運載火箭的產業化之路

+楊毅強（中國科學院空天飛行科技中心主任）

運載火箭的產業化問題其實并不是一個新鮮的話題，我在長期從事運載火箭研究的過程中，對產業化有一些思考，今天在這里簡單地向大家做一個報告。

一、我國運載火箭概況

中國航天從建立至今經過了63年的時間，運載火箭已經形成了體系完整、能力覆蓋完整的12型在役火箭。其中，第一代的運載火箭涵蓋了長征2號系列、長征4號系列，這兩型火箭是主要執行SSO軌道任務的中型運載火箭，長征2F火箭主要用于載人航天任務；長征3號甲系列，主要執行GTO軌道任務，比如大家熟悉的北斗、通信類衛星。這些火箭主要應用上世紀的70年代到90年代末期研制的第一代火箭，都是采用四氧化氮、偏二甲肼這樣有毒有污染的液體推進劑。（參見圖1）

進入21世紀以來，我國部署了新一代/第二代的火箭（參見圖2），包括4型，可以歸納為大、中、小、快。大的是長征5號，其運載能力可以達到25噸；長征6號火箭是第一型小型、具有快速響應功能的液體火箭，于2015年9月20號首飛成功，目前已發射兩發；長征7號火箭是第二代綠色無污染中型火箭，主要運用于載人貨運飛船任務；另外就是長征11號火箭，我帶領團隊完成了該火箭的整個研制，到目前為止（編者注：指到論壇當天9月18日止），長征11號已經發射了7次，其中6月份完成了首次海上發射。

總的來說，到目前為止，我國的火箭還是處于定制化和任務專業化的模式。比如長征2F就是發射載人飛船的，長征3A系列主要是滿足北斗和通信衛星等高軌的發射。長征系列火箭中投入到商業市場的火箭非常少。目前投入到商業市場的只有兩型小型火箭，長征6號和長征11號。長征11號之所以發射次數多，是因為主要用于發射小型商業衛星，除了第一發是試驗驗證衛星之外，后續發射的三十多顆衛星全都是小型商業衛星。

為什么只有兩型火箭可以投入到商業市場？可能有以下幾個原因。

1、我國空間基礎設施建設的任務很重，主戰場火箭發射繁忙。

2、運載火箭的產能不足。

3、生產周期比較長。比如說傳統的液體火箭訂貨周期是24個月到48個月，長征11號作為一類小型固體火箭，訂貨周期也要12個月。

可以說我們的現役火箭不論是第一代還是新一代，距離產業化還有相當的距離。

此外，我們與航天強國，尤其是美國比較，我們火箭的性價比優勢不明顯，火箭可靠性、運載能力及綜合性能與航天強國的差距目前還在加大，這是我們面臨的一個實際情況。

在商業火箭方面，今年7月25號星際榮耀公司的雙曲線一號火箭發射成功，這是民企火箭的首次成功入軌。同時，航天科工和航天科技集團也都部署了相應的小型火箭。在運載能力方面，除了快舟11號火箭運載能力達到1噸外，其他的都是小型或者叫微納火箭，從幾十公斤到200多公斤，應該說這些火箭距離未來星座組網需要的運載能力來說還相差甚遠。

多家商業火箭公司都有相同的發展套路：以小型固體火箭起步，同時，液體火箭探索以液氧甲烷為代表的液體動力。普遍來說，這些火箭的運載能力都比較小，而且根據我們了解到的情況，成本控制也比較困難。

從整個的航天產業發展來看，未來商業航天市場絕對不是低成本的比拼和低水平的重復，而是一個技術創新的嬗變過程，靠技術創新來降低成本，也可以稱之為“低成本的設計技術”。大家知道，一型產品的成本由三個因素決定，首先，是由設計方案決定的，設計方案決定了火箭固有成本的大部分，其次是產業鏈的選擇與布局，還有就是火箭系統集成的方式。所以說設計方案決定了成本，而降低成本最優途徑就是技術創新。我們認為未來應該強化顛覆性的技術創新，充分發揮企業家的創新精神，未來一定是國家隊和商業航天公司共同發展的局面。

我的觀點是，隨著一些星座的建設逐步提上日程，未來低軌發射服務將逐漸市場化。五年以前，我們就說小衛星可以辦大事，后來又講小衛星可以進行技術驗證，驗證原理和算法、功能，到如今，小衛星的工程實用化、功能實用化、星座化已經不是一個遙遠的夢，有很多星座即將開始付諸實施建設。隨著商業火箭的蓬勃興起，及兩大航天集團積極布局商業運載，未來低軌發射市場一定逐漸走上市場化之路。同時，火箭低成本的實現則必須走產業化之路。

