星一號(星河動力):固體,發(fā)動機(jī)部分外包,研制周期約2.5年(2018-2020)
· 力箭一號(中科宇航):固體,發(fā)動機(jī)外采,研制周期約3年(2019-2022)
· 朱雀二號(藍(lán)箭航天):甲烷,發(fā)動機(jī)自研,研制周期約8年(2016-2023)
· 人族一號(Relativity Space):甲烷,發(fā)動機(jī)自研,研制周期約8年(2015-2023)
· 天龍二號(天兵科技):煤油,發(fā)動機(jī)外采,研制周期約2年(2021-2023)
· 星艦-超重(SpaceX):甲烷,發(fā)動機(jī)自研,研制周期約11年(2012-2023)
正是因?yàn)橐后w火箭發(fā)動機(jī)研制周期漫長、投入巨大,基于一型發(fā)動機(jī)進(jìn)行長時間的反復(fù)優(yōu)化和驗(yàn)證,不斷挖掘發(fā)動機(jī)的性能,同時提高可靠性,厚積薄發(fā),也已成為航天發(fā)動機(jī)的基本研制規(guī)律。
在SpaceX率先實(shí)現(xiàn)火箭復(fù)用并做出了大幅降低發(fā)射費(fèi)用的示范后,可回收火箭都成為了商業(yè)火箭公司的最終目標(biāo)。國內(nèi)頭部商業(yè)火箭公司也無一例外地選擇了液體火箭這條路線,但實(shí)現(xiàn)途徑略有不同,比如固液并進(jìn)、以固養(yǎng)液(星河動力、星際榮耀、中科宇航),或?qū)W⒁喊l(fā)、穩(wěn)步推進(jìn)(藍(lán)箭),又或借力加速、跨越發(fā)展(天兵科技)。但歸根結(jié)底,都要尊重液體火箭研制的內(nèi)在規(guī)律。關(guān)鍵依然是火箭的核心配套系統(tǒng)(動力系統(tǒng))。事實(shí)上,可復(fù)用動力系統(tǒng)需要更多的時間來達(dá)到所需的成熟度和可靠性。這也是SpaceX梅林和猛禽兩款發(fā)動機(jī)給予我們的寶貴經(jīng)驗(yàn)。
SpaceX 猛禽發(fā)動機(jī)點(diǎn)火測試
機(jī)遇和挑戰(zhàn)
中國商業(yè)航天經(jīng)過近十年發(fā)展,正在漸入佳境,但面臨的挑戰(zhàn)也巨大。到目前為止,商業(yè)火箭還沒有進(jìn)入主流的大中型商業(yè)衛(wèi)星市場,還沒有一家商業(yè)火箭公司實(shí)現(xiàn)盈利并真正開始商業(yè)運(yùn)營,市場占有率微不足道。國內(nèi)商業(yè)火箭公司目前仍處于發(fā)展初期,商業(yè)航天整體市場和國內(nèi)外大環(huán)境還有很大的不確定性,技術(shù)上也和SpaceX差距巨大。
我們要認(rèn)識到這個差距,但也應(yīng)該看到前面巨大的機(jī)遇。從歷史的角度看,商業(yè)航天可能是二十一世紀(jì)最大的風(fēng)口。而航天越來越成為中美兩國的游戲,我們已經(jīng)在商業(yè)航天領(lǐng)域做到了第二。此外,中國經(jīng)濟(jì)依然長期看好、商業(yè)航天市場正在成型、中國政府產(chǎn)業(yè)政策(包括商業(yè)航天)具有延續(xù)性和長期執(zhí)行能力、中國民營企業(yè)蘊(yùn)含巨大潛能,我們沒有理由不樂觀。
未來,中國商業(yè)航天頭部公司中必定也會出現(xiàn)像SpaceX那樣的巨頭。誰會成為中國的SpaceX?那就要看企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人的遠(yuǎn)見、毅力和定力。只要遵循火箭產(chǎn)品的底層邏輯和火箭研制的內(nèi)在規(guī)律,堅(jiān)持不懈,就一定會取得成功。
這個歷史性的機(jī)遇不僅是留給創(chuàng)業(yè)者和企業(yè)的,也是留給資本和投資者的。未來十年,依然會是中國商業(yè)航天發(fā)展的黃金期。對資本來說也一樣,只要充分理解火箭研制的底層邏輯和內(nèi)在規(guī)律,就能洞察到企業(yè)的本質(zhì)和真正的能力,就能抓到機(jī)會。參照SpaceX對商業(yè)航天公司進(jìn)行估值也許也是個聰明的做法。中國商業(yè)航天的發(fā)展需要資本的支持,這也是資本在“后房地產(chǎn)時代”應(yīng)該做的正確事情。
人類進(jìn)入太空已經(jīng)半個多世紀(jì),但最好的時代剛剛到來。再過十年,我們今天盤點(diǎn)的中國商業(yè)火箭先行者們還都會安好嗎?歷史的發(fā)展往往超過我們的想象力。也許,我們有機(jī)會見證奇跡的發(fā)生。
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