國外新型商業(yè)小型運(yùn)載火箭成本控制措施簡析

楊浩亮 劉立東 郭鳳明 （北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

國外新型商業(yè)小型運(yùn)載火箭成本控制措施簡析

楊浩亮 劉立東 郭鳳明 （北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

A Review of the Cost Efficiency Measures on International Small Launchers

1 國外商業(yè)小型運(yùn)載火箭介紹

為了向衛(wèi)星運(yùn)營商提供諸多特色服務(wù)，迅速占領(lǐng)市場，國外運(yùn)載火箭研制商均結(jié)合自身的技術(shù)優(yōu)勢，打造具有明顯自身技術(shù)特點(diǎn)的低成本商業(yè)小火箭。

“織女星”運(yùn)載火箭

“織女星”（Vega）運(yùn)載火箭是歐洲航天局（ESA）從2003年開始啟動研制、以意大利固體推進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)、多個歐洲國家參與研制的一種小型運(yùn)載火箭，目的是作為阿里安－5（Ariane－5）火箭和“聯(lián)盟”（Soyuz）火箭的補(bǔ)充，用于發(fā)射政府和商用小型有效載荷。“織女星”為小型單體三級固體燃料火箭，外加一個液體推進(jìn)上面級模塊和有效載荷整流罩，全箭最大直徑3m、全長30m。目前，“織女星”火箭的運(yùn)載能力可把質(zhì)量1450kg的有效載荷發(fā)射到400km高的太陽同步軌道，也可把1430kg的有效載荷發(fā)射到700km高的極軌道。火箭第一級使用P80固體發(fā)動機(jī)，第二級和第三級發(fā)動機(jī)為Zefiro－23和Zefiro－9固體發(fā)動機(jī)，外加使用常規(guī)液體推進(jìn)劑的上面級模塊。

“艾普斯龍”運(yùn)載火箭

“艾普斯龍”（Epsilon）運(yùn)載火箭為日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）研發(fā)的固體運(yùn)載火箭。“艾普斯龍”是日本M－5固體火箭的后繼型號，已于2013年成功完成了1次發(fā)射。“艾普斯龍”包括兩種構(gòu)型，基本型為三級固體火箭，全長24m、最大直徑2.6m，能夠?qū)?200kg的有效載荷送入250km×500km的低地球軌道；擴(kuò)展型是在基本型的基礎(chǔ)上增加了一個小型液體推進(jìn)系統(tǒng)作為第四級，全長24m、直徑2.6m，質(zhì)量稍大于基本型火箭，能夠?qū)?00kg有效載荷送入500km近地圓軌道，或?qū)?50kg有效載荷送入500km的太陽同步軌道。

“螢火蟲”運(yùn)載火箭

“螢火蟲”（FireFly）運(yùn)載火箭由2013年成立的新興商業(yè)航天公司螢火蟲空間系統(tǒng)公司開展研制，目前仍處于研制中狀態(tài)，預(yù)計于2018年為美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射立方體衛(wèi)星，在2022－2023年達(dá)到每年50次的發(fā)射頻度。

“螢火蟲”為兩級液體火箭，前期采用液氧/煤油作為推進(jìn)劑，后期將逐漸改為液氧/甲烷發(fā)動機(jī)。全箭最大直徑1.8m、長23.5m，目標(biāo)太陽同步軌道運(yùn)載能力為200kg。火箭的一級采用8臺氣動塞式（Aerospike）噴管的擠壓式液氧/甲烷發(fā)動機(jī)，二級采用1臺傳統(tǒng)噴管式發(fā)動機(jī)。其液氧/甲烷儲箱使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造，采用自生增壓的方式。甲烷和液氧作為其發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑，這在近地軌道衛(wèi)星發(fā)射器中屬于首例。