二、產業化主要問題

1、運載火箭研制特點

火箭首先是一個多學科的綜合的學科體系，具有高風險、高投入、高人才密集、長周期的特點。全世界具備研制中型和大型火箭的企業很少，也就十家左右。

從火箭的發展方向來看，有以下幾個趨勢。

①智能化

智能化體現在幾個方面：智能的設計，智能的測試，智能的裝配，智能的測試發射和飛行中的智能控制。

②綠色化

長征火箭現在正在逐步淘汰老一代的四氧化二氮、偏二甲肼液體推進劑，推行綠色無毒無污染的新一代的火箭推進劑。

③低保障

我國現有的四個發射場的發射工位，已無法滿足國家任務、軍隊任務、以及商業航天勃勃興起的需求，如果火箭不朝低保障方向發展，我們的發射場一定會成為航天發展的瓶頸。

④快響應

小型衛星的造價低，但是壽命相對也比較短，需要更短的組網和補網周期，如果用一年甚至幾年時間完成一個小衛星星座的組網發射是無法接受的。很可能幾天甚至幾小時就需要發射一枚火箭。

⑤低成本

過去我們的大衛星造價都很高，多則二十多億，少則幾億，而現在的小衛星往往造價只有幾千萬、幾百萬，這樣一個價格，必然對火箭的發射價格提出更低廉的要求，我相信沒有任何一家公司發射造價五千萬的衛星會采購造價一個億的火箭。

⑥市場化

火箭的采購一定會遵循市場規則，比如招標方式，不會用計劃經濟的思維方式來選擇火箭。要充分考量綜合性能和性價比，還有發射服務水平及客戶體驗度。

2、技術發展問題

①基礎科研對工程技術創新發展的瓶頸

產業化要解決什么問題？第一個要解決技術發展問題，即技術創新的問題。

我在火箭研究院工作時，經常和同事討論一個問題：我們到底是一個研究院，還是個設計院，為什么我們很多同一規格的火箭，與國外特別是與美國比，性能、可靠性相對落后？這實際上反映了一個問題，雖然名字叫研究院，但更像是一個工程設計院，多年以來我們都是重工程、重試驗，輕科研、輕理論。其實錢學森同志剛回國不久，就講了很多次理論與實踐相結合問題，還有是工程科學與工程技術問題。但是這么多年來我們更重視工程技術，強調更多的是靠地面的試驗，所以每當我們遇到一些新技術或者新概念的產品時，往往會感到基礎理論跟不上，甚至在遇到重大的失利或故障時，我們的基礎理論也跟不上。

圖3列舉了一些存在技術瓶頸的方面。

比如說我們做一個火箭的彈性振動實驗就需要建一個塔，按火箭規模建設不同的振動塔。但是美國的“土星5”火箭和SpaceX公司的獵鷹重型火箭會建這樣的一個塔嗎？我國將要研制的重型運載火箭，是否也要建一個規模巨大的振動塔？這其實就是因為我們對彈性頻率的精細化預示的理論研究不夠，振動試驗的方法還比較傳統，只有靠大型的試驗設施去試驗去覆蓋，試驗通過后，再依靠過去的經驗方法去驗證，可見我們在設計的精細化上與航天強國還存在著比較大的差距。所以這是第一個我們要解決產業化的問題，首先要打破基礎科研在運載火箭設計方面的瓶頸，解決天花板效應問題。

②傳統體制限制技術創新應用

我國航天六十年來形成了一個非常完整的科研生產體系，但是我國航天實際上是在50年代到80年代初期這個國力極端薄弱的條件下建立起的科研生產體系，繼承了前蘇聯的科研生產聯合體模式，是一個小而全的、相對封閉的研發試制模式。

改革開放四十年以來，我國的綜合實力、科技能力、工業實力得到長足的進步，如果航天這個體系不打破，航天技術不融入全國的科技工業體系，航天技術的發展不建立在我國綜合實力之上，還是固守在一個相對封閉的環境里，保護的必然是落后的技術和落后的管理方法。

