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3月30日晚,中科宇航力箭二号遥一运载火箭·国际纺都号在东风商业航天创新试验区成功发射。此次任务是力箭二号运载火箭的首次飞行,将新征程01卫星、新征程02卫星和天视卫星01星送入预定轨道。
据力箭二号总指挥杨浩亮介绍,目前力箭二号不回收状态下单次发射成本与SpaceX猎鹰九号回收状态下单次发射成本基本相当,后续实现回收后成本还有望下降至SpaceX的一半。
一、可回收火箭是商业航天发展的必经之路
“可重复使用”是降低运载器成本的主要途径之一,亦是克服商业航天发展瓶颈的重要一环。随着航天活动规模越来越大,发射越来越频繁,运载火箭的成本成为制约航天发展的一项非常重要的因素。目前一次性火箭平均发射成本(报价)落在1.1 亿-1.8亿美元之间,部分回收火箭发射成本(报价)为6700万美元左右,随着全球主要大厂积极发展可回收技术,目标在达成全面回收的情况下,有望将发射成本(报价)降低至200-500万美元。
回收复用,即通过对发射出去的火箭主要部分进行回收,继续用于下一次发射活动,以此来实现降低发射成本、提升快速响应时间的目的。目前SpaceX 公司的猎鹰-9(Falcon-9)火箭、RocketLab 的“电子”(Electron)火箭、“中子”(Neutron)火箭等均选择回收复用技术路线。
按照火箭回收部分的不同,可以分为一子级/助推器回收、整流罩回收、组合体回收等。其中,一子级/助推器回收、整流罩回收,是指对运载火箭的某一部分进行回收再利用,SpaceX 公司的猎鹰-9系列火箭已成功实现了百余次芯一级回收、多次助推器和整流罩回收,领跑全球技术发展方向;组合体回收,是指将火箭的某些部分组合进行一体设计、一体回收再利用,RocketLab公司的“中子”火箭即该类技术的典型代表。
二、猎鹰9号多年尝试实现常态化可复用
猎鹰9号是一款可重复使用的两级火箭,由SpaceX设计和制造,旨在确保可靠且安全将人员和有效载荷运入地球轨道及更远。猎鹰9号是世界上第一个轨道级别可重复使用火箭,可重复使用使SpaceX能够回收火箭最昂贵的部件,而这些部件反过来也降低了火箭发射成本。
猎鹰9号火箭从首飞到实现常态化可复用用了多年时间,经历了漫长的技术演进过程:
2010年6月4日,猎鹰9号完成首次发射,最早的猎鹰9号v1.0和v1.1版本在2013-2015年期间多次尝试海上和陆地回收,但全部失败。
2015年12月21日,全推力版猎鹰9号首次成功实现一级火箭陆地回收,从首次回收成功到2018年实现常态化复用,SpaceX又用了约3年的时间。
截至2025年12月23日,猎鹰9号已完成580次发射任务,着陆534次,其中复飞501次。
“猎鹰”火箭助推器回收程序共有3个步骤:
1)一级火箭和二级火箭分离后,火箭会自动调姿并向后翻转,9台发动机中1台开始工作,执行“回推”动作,此时火箭一级顶部的栅格翼展开调整姿态。
2)在进入大气之后,3台发动机执行“再入”点火,为火箭再入阶段减速。
3)最后,在接近地面时,1台发动机执行着陆点火,实现火箭着陆前的反推,通过着陆腿实现“猎鹰”火箭的软着陆。
4)火箭一子级垂直回收在其与二级分离后实施,先后经过调姿段、动力回飞段、滑行段、动力再入段和着陆下降段等五个阶段,在高精度控制下最终以预定的速度和姿态返回预定的回收地点。
经过不到10年的时间,SPACEX实现了猎鹰9号火箭从首飞到一级回收、一级复用、整流罩回收和整流罩复用。根据马斯克公开的成本数据:猎鹰9号运载火箭的复用成本为1500万美元,其中制造不可复用的二子级成本1000万美元,整流罩、推进剂、氦气、维修一子级等成本约500万美元,维修一子级成本仅约合25万美元。
三、商业火箭产业链梳理
火箭发射服务的整个链条涉及单位和环节众多,是一个复杂的系统工程。发射服务产业链包括上游火箭零部件制造商提供动力系统、控制系统、火箭箭体等部件给中游的火箭公司(大部分火箭公司会自研动力系统等核心系统),火箭公司为卫星制造商提供发射服务,最终实现在轨交付给卫星运营商。此外,运载火箭上还有一些不直接影响飞行成败并由箭上设备与地面设备共同组成的系统,例如遥测系统、外弹道测量系统、安全系统和瞄准系统等;发射环节还涉及到使用发射场资源、火箭及卫星需要购买发射保险等。
03-1 发动机系统
液体火箭一级主动力发动机为运载火箭提供初始动力,具有推力量级大、研发费用高、研发周期长的特点,其功能、性能、成本对火箭的重复使用至关重要。
液体火箭主发动机呈现独特的技术特点:1)工作过程机理复杂,有效预示和控制难度大;2)载荷环境复杂恶劣,结构强度和疲劳问题突出;3)系统和结构复杂度高,制造和使用维护难度大。先进发动机的发展需要先进材料与制造技术的支撑。
03-2 箭体结构
运载火箭的箭体结构是火箭的主体,主要包括整流罩、级间段、尾段等部段,而液体运载火箭还包括压力容器部件即推进剂贮箱等。以美国的宇宙神5火箭为例,箭体结构成本约占火箭总成本的25%-30%。
