關于發展商業小火箭的幾點思考

劉佳佳，嚴寶峰，畢永濤，布向偉，宋永生

（北京宇航系統工程研究所，北京100076）

0 引言

2006—2015年的10年間，全球共發射了780顆微小衛星，市場總額達125億美元；而2016—2025年，全球將發射約3600顆微小衛星，其中2／3為小衛星星座，市場總額將達220億美元。為搶占軌道、頻段及牌照資源，國內外商業衛星公司及星座發射計劃層出不窮，如OneWeb計劃通過小衛星提供覆蓋全球的高速互聯網服務，SpaceX公司也推出了萬顆級小衛星星座計劃。國內方面，近10年國家從政策上逐步放開了衛星制造、應用權限，民營企業進入航天領域熱情高漲，國內商業衛星公司組網服務計劃紛紛出臺，微小衛星研制部門激增，國內商業小衛星發射需求逐年增長［1］。

在小衛星蓬勃發展的同時，國際上也掀起一股商業小火箭發展的熱潮［2］，商業小火箭是以執行商業發射任務為目標，運載能力1000kg及以下的運載火箭。從以米諾陶、艾普西隆、CZ－11等為代表的主流運載工具，到部分初創公司推出的概念型商業小火箭，均瞄準廣闊的商業發射市場，力求為新時代背景下的航天產業提供更好的服務，然而在發展的不斷探索中也存在一些爭議性問題。本文旨在通過分析和思考當前商業小火箭發展中面臨的問題，給出我國商業小火箭發展的建議，為其更好的發展提供新的思路。

1 商業小火箭的技術特點

1．1 國外商業小火箭的發展

隨著小衛星市場的蓬勃發展及科技的不斷進步，商業小火箭市場迎來了許多投資者和參與者。從國際范圍看，眾多新興公司或具有一定經濟基礎的跨界企業都瞄準了小衛星發射市場，針對低軌1000kg以下的運載能力已推出或即將推出各類商業小型運載火箭。據統計，全球正在開展商業小火箭研制的公司接近20家，其中部分火箭已經完成了首飛或多次發射；部分火箭完成了設計與生產，即將進行飛行試驗；還有部分公司在探空火箭或運載火箭相關技術基礎上，已經完成了某些關鍵部件的研制；另外還有一些公司暫時只停留在方案設計階段［3］。

目前已經實現發射的國際商業小火箭包括美國的法爾肯 （獵鷹）－1、金牛座、米諾陶－1、飛馬座XL、超級斯迪比、電子號，俄羅斯的起跑號，日本的艾普西隆、SS－520－4等［4］；尚未進行飛行試驗的商業小火箭包括美國的運載器一號、阿爾法、空中發射輔助航天運輸系統［5］、前進發射者，西班牙的藍星、亞里安1、亞里安2等。國外小火箭的基本情況如表1和圖1所示。

表1 國外主要商業小型火箭基本情況表Tab．1 Foreign major small commercial launch vehicles

圖1 國外的小型商業火箭 （電子號、艾普西隆、超級斯迪比）Fig．1 Foreign small commercial launch vehicles（Electron、Epsilon、Super strypi）

1．2 國外小火箭商業發展的技術途徑

為了向衛星運營商提供諸多特色服務，迅速占領市場，國外的研制商均結合自身的技術優勢，打造具有明顯自身技術特點的低成本商業小火箭。商業小火箭最關鍵的是要性價比高，國外小火箭商業價格的目標正在從3萬～5萬美元／kg降至1萬美元／kg。實現高性價比離不開合理的技術途徑。目前，國外小火箭商業化及低成本發展的技術途徑主要有以下兩個方面：

（1）注重通用化和模塊化設計

電子號火箭各級電氣系統均采用了模塊化硬件結構，采用現場可編程門陣列及實時系統技術增強運載系統適應性，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，縮短生產制造周期。在達到較為理想的響應速度和高可靠性的同時，電氣系統質量僅為8．6kg。動力系統采用通用化、模塊化的設計理念，火箭共采用10臺盧瑟福液氧／煤油發動機，其中一級采用的9臺盧瑟福發動機完全相同，二級采用真空型盧瑟福發動機，換裝大擴張比噴管［5］，這與采用多臺同等狀態發動機并聯的SpaceX不謀而合：均利用自身成熟的技術優勢，將效能發揮到最大，降低成本。