舉例來說，現在這種封閉的體系可以使產品的進度和質量得到保障，但是技術上不利于向專業、更深、更精細化的方向發展，研發的成本高、周期長、技術進步較慢。

我們在制造上仍然以定制化為主，產品貨架化的程度非常低。經濟上往往還是向軍方、政府申請超算和漲價來保護自我，受市場的影響比較小，整個產業鏈依靠傳統分工來配置，相對比較固化。企業較少關注核心競爭力和市場價值，不是依靠以市場競爭來促進技術進步和產業鏈的優化，還是依靠國家和軍隊的重大任務來牽引技術的創新和發展，將知識產權轉化為市場應用的動力和機制不足。一句話，如果在開放公正的市場環境下，傳統體制的市場競爭力和生存能力就比較弱。

簡單來說，我國航天國家隊還是以國家任務為主，保成功壓力非常大，新技術的應用非常受限。

③核心技術和產品還有待形成

目前，我國運載火箭的核心技術和產品還有待形成，特別是我們的產品在通用化、標準化、貨架化等方面，我們的配套產品存在嚴重不足，條條框框仍然比較多。

④低成本技術之路還有待探索

圖3 基礎科研對工程技術創新發展的瓶頸

圖4 部分民營火箭公司公布的總裝廠房及試車臺圖片

要把成本當作方案選擇和設計的重要約束條件，設計、制造、使用流程需要再認識和重塑。

⑤先進設計方法和技術手段應用不足

應該推進建設基于模型傳遞、多學科協同設計平臺、信息化質量管控平臺。

3、產業鏈問題

①傳統的科研體系相對封閉，體系龐大，自我封閉。缺失合理的價值鏈和利益分配，產業鏈環節也不完整，我相信這也是中央決定搞軍民融合一個主要原因。

②國家基礎設施還有待開放。目前很多民營企業在自建試車臺、總裝測試廠房（參見圖4），這里有幾個問題，一是造價很高，二是周期很長，三是有安全、政策等的限制，最終將導致企業產品研發受限，成本提高。因此，我認為國家的這些設施應該在適當的時候在某個時期內對外開放，也避免了重復投資和資源浪費，有利于盤活國有資產。

③市場化、社會化協同還有待探索。（參見圖5）

4、發展理念問題

傳統航天，也就是體制內航天與商業航天有什么區別？

剛才我講的基本都是傳統航天產業的一些情況，而我認為商業航天在產業鏈的上游，產品配套承制單位的選擇范圍更多更廣，研發方式也更加多樣化，在產品采購方面如果沒有西方制約，完全有可能實現全球化和貨架式。

商業航天更加關注細分的領域和價值的創造，具有高度的商業化，使得產業相關環節和領域的技術能得到相對比較快的成熟和發展。商業航天企業注重市場的調節作用和培養自身的核心競爭力，用市場和價值規律來引導產業鏈的細分和組合，優化產業鏈、縮短周期、降低成本，以鞏固企業在行業中的競爭優勢。

另外，商業航天企業還可以把知識產權視為資本并轉化為利潤效益，核心的人員可以通過自身的技術實力獲得相應的股權，這也是很多商業航天企業吸引了傳統航天很多人才的一個主要原因。

從理念上來講，商業航天企業更強調的是服務和客戶體驗度。在我們傳統航天企業里面，我們講五大系統：衛星、衛星應用、發射場、火箭、測控等等，傳統航天是一個大系統內的協調關系；而在商業航天領域，毫無疑問是上下游的服務關系。

三、產業化之路

1、技術創新

這是我強調的一個重點，我們還是要靠技術創新、靠低成本的技術來降低成本，以實現產業化。

①技術的持續創新、融合與應用，是航天發展的動力

圖5 市場化、社會化協同還有待探索

圖6 全產業鏈聯動

很高興的是，近期航天企業有很多新技術的應用，例如火箭的重復使用技術，包括體制內如一院、八院都有多年的積淀。前不久，翎客航天在青海冷湖也做了火箭回收的小型試驗，也有一些公司進行了類似SpaceX的“蚱蜢”試驗的安排。重復使用技術在我們國家正在逐步獲得突破。此外還有先進推進技術，如液氧甲烷發動機技術正在逐步成熟，也有民營企業正在推出低成本的液氧煤油發動機技術，還有通用的綜合航電技術等等也在不斷發展。

剛才也講到體制的問題，例如在傳統航天講總體、分系統、單機，其實這個觀念在今天已經過時了。我看到很多商業航天企業已經做到了航電設備綜合化、模塊化、組合化、通用化，過去航天沒有航電設備的概念，而是控制系統、遙測系統、外彈道測量系統等等。換句話說，在集成化、通用化、模塊化等方面，體制內相對來說走得比較慢，反而是一些商業航天企業已經徹底打破了過去由于研制單位利益分割造成的高成本，在方案簡化和集成方面取得了一定的進步。