“電子”運(yùn)載火箭

“電子”（Electron）是美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司研制的新型小型運(yùn)載火箭，該公司成立于2006年，在新西蘭擁有分部。“電子”火箭已經(jīng)獲得行星公司（Planet）、月球快車公司（Moon Express）等的訂單。2017年開展首次商業(yè)發(fā)射，但由于發(fā)射程序錯誤，首飛失利。第二次發(fā)射計劃于2018年底開展。“電子”火箭為兩級液體運(yùn)載火箭，使用“盧瑟福”（Rutherford）液氧/煤油發(fā)動機(jī)，目標(biāo)500km的太陽同步軌道運(yùn)載能力為150kg。全箭最大直徑為1.2m、長16m。該火箭預(yù)計發(fā)射成本僅為490萬美元，規(guī)劃在未來實(shí)現(xiàn)每年100次發(fā)射。“電子”小型運(yùn)載火箭采用電池驅(qū)動發(fā)動機(jī)，其發(fā)動機(jī)制造工藝采用電子束熔煉3D打印技術(shù)。

2 國外商業(yè)小型運(yùn)載火箭成本控制分析

注重模塊化、通用化設(shè)計

火箭上產(chǎn)品模塊化、通用化已經(jīng)成為了一種廣泛獲得認(rèn)可的成本控制措施。

“螢火蟲”火箭的一、二子級發(fā)動機(jī)雖然分別采用的是氣動塞式噴管和鐘形噴管，但2臺發(fā)動機(jī)使用的是完全相同的燃燒室，2臺發(fā)動機(jī)除噴管選擇外基本相同。選擇使用相同的發(fā)動機(jī)能有效減少研發(fā)、測試和制造成本。“米諾陶”（Minotaur）系列運(yùn)載火箭就使用了大量通用的航電設(shè)備和結(jié)構(gòu)，不僅降低了成本而且優(yōu)化了質(zhì)量。“織女星”火箭上同樣使用了大量的通用化產(chǎn)品，這些產(chǎn)品都可以使用在“阿里安”系列火箭上，例如飛控系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等。一種新的通用化思路是對液體發(fā)動機(jī)的通用化。

“電子”火箭各級電氣系統(tǒng)采用了模塊化硬件結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場可編程門陣列及實(shí)時傳輸系統(tǒng)技術(shù)，以增強(qiáng)運(yùn)載系統(tǒng)適應(yīng)性。據(jù)報道只需對其編程就可以完成不同的功能定制，可以大幅減少硬件改動，縮短生產(chǎn)制造周期。在達(dá)到較為理想的響應(yīng)速度和高可靠性的同時，電氣系統(tǒng)質(zhì)量僅為8.6kg。動力系統(tǒng)采用通用化、模塊化的設(shè)計理念，火箭共采用10臺“盧瑟福”液氧/煤油發(fā)動機(jī)，其中一級采用的9臺“盧瑟福”發(fā)動機(jī)完全相同，二級采用真空型“盧瑟福”發(fā)動機(jī)，換裝大擴(kuò)張比噴管，這與采用多發(fā)同等狀態(tài)發(fā)動機(jī)并聯(lián)的美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）不謀而合：均是利用自身技術(shù)優(yōu)勢，將其效能發(fā)揮到最大。

充分利用成熟火箭部件和技術(shù)

對于美國軌道科學(xué)公司（OSC）、歐洲航天局等機(jī)構(gòu)來說，由于擁有過往成熟固體導(dǎo)彈或火箭的技術(shù)儲備，在研發(fā)制造新型運(yùn)載火箭時可以大量借用成熟固體火箭的部件和技術(shù)，在增加可靠性的同時也有效減少了研發(fā)和制造成本。

“艾普斯龍”運(yùn)載火箭同樣大量使用了過往日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的成熟部件和技術(shù)。“艾普斯龍”火箭一子級采用的是H-2A火箭的固體助推器，二、三子級則由退役的M－5火箭改進(jìn)獲得。“織女星”火箭的一子級P80固體發(fā)動機(jī)由阿里安－5的固體助推器改進(jìn)獲得，而針對P80的后續(xù)技術(shù)發(fā)展將會反過來應(yīng)用于“阿里安”系列后續(xù)火箭的固體助推器。通過將“織女星”項(xiàng)目與“阿里安”系列火箭的結(jié)合發(fā)展，歐洲航天局可以在逐步推進(jìn)新技術(shù)研制的同時降低整體研發(fā)成本。