此外，日本的艾普西隆火箭也對重要部件進行通用化設計?；鸺患壥褂昧擞糜贖－ⅡA和H－ⅡB運載火箭固體助推的SRB－A發動機產品，二、三級使用了經歷過M－V運載火箭飛行的、成熟的發動機產品。另外，目前日本正在研發用于替代H－ⅡA／H－ⅡB火箭的 H－Ⅲ，計劃將 H－Ⅲ火箭固體助推器SRB－3用于未來的艾普西隆構型的一子級，有助于通過通用化降低成本，進一步提升競爭力?；鸺l射使用的是經過改造的M－V運載火箭發射裝置。可以看出：通用化、模塊化是降低火箭成本、提高可靠性的有效途徑，同時也可以加快火箭的研制進度，縮減研制成本等［6］。

（2）大膽使用新技術、新材料

艾普西隆火箭在發射控制方面進行了多項創新，具有高度智能的自主檢測系統及發射控制系統。箭上計算機可在射前對箭上各系統的狀態進行自主監控、故障診斷，并實施故障隔離及恢復，甚至包括箭上點火系統的檢查。在發射控制過程中，僅需要配備便攜式電腦的少量操作人員，通過因特網，可以在世界的任何一個地方利用一臺便攜式計算機方便地檢查和控制火箭發射，未來發射場可不再設置發射控制系統。

電子號火箭所使用的盧瑟福發動機，主要部件均采用3D打印制造，每臺發動機的再生冷卻燃燒室、噴注器、泵和主推進劑閥門等最快可在24h內完成打印，便于發動機低成本、快速和批量制造；火箭整流罩采用碳纖維復合材料，總質量只有30kg，新技術、新材料的大膽使用帶來了實實在在的效益 （圖2）。高度智能的自主檢測系統及發射控制系統的利用提升了火箭的快速響應能力，大大縮短火箭射前準備時間；碳纖維整流罩的使用提高了運載效率；3D打印的規模化應用以及簡化測發控流程等顯著降低了發射成本。

圖2 電子號小火箭的單臺發動機和復合材料整流罩Fig．2 The single propulsion and composite fairing of Electron small launch vehicles

1．3 小結

目前，國外主要低成本商業小火箭的研制大多秉承簡潔、高效、不拘一格的理念，力求在設計、生產、測控、發射準備等各個環節降低發射服務成本，火箭方案針對性較強，發射方式多種多樣，包括地基發射場發射、機載發射、氣球類浮空器懸吊投放發射、滑軌傾斜發射等，能夠向衛星運營商提供專享發射服務?；鸺募夹g方案也具有諸多創新亮點，包括火箭發射準備時間短、發射頻率高、快速響應能力強、可以自行安排發射時間、優化發射軌道，衛星設計擁有更多的自主權、發射進度風險小，可提供更為靈活和經濟的發射方式，使其不再受到搭載發射的各種限制等，逐漸在國際商業火箭市場展現出強勁的競爭力。

此外，商業小火箭通過提高產品化率、批量生產、簡化發射、測控支持等，能夠有效降低發射成本，適合批量發射小衛星一類有效載荷，進而推動小衛星的成規模應用，促進衛星及地面應用相關技術的發展。可提供 “太空班車”甚至是“招手即來”的Taxi服務，衛星可隨時 “上車”發射，便于靈活組網和補網，大大提高了衛星快速在軌服務能力，滿足小衛星應用需求。

2 關于商業小火箭的幾點思考

小衛星市場帶動了國外各型商業小火箭的蓬勃發展，但是其發射及應用并非一帆風順：美國超級斯迪比小型運載火箭首飛失?。?］，新西蘭的電子號運載火箭首飛未能將有效載荷送入預定軌道［8］，日本 SS－520－4小型火箭首飛失?。?］。上 述各型商業小火箭飛行失敗也引發了關于商業小火箭發展的思考：商業小火箭所服務的商業航天，和軍事航天、國家航天一樣，可靠性、安全性是永恒的主題，商業小火箭更應該在性能、可靠性、安全性、技術成熟度、成本和市場需求之間找出一個最佳平衡。