我們也應當看到，在智能控制、遠程發射、天地一體化測控等方面的技術創新上，航天科技、科工集團以及一些商業企業，都取得了一些比較大的進步。

展望未來，重復使用技術、先進推進技術、人工智能技術等將在航天領域廣泛應用，從而帶動航天制造、發射、運營服務、衛星應用等商業航天產業不斷發展和變革。成本能否降下來，產業化能否實現，關鍵在于能否在航天領域選準和培育顛覆性技術，有效地進行持續創新。

②技術創新是低成本、產業化的源泉

新材料如新型的復合材料，新工藝如激光焊接、3D打印，系統總成如智能化總裝測試和脈動式生產。

2、流程再造

其次就是一定要解決流程再造問題，我們不能把60年代形成的封閉的體系一如既往地堅持下去，不做變革。我認為應該從以下三個方面進行改變。

第一，面向單機的集成產品設計（IPD）。要淡化火箭的分系統概念。分系統的概念是在60年代我們國家技術非常落后情況下產生的，時至今日，電子信息技術、算法等各方面都有了長足的發展，完全可以進行面向單機的IPD設計。我們現有的模式靠文件驅動，非常耗時，比如一個成熟的火箭拿到一個新的衛星發射任務，從接到任務到簽訂ICD協議，再到下任務書，再到各系統去閉合，往往需要幾個月的時間。如果我們采取IPD的模式、模型驅動的方式，這個周期可能縮短到兩三周甚至更短的時間。

第二，面向社會的集成供應鏈（ISC）。打造面向全社會、開放包容的現代化供應鏈，而不是像過去那種封閉的傳統分工——這個事情只有你干、只有他干，別人不能干。產業鏈一定要現代化，一定要開放，如果有可能甚至是全球化，這樣我們的運載火箭才能做得更好。

第三，去任務化的總裝集成測試（AIT）。因為我們傳統的火箭都是定制的，很少有先把火箭生產出來，然后再拿到市場去銷售。也有預投產，只是把部件做出來，但是具體到每一級產品都是為特定的顧客定制的。這不僅僅是流程問題，也是一個技術問題，比如每一級無法單獨測試，只能全箭對起來才能進行測試。而現在有些企業的火箭每一級都可以單獨測試，然后裝配起來之后只對與這次發射任務相關的項目進行集中檢查，這樣一來這個產品就是工業化的產品，就像我們買電視機一樣，就是我們是定制的，但是拿回家去調試一下，換一個地方就可以使用，這才是真正的工業品。所以未來一定是AIT驅動化的方式，所以我建議我們要做產業化，一定要進行IPD、ISC、AIT這種流程的再造。

商業航天企業最終的指向一定是商業應用。過去我們做了很多，但是對于衛星應用更多是概念性的，對toB和toC具體應用、對盈利的商業模式考慮的不多。未來的商業航天不管是什么樣的星座，首先要探索如何為企業和大眾提供服務，如何形成成熟的商業模式以獲得盈利，在此前提之下，我們再考慮需要研制什么樣的衛星？需要什么樣火箭？需要什么樣的發射服務和測控服務。只有通過產業鏈聯動起來，大家聯合去設計，才能把這個產業做好。

例如最近SpaceX發射一箭60星，相信如果這些衛星不是SpaceX自家的，而是其它企業的衛星，是很難發射的。因為我做火箭很多年，長征11號火箭曾經搭載商業客戶的5顆衛星，包括1顆視頻星和4顆高光譜衛星，如果按照傳統的方式是發射不了的。長11團隊當時與客戶團隊聯合攻關了近3個月時間，完成后運力余量不到1公斤。靠的是星箭的聯合設計、仿真和地面試驗。如果沒有一開始的聯合設計，對火箭方來說，會導致運力的浪費，對衛星方來說，發射效率也會非常低，成本會增加。所以說，商業航天的發展應該是全產業的聯動，只有全產業聯動起來，大家遵循一個準則，在標準、接口統一的基礎上，在公平公正的市場規則之下，才能把整個產業做起來。

我相信只要整個商業航天參與者都抱團取暖，我們中國的商業航天也能走向世界，才能為我們國家航天強國建設出一把力。而隨著運載火箭的產業化進程，我們的商業航天也會越走越快、越走越好！SATNET