采用新材料、新技術(shù)減少發(fā)射成本

“艾普斯龍”火箭在發(fā)射控制方面進(jìn)行了多項(xiàng)創(chuàng)新，具有高度智能的自主檢測系統(tǒng)及發(fā)射控制系統(tǒng)。箭上計算機(jī)可在發(fā)射前對火箭上各系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行自主監(jiān)控、故障診斷，并實(shí)施故障隔離及恢復(fù)，甚至包括箭上點(diǎn)火系統(tǒng)的檢查。在發(fā)射控制過程中，僅需要配備便攜式電腦的少量操作人員，通過互聯(lián)網(wǎng)在世界的任何地方檢查和控制火箭發(fā)射，未來將有可能實(shí)現(xiàn)發(fā)射場不再需要發(fā)射控制系統(tǒng)。

隨著計算機(jī)和電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品在逐漸往小型化發(fā)展，計算機(jī)系統(tǒng)也在向簡易化、智能化發(fā)展，因此優(yōu)化電子系統(tǒng)也是一個重要的新技術(shù)采用方向。“電子”火箭采用了基于通用硬件的分布式計算架構(gòu)，計算模塊分布在每級箭體上。計算節(jié)點(diǎn)采用了當(dāng)前最高水平的現(xiàn)場可編程門陣列架構(gòu)，允許在保證硬件通用性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)海量的功能定制。經(jīng)過優(yōu)化，“電子”火箭上的航電系統(tǒng)總質(zhì)量僅8.6kg，在降低火箭總質(zhì)量的同時節(jié)約了研發(fā)時間與成本，從而實(shí)現(xiàn)了高頻率與低成本發(fā)射的目的。

“電子”火箭的“盧瑟福”發(fā)動機(jī)則采用了新的動力模式。利用新型鋰電池驅(qū)動的無刷直流電機(jī)來驅(qū)動泵。使用電泵讓發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡潔，為發(fā)動機(jī)省去了許多管路和閥門，有效減輕了發(fā)動機(jī)的總質(zhì)量。新型鋰電池的能量密度更高，加上電泵的能量利用效率可以高達(dá)95%，與傳統(tǒng)泵相比使用電泵有效減少了所需燃料的質(zhì)量。除此之外，“電子”火箭所使用的“盧瑟福”發(fā)動機(jī)，其主要部件均采用3D打印制造而成，每臺發(fā)動機(jī)的再生冷卻燃燒室、噴注器、泵和主推進(jìn)劑閥門等最快可在24h內(nèi)完成打印，便于發(fā)動機(jī)低成本、快速和批量制造，相比傳統(tǒng)工藝減少了制造成本。根據(jù)美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司的估算，“盧瑟福”發(fā)動機(jī)為“電子”火箭降低成本做出了最大貢獻(xiàn)。

新材料使用的一個典型例子是新型碳復(fù)合材料。通過采用復(fù)合材料代替金屬材料可以有效減輕火箭的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提升有效載荷的運(yùn)載能力，降低每千克載荷的發(fā)射成本。“織女星”火箭的一級發(fā)動機(jī)殼體采用IM7碳纖維材料，這也是目前試驗(yàn)過的最大的整體式高質(zhì)量比、高性能碳纖維材料殼體；其二、三級火箭發(fā)動機(jī)殼體則采用T1000G與UF3325樹脂的復(fù)合材料。2種小型液體運(yùn)載火箭則采用全碳復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料，其中美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司已經(jīng)投入了大量精力研究將碳復(fù)合材料應(yīng)用于液氧貯箱制造上。“電子”火箭整流罩采用碳纖維復(fù)合材料，總質(zhì)量只有30kg。

新技術(shù)、新材料的大膽使用帶來了實(shí)實(shí)在在的效益。高度智能的自主檢測系統(tǒng)及發(fā)射控制系統(tǒng)的利用，提升了火箭的快速響應(yīng)能力，大大縮短了火箭射前準(zhǔn)備時間；碳纖維整流罩的使用提高了運(yùn)載效率；3D打印的規(guī)模化應(yīng)用以及簡化測發(fā)控流程等，顯著降低了發(fā)射成本。