2．1 火箭能力與任務需求的匹配性

綜合市場需求，小衛星星座的發射將是未來商業小火箭的主流業務 （也可作為新技術演示驗證平臺）。從降低發射成本的角度，在開展商業小火箭的研制時，研發具有適度運載能力、具備一箭多星發射能力的小火箭是必要的，但是一味追求火箭的運載能力，或者在創立初期就提出 “一步到位”的較大運載能力指標，將會使研發方偏離一型商用火箭的既定目標，而在以目標為牽引的大背景下，不合理目標決策將會直接影響工程結果。運載火箭研制屬較為復雜的系統工程，火箭能力越大，意味著火箭規模越大，大規模的火箭需要與之匹配的動力系統和良好的結構效率，同時需要一定規模的地面發射支持設備，上述因素都會導致商業火箭的研發成本和技術難度隨規模變化而增長。從能用、夠用的角度，面向市場需求，明確適度的運載能力 “小目標”，積累研發經驗和市場經驗，對商業小火箭的發展和運營至關重要。

2．2 研發周期與方案設計的匹配性

在商業小火箭領域，“一年完成方案設計，兩年完成火箭生產，三年投入商業服務”的概念并不科學?？v觀國內外小型運載火箭的發展，即便是繼承了成熟的技術和產品，美國的米諾陶火箭也用了5年以上的時間來完成研制，更不用說一型全新研制的商業小火箭，從設計構型到動力系統實現，以及關鍵技術突破都需要過程和技術積累，特別是一款小型液體發動機的研發周期一般都在8年以上。盡管可以在傳統火箭的研制流程基礎上進行合并和優化，但是為了驗證方案正確性、產品可靠性、系統匹配性的設計和試驗類項目必須嚴格按照相關標準或規范開展。如果不遵循基本設計流程，盲目地縮短研發周期，那么將會在技術風險和產品風險上埋下隱患；因此需要考慮研發周期與方案設計的匹配性，合理地將研發目標分階段實施，設立工程關鍵節點，分步驟地完成既定的研制計劃。

2．3 借用產品與使用條件的匹配性

盡管目前市場上能夠采購到較為成熟的部分小火箭配套產品，尤其是電氣產品，如慣性器件、導航接收機等，但無法通過大量產品借用、組合的方式輕易組合成一款商業小火箭。因為借用產品盡管具有產品狀態穩定、技術成熟、可靠性高等特點，但其繼承和借用必須經過嚴格的技術適應性分析、風險評估，甚至補充試驗，否則就會引入新的風險。主要原因有以下幾個方面：一是使用剖面的變化，二是飛行環境的變化，三是綜合匹配的變化。比如在某型火箭的研制中，先后對標借用產品的功能及性能參數要求，梳理了之前所開展的各類試驗，進行閉環確認，同時針對各類地面使用環境和飛行環境開展復查、確認，閉環力學環境、熱環境和地面使用環境等指標，在新的使用環境下某些技術指標設計裕度超出范圍時，補充進行了存在使用剖面差異的地面試驗。因此借用產品后需要充分考慮與使用環境的匹配性，進行大量的適應性分析與驗證工作。

2．4 經濟效益與風險管控的匹配性

航天發射為高風險行業，每一次發射對于小衛星，尤其是小衛星的初創公司都是里程碑事件，必須在風險投入和效益中找到平衡。在短期內達到商業航天預期的收益和盈利，實現商業小火箭公司的理想目標并不容易。從新型商業小火箭不斷開展飛行試驗，到可重復使用運載器技術通過多次飛行試驗取得不斷突破，都在傳遞一個較為樸素的觀點：商業航天運營不能急于產生效益，必須腳踏實地地按照航天系統工程的研制規律開展。商業小火箭的效益和火箭的可靠性、成熟度密切相關，哪怕一次發射任務的失敗，對于商業小火箭的商業運營都是嚴重的打擊。從當前的研制規律看，開展故障分析和制定有效的解決措施，不論是進度上還是經費上的投入都將大大超過預期的效益，如超級斯迪比、SS－520－4和電子號火箭首飛失敗后，很長一段時間內都沒有能夠給出故障調查報告，更不用說之前預期產生的商業效益了。

