火箭回收的中國路線

2024年，商業(yè)航天領域誕生了兩個里程碑，一個是人類首次實現(xiàn)商業(yè)太空行走，另一個是中國可回收火箭首次10公里級試飛成功。創(chuàng)造前一個紀錄的是馬斯克的SpaceX，后一個紀錄則由中國的民營火箭公司藍箭航天創(chuàng)造。

2024年9月，朱雀三號試驗箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心完成10公里級垂直起降返回飛行試驗。這款火箭由藍箭航天自主研發(fā)，2024年1月剛剛完成百米級的垂直起降回收試驗。接下來，2025年6月，這款火箭將迎來正式首飛。

讓火箭可回收是個趨勢。成立于2002年的SpaceX開創(chuàng)了這一潮流，它使得造價昂貴的火箭可以重復使用，從而降低發(fā)射成本。作為部分可回收運載火箭，目前SpaceX的獵鷹9號已成功回收火箭的一級部分386次。此前，火箭將衛(wèi)星等航天器發(fā)射到太空后，火箭本身也無法回到預定港口并再次使用，大多為“一次性火箭”。

馬斯克希望火箭能像民航飛機一樣被重復使用，藍箭航天的創(chuàng)始團隊也在以此為目標追趕。

火箭回收的藍箭方案

10公里級的垂直起降回收被認為是可回收火箭的重大技術節(jié)點，因為它“幾乎完整地模擬了正式發(fā)射過程中一子級火箭回收的所有關鍵環(huán)節(jié)”，朱雀三號總指揮戴政說。火箭在太空飛行時，大氣稀薄，其速度和位置并不會受到多少干擾，但一旦下降到距離地面四五公里的時候，就會因為空氣狀況積累很多偏差，導致速度和位置都變得難以掌控。因此，火箭要可回收，首先就要解決這最后幾公里的問題。

在藍箭之前，國內已經(jīng)有其他公司完成了同樣距離的垂直回收飛行試驗，但大家的回收方案并不相同—深藍航天、航天八院等都用全程點火的方式控制了火箭在空中的運行軌跡，而藍箭選擇在火箭距離地面僅4公里的時候才再次點火，在此之前，火箭被允許自由降落。

可以用“踩剎車”來類比這一問題：“全程點火相當于全程一直踩著剎車跑，但二次點火是在距離終點只有10米的時候開始踩剎車。”距離越近的剎車，對于駕駛員的技術要求越高。不過，攻克這項技術的好處也顯而易見，它更省燃料，可以使火箭更輕。對按斤計價的太空訂單而言，火箭變輕，可以運輸?shù)呢浳锞蜁唷?/p>

目前，藍箭的朱雀系列火箭在運載能力上還不及SpaceX旗下的獵鷹9號，后者能一次將20噸物品運上太空，按一公斤5萬元計算，獵鷹9號在滿載狀況下每完成一筆訂單就能回款10億元。而朱雀的運載能力目前只有4噸多。不過戴政認為，只要火箭設計的大框架是對的，接下來只是逐步迭代的過程。

為了使火箭更輕，其實還可以把推進劑箱壁—也就是盛放燃料的容器—厚度設計得更薄。推進劑之前通常是在火箭發(fā)射前幾小時才加進去的，但是距離發(fā)射時間越長，推進劑的溫度越不穩(wěn)定，后加入的溫度低，而先加入的在常溫的環(huán)境下溫度已經(jīng)升高了，這樣的箱壓就不允許箱壁更薄。而“全過冷加注”技術一方面保證了推進劑盡可能都在低溫狀態(tài)下，另一方面把加注時間縮短至1個小時左右，也防止了先加入的推進劑在常溫下的時間太久。過去推進劑的加注工作是火箭發(fā)射場完成的，屬于另外的體系，而藍箭通過自己的發(fā)射場和工位，已經(jīng)把加注這個環(huán)節(jié)的管理體系掌握在自己手里。

迭代完推進劑箱壁，接下來就可以控制推進劑升溫速度、壓縮火箭加速時間等，這些控制技術的迭代會反饋在火箭設計的進一步優(yōu)化上。“這是一個系統(tǒng)功能，鏈條的每個環(huán)節(jié)都相互做迭代，才能實現(xiàn)運載能力的提升。”戴政說，SpaceX從最開始的1.0版本到1.1，再到1.2，接著是1.2的block5版本，經(jīng)歷了很頻繁的迭代，才有現(xiàn)在的20噸運載能力。戴政認為，重要的是先形成能力閉環(huán)，之后才是通過不斷迭代挖掘潛力。

戴政所說的“能力閉環(huán)”指的是可回收火箭所需要的一系列火箭設計方案選擇。在火箭設計領域，長期以來一直有著多種技術路線，一種是固體火箭，一種是液體火箭—固體和液體指的是火箭使用的推進劑的形態(tài)。即使都用液體燃料，也分為液氧甲烷和煤油。