3 國外商業(yè)小型運(yùn)載火箭的啟發(fā)

小衛(wèi)星發(fā)射商業(yè)化運(yùn)營是大勢所趨

針對小衛(wèi)星發(fā)射市場，商業(yè)模式日趨靈活，從歐美目前的市場分析看，商業(yè)小衛(wèi)星發(fā)射已成為不可逆轉(zhuǎn)的長期趨勢。商業(yè)小衛(wèi)星發(fā)射業(yè)務(wù)在產(chǎn)品、投資、服務(wù)和生產(chǎn)制造等方面與傳統(tǒng)航天發(fā)展思路不同，快速響應(yīng)、用戶需求和以低廉價格贏得市場是小型運(yùn)載商業(yè)航天快速崛起的根本。正如，螢火蟲空間系統(tǒng)公司、美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司等正是憑借其低成本發(fā)射獲得了小衛(wèi)星發(fā)射航天市場的青睞。

但是，航天一直都是高技術(shù)、高投入、高風(fēng)險的事業(yè)。伴隨著巨大成就的取得，其風(fēng)險問題也日益凸顯。如何把握商業(yè)航天低成本、快速響應(yīng)與傳統(tǒng)航天高質(zhì)量、高可靠性之間的平衡點(diǎn)，成為了當(dāng)前小衛(wèi)星發(fā)射商業(yè)化服務(wù)面臨的重要問題。但是無論如何，商業(yè)航天已成為不可逆轉(zhuǎn)的長期趨勢。

強(qiáng)化管理降低成本是關(guān)鍵之舉

低成本是新一代的商業(yè)小型運(yùn)載公司低價戰(zhàn)略得以實(shí)施的關(guān)鍵因素，其在成本控制方面的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在4個方面。

（1）扁平化的組織結(jié)構(gòu)

例如螢火蟲空間系統(tǒng)公司，只有極少數(shù)中間管理層，在總裁羅伯特·海因萊茵（Robert Heinlein）和底層員工之間絕不會超過兩級，領(lǐng)導(dǎo)層和員工可以毫無降阻地交流，他和所有的員工一樣在格子間工作。這種管理模式極大地激發(fā)了公司內(nèi)部溝通和運(yùn)行效率，同時也減少了龐大的中間層級人員的開支。

（2）一站式生產(chǎn)

商業(yè)小型運(yùn)載公司走的是“轉(zhuǎn)包+總裝”之路。拿到訂單后，發(fā)射公司將組件訂單分發(fā)到組件生產(chǎn)商，組件交付后由發(fā)射公司進(jìn)行總裝集成。這一模式避免了由于單一供應(yīng)商所導(dǎo)致的木桶效應(yīng)，并加強(qiáng)了公司在質(zhì)量、成本和計劃調(diào)度管理等多方面的競爭力。

（3）簡約化設(shè)計

設(shè)計簡約化是眾多信息技術(shù)公司近年來的發(fā)展趨勢，商業(yè)小運(yùn)載公司也將這一理念植入到小型運(yùn)載火箭中，極力主張產(chǎn)品線的簡約以及部件的可重用和模塊化。例如，“螢火蟲”小型運(yùn)載火箭的二級貯箱在結(jié)構(gòu)上是一級貯箱的縮短版，采用相同的工具、材料以及加工技術(shù)；模塊化設(shè)計使得生產(chǎn)周期大大縮短，并提高了材料和部件使用效率。

（4）裝備現(xiàn)代化

得益于企業(yè)小型化、年輕化的優(yōu)勢，小衛(wèi)星發(fā)射公司，如美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司的小型運(yùn)載火箭，從建立之初就走上了現(xiàn)代化先進(jìn)制造之路，從CAD設(shè)計到數(shù)字化生產(chǎn)管理再到3D打印，一系列現(xiàn)代技術(shù)和工具使這些商業(yè)公司能夠以最少的成本制造出質(zhì)量有保證的產(chǎn)品。與那些發(fā)射界的老大哥們不同，這些新晉公司員工不用對付或者維護(hù)舊軟件、舊設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，也不用為了遷移到新系統(tǒng)而費(fèi)錢費(fèi)力，再一次體現(xiàn)了年輕企業(yè)的活力。