3 國內商業小火箭生態圈發展展望

3．1 成熟可靠，確保商業發射成功率

運載火箭及其發射載荷價值較高，衛星公司后續的盈利和產業增長均基于其能夠順利發射、準確進入預定軌道；因此，發射成功率和技術成熟度是商業發射服務市場在選擇運載工具時所考慮的首要因素。這就需要運載火箭研制單位在航天運載器領域具有深厚的技術基礎、制造基礎，具有完備的研制程序、質量管控體系，才能有效保證產品設計和制造質量。同時，在允許的范圍內，應盡可能采用技術成熟度較高的產品，尤其是經過其他平臺飛行的、且經分析和驗證后可用于商業小火箭的產品。成熟可靠，永遠是商業小火箭具有市場競爭力的根本。

3．2 立足通用，適應商業發射差異化需求

商業發射需求差異化較大，通用性設計決定了固體運載火箭商業發射市場的廣度。因此商業小火箭必須使用靈活，以滿足各類小衛星的發射需求，上述保障的核心在于立足通用接口設計。

1）需具有標準化星箭接口。可根據衛星需求提供包帶、點式連接、立方星釋放機構、輕型包帶等多種機械接口。

2）需具有較好的多星發射適應能力，可提供多路不同類型的衛星解鎖釋放信號。

3）火箭的彈道規劃等軟件設計可適應不同軌道、不同有效載荷質量、不同發射平臺等各類任務需求。

3．3 降低成本，推動商業航天平民化

發射成本是商業發射非常敏感的要素，隨著技術進步及商業航天市場化發展，各商業火箭公司需不斷創新、變革，通過技術手段降低發射成本，以推動商業航天平民化應用。一般來說，可采取以下措施：

1）集成化、產品化、模塊化設計，簡化系統，從設計源頭降成本。

2）生產設施共用，成熟部件通用，通過規模化生產，降低火箭生產成本。

3）簡化發射場流程，減少發射場工作人員及保障設施，縮短發射準備時間，從而降低發射場操作時間、人力及保障成本。

4）深化可靠性增長和質量管控工作，降低發射風險控制成本。

3．4 自主靈活，創造更多商業發射機會

目前，發射場和測控資源主要用來保障國家重大工程任務，國內商業發射機會并不能滿足當前商業小衛星市場蓬勃發展的趨勢。商業小火箭必須充分發揮自身特點，突破相關技術瓶頸，不斷降低對現有發射場和測控體系的依賴，為小衛星商業發射創造更多機會。

1）需要高度自主，降低保障條件要求，利于組網應用時連續高密度發射。通過預存儲技術、自主轉運和衛星環境自主保障技術等，降低發射場相關保障條件；弱化對發射工位的依賴，實現多發連續高密度發射。

2）需要規?；a，使用靈活。基于整箭存貯技術與高可靠性，商業小火箭可實現規?；a、滾動備份，推動航天發射從定制模式走向“招手即來”的Taxi模式。

4 我國商業小火箭發展建議

商業航天應該是航天的心態，商業的手法；不應是商業的心態，航天的手法，商業小火箭的發展亦是如此。商業小火箭發射服務市場目前正在逐步納入國家戰略實施框架，需要在規范的框架內加以引導，避免重復建設、資源浪費［10］。此外，國家經濟社會發展總體戰略和產業發展戰略，是建立商業小火箭良性發展前景的基本保證，新型商業小火箭屬戰略性布局產業，投入巨大，對可靠性和飛行安全性的要求與軍事航天和國家航天相同，無論是直接支撐國民經濟和社會發展，還是通過技術轉移、二次應用服務于其他行業，都需要在一定框架下實施。

商業小火箭除了政策引導的必要性之外，系統設計和運營的協調性也必須在發展過程中予以足夠的重視。小衛星的商業發射服務屬系統工程，在發射場選址及建設、落區選擇、測控方案設計等方面都需要在商業小火箭研制初期統籌考慮，融資、研發、承攬發射服務、開拓市場等也應多維度協調，才能實現與衛星產業的共進發展，打造我國商業小火箭的良性生態圈。