除了點火方案，推進劑的選擇是火箭是否可回收的另一決定性關鍵。如今，業(yè)界認為甲烷才最適合可回收火箭，因為它燃燒之后不會留下積攢的碳，回收后的發(fā)動機和內部都很干凈。相比之下，使用煤油作為燃料的發(fā)動機需要定期清洗，煤油的滲透性極強，如果不對閥門等關鍵部位做徹底清潔，再次點火時可能會發(fā)生爆炸。但在藍箭成立不久的2017年左右，國內航天市場對于推進劑的方案并沒有統(tǒng)一答案。

“當時我們查了很多資料，據(jù)說火星上具備制備液氧甲烷的條件。”藍箭副總裁劉建對《第一財經(jīng)》雜志說，早在2017年，藍箭就確立了甲烷路線，其所有火箭都是基于這種能源方案設計的。同一時期，不少同行選擇了另外一些路線，出于短期利益考慮，或者受限于供應鏈為了“更快地飛出火箭”，設計制造了一些老式的一次性火箭，等到近年想往可回收火箭轉型時，才發(fā)現(xiàn)需要大改火箭設計，而藍箭的“長期主義”使它后來在火箭可回收領域反超了一開始迅速完成發(fā)射的對手。

從模仿到超越

和SpaceX相比，中國火箭公司目前仍有較大技術差距。劉建稱，“中國目前可能處于SpaceX2010年到2012年的技術水平。”等2025年朱雀三號正式首飛之后，藍箭能達到SpaceX2015年的水平—那一年，SpaceX首次實現(xiàn)火箭一級助推器成功著陸回收。但跟國內的火箭“國家隊”比，中國民營火箭公司已經(jīng)實現(xiàn)了從模仿到反超。

2015年，中國發(fā)展和改革委、財政部、國防科工局聯(lián)合印發(fā)《國家民用空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃》，首次提出支持和引導社會資本參與航天產(chǎn)業(yè)，民營資本和社會力量開始進入商業(yè)航天。此后，中國民營航天公司開始出現(xiàn)，藍箭是其中之一。

這些民營航天公司從0到1的技術基礎大都來自體制內單位—火箭技術研究院體系。這一點從兩者間的地理位置上就能看出來。藍箭航天所在的北京亦莊聚集了多家受SpaceX啟發(fā)而成立的中國商業(yè)航天公司。從亦莊的榮華南路往東走，半徑2公里內，分布著藍箭航天、星際榮耀、星河動力、深藍航天等多家公司。目前，一個叫“亦莊火箭大街”的項目正在這一區(qū)域施工。而這一區(qū)域距離中國運載火箭技術研究院直線距離僅6公里。

藍箭航天的多位高管都來自火箭技術研究院。加入藍箭航天前，劉建就在云南火箭技術研究院一部十一室上班。戴政和劉建同屬一個院，不過跟劉建不在一個部門，劉建在負責火箭認證的部門，戴政在火箭結構室。

在藍箭投資方建銀國際的總經(jīng)理趙論語看來，商業(yè)航天的一個基礎邏輯就是把體制內的技術通過人才流動釋放出來，再通過市場化的供應鏈把成本降下來，而研發(fā)可多次使用的可回收火箭是降低發(fā)射成本的重要途徑。2022年，建銀國際投資了藍箭航天。

很長一段時間內，從設計方案到供應鏈，藍箭航天都在模仿體制內造火箭的做法。但這一過程并不順利。劉建稱，商業(yè)航天在剛起步時面臨著和體制內的諸多摩擦，因此2015年到2017年對公司和自己來說都是彷徨期。劉建對《第一財經(jīng)》雜志回憶稱，當時大環(huán)境對商業(yè)航天缺乏認知，航天科技、航天科工這些供應單位對商業(yè)航天多是抵制態(tài)度。2017年，當藍箭航天想從航天科技集團為藍箭一號火箭采購一款固體發(fā)動機時，航天科技四院同意了，但報送到集團之后被拒絕。

直到2018年，西安航天動力研究所副主任設計師張小平從體制內離職，加入藍箭航天時，針對商業(yè)航天的“抵制”仍然存在。張小平離職后，其原單位發(fā)布公文稱，他的離職在某種程度上會影響到中國載人登月工作，呼吁張小平回歸。有報道稱，張小平跳槽后待遇從一年12萬上漲至年薪百萬。

倒逼之下，藍箭選擇重尋出路，除了自研發(fā)動機和關鍵電機、零部件，藍箭也開始盡量減少對體制內供應鏈的依賴—過去，中國航天產(chǎn)業(yè)的全部供應鏈都在國有體系內。這個體系按照設計、生產(chǎn)、制造、試驗測發(fā)4個環(huán)節(jié)，設置了從院到部、所、廠的多種單位，其中“所”負責研發(fā)，“廠”負責生產(chǎn)組裝，最后管理火箭發(fā)射的發(fā)射場也是體制內的。

構建體制外供應商體系除了供應上的自主性，還能更好地把控進度。“如果是國營的軍工單位，你既不能去現(xiàn)場管理—你進不去—也不能跟他們要求進度，基本上沒招。”劉建說，和民營供應商合作就可以更好地管控進度。并且，藍箭學會了從汽車電子領域尋找供應商—SpaceX的發(fā)展過程也利用了大量的汽車產(chǎn)業(yè)供應鏈。