商業(yè)小運(yùn)載政策開放增強(qiáng)市場競爭與活力

在商業(yè)小衛(wèi)星發(fā)射市場上，美國國家航空航天局、歐洲航天局在政策上支持私營企業(yè)的發(fā)展，旨在培育一個競爭的市場，使其穩(wěn)固商業(yè)航天市場的領(lǐng)先地位，并最終實(shí)現(xiàn)整個航天工業(yè)的繁榮發(fā)展。在“簡單、低成本和高可靠”的經(jīng)營理念下，小衛(wèi)星進(jìn)入低軌道的費(fèi)用、研制費(fèi)用和研制時間也大幅降低。國家和政府從原來的服務(wù)提供方變成了服務(wù)的直接購買方，與私營企業(yè)的合作完全按照商業(yè)化的模式運(yùn)行。這種商業(yè)競爭模式有力地促進(jìn)了資源的最佳配置和商業(yè)航天工作的轉(zhuǎn)型發(fā)展。雖然這些私營小型衛(wèi)星發(fā)射公司羽翼尚未豐滿，但它們的發(fā)展拉近了航天工業(yè)與社會的距離，其創(chuàng)新的管理模式和技術(shù)模式使得這個市場更加具有活力和競爭力。

4 結(jié)語

“天下大勢，分久必合，合久必分”。運(yùn)載火箭的技術(shù)發(fā)展也經(jīng)歷了由小到大再由大到小的變革，放眼國際發(fā)射服務(wù)市場，何止三足鼎立！在這樣一個群雄爭斗、新貴并起的時代，如何在變化中謀求發(fā)展，在發(fā)展中尋找機(jī)會，是每一個有責(zé)任、有理想、有信念的航天人都應(yīng)該時刻拷問自己的命題。在國家實(shí)施各項(xiàng)改革措施、經(jīng)濟(jì)更加開放的大格局、大環(huán)境下，我們更應(yīng)該積極主動跳出體制之囿，擁抱自由市場，用市場的力量錘煉出扎實(shí)的技術(shù)體系和健全的組織架構(gòu)。利劍在手，逐鹿中原，一代代航天人幾十年孜孜不倦拼搏積累下來的扎實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)和豐富開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，必能支撐著我們在國際運(yùn)載服務(wù)的舞臺上摘下最亮的一顆星。發(fā)展小型運(yùn)載火箭技術(shù)和能力，符合當(dāng)下商業(yè)發(fā)射技術(shù)發(fā)展的潮流，是我們朝著商業(yè)化道路邁出一小步，卻也是從中國真正走向世界的一大步。這一刻，我們的肩頭，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，使命與責(zé)任并重。

一個健全的行業(yè)不僅僅能夠得到發(fā)展或獲得創(chuàng)新，同時還能發(fā)現(xiàn)市場發(fā)展的機(jī)會并巧妙利用。在小衛(wèi)星蓬勃發(fā)展的同時，國際上掀起一股商業(yè)小型運(yùn)載火箭的熱潮。日前，國外多家小型衛(wèi)星發(fā)射公司就很好地證明了這點(diǎn)。商業(yè)航天發(fā)射小衛(wèi)星的需求牽引著小型運(yùn)載的研制和生產(chǎn)，“快速、機(jī)動、靈活、廉價”正成為商業(yè)小型運(yùn)載火箭新的發(fā)展趨勢，諸如螢火蟲空間系統(tǒng)公司（FSS）、英國維珍銀河公司（Virgin Galactic）、美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司（Rocket Lab）等私人航天公司，正是憑借其低成本、快速響應(yīng)的商業(yè)運(yùn)作模式獲得了小衛(wèi)星發(fā)射市場的青睞。