其中,典型贮箱结构包括箱底和筒段两部分,箱底包括椭球、球形、锥形等多种底型,一般由曲板拼焊而成,筒段一般为光壳和网格加筋结构,网格类型包括正置正交、斜置正交和等边三角形,主要采用铝合金材料;推进剂贮箱的成型工艺主要包括钣金成型工艺、拼焊工艺以及铣削工艺。
整流罩、级间段、尾段等干部段结构大多采用铝合金铆接结构、整体铸造后机加结构或复合材料夹芯结构,主要涉及到的成型工艺包括铆接、铸造、钣金成型、热压罐固化等工艺。
03-3 控制系统
运载火箭控制系统由箭上飞行控制系统和地面测试发控系统两部分组成,前者在火箭上,后者在发射场的发射塔、塔地下电源间和测试发射控制室中。
箭上飞行控制系统由制导系统、姿态控制系统、时序控制系统和电源配电系统四部分组成。
1)制导系统:克服火箭沿预定轨道飞行中的各种干扰,适时发出关机指令和导引指令,保证火箭和飞船(卫星)的入轨精度。
2)姿态控制系统:克服火箭飞行中的各种干扰,确保火箭按预定轨道稳定飞行,使起飞火箭的漂移量、姿态角偏差、姿态角速度、发动机摆角、攻角等控制在允许的范围内,并按飞行程序和制导系统导引信号,改变火箭姿态,实现制造系统对火箭质心运动的控制。
3)时序控制系统:按要求引爆各火工品,实现发动机点火、关机、分离、箱体补压,提供电路需要控制时间。
4)电源配电系统:提供控制系统各装置所用电源并按要求的形式配电,实现箭地电源转换。
测试发控系统由测试系统、发射控制系统、监控指挥系统、故障诊断专家系统和地面电源系统五部分组成。
1)测试系统:由箭上设备的性能参数与状态信号的数据采集系统、各类电缆光缆和数传设备组成;
2)发射控制系统:配转机柜的火箭状态控制;
3)监控指挥系统:由地面计算机网络、数据与话音通信、多屏显示等组成;
4)故障诊断专家系统:由各系统的地面测试计算机和地面计算机网络及其故障诊断软件系统组成;
5)地面电源系统:由控制、遥测、外测安全的地面电源(一次电源),一、二级伺服机构马达地面供电电源、配电转接机柜和发控台供配电组合组成。
四、相关标的
发动机系统
斯瑞新材:高强高导铜合金材料龙头,液体火箭发动机推力室内壁材料及零部件产品已进入量产阶段,完成了年产150台(套)液体火箭发动机推力室内、外壁成品加工产能的打造。
西部材料:国内最早从事难熔金属材料深加工企业之一,公司航天用铌合金广泛用于火箭、卫星等航天装备,为“长征火箭”“天宫空间站”及探月、探火等重大航天工程的顺利实施提供了关键原材料。
铂力特:金属3D打印龙头,已助力蓝箭航天、东方空间、九州云箭、星际荣耀、星众空间、天回航天等多个商业航天客户完成发射、飞行任务,参与的多个商业航天项目已进入批量生产阶段。
航宇科技:航空环锻件龙头,深度进入九州云箭、星河动力、蓝箭航天、天兵科技、东方空间、中科宇航等头部火箭厂商,覆盖谷神星、朱雀、力箭、天龙等主力型号。
派克新材:国内少数几家可为航空发动机、航天运载火箭及卫星、燃气轮机、深海装备等高端装备提供配套特种合金精密环形锻件产品和精密模锻件产品的民营企业之一。
中航重机:航空锻造龙头,旗下重机宇航深耕商业火箭锻件市场多年,已为东方空间“引力一号”、星际荣耀卫星支架、星河动力“谷神星”、九州云箭发动机等多型商业火箭稳定供应关键锻件。
航天动力:航天科技集团六院唯一上市平台,以航天军工流体技术(包括液体、气体)和惯性导航技术为核心技术,以从事系列民用产品的设计、开发、生产和销售为主营业务的技术密集型公司。
箭体结构
超捷股份:汽车精密紧固件、异形连接件龙头,布局商业火箭箭体结构件制造业务,包括箭体大部段(壳段)、整流罩、燃料贮箱、发动机阀门等,客户涵盖国内多家头部民营火箭公司。
广联航空:航空工装和零部件核心供应商,拟收购的天津跃峰深耕航天装备制造领域多年,在核心部件全流程制造、特种工艺攻坚等方面积淀了深厚能力。
国机精工:特种轴承领军企业,为商业航天领域提供的轴承主要包括卫星动量轮用轴承组件、卫星电池帆板用轴承、火箭燃料涡轮泵轴承等产品,是我国长征系列火箭所用特种轴承重要供应商。
控制系统
航天电器:军用连接器龙头,在可回收火箭领域,公司可匹配的产品包括连接器及线缆、继电器、微特电机等产品。
中航光电:连接器龙头,在商业航天(含卫星、火箭)领域深度配套,且是连接器及光电液综合互连组件的统型和优选供应商。
高华科技:传感器龙头,积极投身于航天事业发展,公司高可靠性传感器及传感器网络系统产品陆续在长征二号F、长征三甲系列、长征五号 B、长征六号改、长征七号A、长征八号甲等多型号火箭配套应用。
航天电子:航天科技九院唯一上市平台,公司航天产品在商业航天领域已有应用。
理工导航:惯性导航系统核心供应商,高精度高可靠性惯导系统、加速度测量模块、速率陀螺组合系统等产品可用于商业航天领域,已与国内某商业航天企业签订了某型惯导系统配套合同。
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来源:策金说
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