但這么做的風險是，民營企業(yè)過去基本沒有生產(chǎn)過航天相關零部件。根據(jù)劉建提供的數(shù)據(jù)，這類供應商早期的產(chǎn)品合格率只有30%。藍箭為此付出過不少代價—代價之一是火箭發(fā)射失敗，沒有比這更大的代價了。2018年，藍箭發(fā)射了朱雀一號火箭。這次發(fā)射并不成功，原因是火箭的一個自控發(fā)動機在飛行過程中出了問題，導致燃料耗盡。火箭是個復雜設備，元器件數(shù)量高達數(shù)十萬個，劉建稱，藍箭花了不少精力駐場盯產(chǎn)解決品控問題。目前，藍箭70%的供應商是民營公司。

按戴政的說法，2022年之前，國內商業(yè)航天公司仍在模仿火箭“國家隊”，但目前在“火箭的空中二次點火”等技術上，藍箭等商業(yè)航天公司已經(jīng)走在了“國家隊”的前面。滑行指的是火箭主發(fā)動機關機后，火箭靠慣性向前飛行。從技術上來說，二級火箭只有在長時間滑行后再次點火，才能將衛(wèi)星送入靜止軌道，該軌道上的航天器運行方向和速度與地球自轉一致，被認為最適合發(fā)射需要與地面相對靜止的衛(wèi)星。

目前，藍箭已完成一級火箭的回收驗證和二級火箭的長滑行驗證，公司之后也會考慮二級火箭的回收，目前，全球只有SpaceX旗下的星艦在做這種嘗試。

從0到1之后

基石資本從2017年開始關注商業(yè)航天市場，作為藍箭航天的投資方，基石資本執(zhí)行董事浦檳巖認為，國內商業(yè)航天“不管產(chǎn)品還是研發(fā)都已經(jīng)邁過了從0到1的階段，進入了從1到10的商業(yè)化階段”。

藍箭給出的商業(yè)化步驟是，5年內主要服務國內的低軌互聯(lián)網(wǎng)建設需求，然后在10年后推出下一代火箭，相較于現(xiàn)有火箭，藍箭計劃讓下一代火箭的成本更低，能夠實現(xiàn)更高頻次的發(fā)射，甚至航班化運營。戴政認為，中國商業(yè)航天賽道最后可能最多只會留下兩家公司。“這是一個贏家通吃的生意，沒有差異化的市場可以打。”他說，誰能以更高頻次、更大運力、更低成本進入軌道，誰就能通吃，沒有別的指標。

藍箭的商業(yè)化節(jié)奏其實與SpaceX差不多。SpaceX成立于2002年，之后的二十多年里，它大部分時間都處于虧損狀態(tài)。作為投資方，浦檳巖稱他對藍箭航天的研發(fā)和產(chǎn)品進展“感到滿意”，但其商業(yè)化進展“不太符合預期”。

理論上，火箭可以被視為“一個高速公路，建成了之后，可以搭很多東西上去”，比如除了往太空發(fā)射衛(wèi)星、旅客，火箭還可以用于洲際的點對點運輸和投放，也可以用于太空科研，“材料提純、藥物提純、晶體的生成其實在地面很難，但在太空這都不是事兒。”劉建說，曾經(jīng)有國家院士向藍箭提議了“太空發(fā)電”，即將光伏運上天。用那位院士的說法，40萬平方公里光伏發(fā)的電就夠全球使用了。甚至，還有更開腦洞的創(chuàng)意是，當太空運力成本足夠低，就可以通過在空中投放發(fā)光材料來顯示廣告。不過現(xiàn)實是，目前整個商業(yè)化概念中最清晰的模式只有衛(wèi)星。

從2024年8月開始，中國兩大低軌衛(wèi)星星座組網(wǎng)計劃先后落地。8月，上海垣信衛(wèi)星主導的“千帆星座”計劃首批18顆組網(wǎng)衛(wèi)星順利入軌，正式拉開中國版“星鏈”建設的序幕；12月，“中國星網(wǎng)”的“國網(wǎng)（GW）星座”首次批量組網(wǎng)發(fā)射，以一箭十星方式成功將低軌01組衛(wèi)星送入預定軌道。這兩大“星座”在發(fā)射初期主要使用的仍是“國家隊”的火箭。

重塑了上游供應鏈后，民營航天公司們還需要撬動下游的市場需求。這些市場需求一方面需要被創(chuàng)造，另一方面，也需要火箭公司們將發(fā)射成本降得更低。“其實我們和馬斯克相比差的不只是可回收，還包括整個火箭的生產(chǎn)能力。”劉建說。理論上，國內的勞動力優(yōu)勢可以讓我們生產(chǎn)火箭的成本更低、效率更高，但事實并非如此。市場需求不清晰，使得供應鏈上的參與者并不敢規(guī)模性地投入。

趙論語對這個問題相對樂觀。“早期可能它（指美國）快一點，到后邊產(chǎn)業(yè)化階段，比拼制造能力的時候我們有條件更快一點。類似電動汽車，特斯拉作為先行者，后邊我們追的很快，已經(jīng)建立了全球領先的競爭力。”他說。