大讨论重现?\"固液之争\"再审视——兼论固体火箭商业化的价值和紧迫性_北京时间

大讨论重现?\

四、固体火箭商业化时不我待为了充分利用中国在固体火箭发动机制造能力方面的潜力,在长征十一号、快舟和“捷龙”火箭之外,我们需要有更多中国企业站出来,充当产业龙头,更加充分地把固体火箭的产能和科学、商业领域的需求对接起来,在市场和技术两个...

大讨论重现?\

大讨论重现?“固液之争”再审视

——兼论固体火箭商业化的价值和紧迫性

作者 | 《卫星与网络》李刚

一、历史大讨论再次浮现

(一)追求运力,液体火箭先胜一筹

在火箭技术领域,长期存在着所谓“固液之争”。也就是固体火箭发动机和液体火箭发动机,哪个更适合作为航天动力?

上世纪七八十年代,曾经有过一场影响深远的“固液”火箭发动机技术选择的大讨论。

双方支持者各执一词。液体派认为,液体发动机的导弹在运输时燃料储箱是空的,总体较轻,运输车辆的负荷较小,工程上更易实现。至于燃料,在发射场里加注就可以了。固体派则认为,固体火箭的燃料是在车间里浇铸完成的,不需要考虑燃料加注的问题,运输队伍精干,起竖后经过简单检测就可以发射。双方各自强调的优点,正是对方的软肋,讨论一时相持不下。

美国国防部“作战快速响应航天”(ORS)项目相关说明

正是小卫星的兴起,让人们重新把目光聚焦到运力较小的火箭上。

从国际航天的视角来看,小卫星在近20年里取得的进展,远远超过了小型火箭,特别是立方星标准的提出,给一大批大学、科研机构提供了清晰的框架,让涉及卫星系统规划、研制、发射服务和运营的各方能够在相同的技术标准框架下交流与合作。从1999年立方星标准的提出到2020年1月,已经有超过1200颗立方星入轨,每年发射的立方星数量都高速递增。

维基百科统计的2003~2018年累计发射立方星数量

但快速发射火箭的研制却步履艰难。在美国ORS计划下一共使用过三种火箭,其中包括猎鹰一号、轨道科学公司的米诺陶火箭和夏威夷大学的“超级思迪比”。然而现在猎鹰一号已经下马,“超级思迪比”仅发射了一次,就以失败告终,至于米诺陶火箭,我们下文再表。总的来说,ORS的快速发射的努力并不成功。

为了解决问题,美国国防部高级研究计划局(DARPA)从2016年开始组织“快速发射竞赛”,在经历了多次坎坷之后,最后只剩下一家叫阿斯特的公司还在努力,然而这家公司也没有取得成功,竞赛最终在2020年初宣告流产。目前,西方世界已经投入使用,并且具有快速发射潜力的,只有新西兰人彼得•贝克发明的电子火箭,贝克曾经希望电子火箭能够每72小时发射一次,但目前还远未实现。2019年,“电子火箭”仅发射了6次;2020年截止12月15日,也只发射了7次。

其中的原因也很简单,就在于这些火箭多数都采用液体燃料。

以“快速发射竞赛”为例,液体火箭天然就有发射准备时间长的问题。DARPA给快速发射竞赛提出的要求是,提前两周通知发射位置。参赛者要在两个星期的时间里,把火箭和支援保障设施拉到指定发射地点,完成燃料加注、星箭对接、综合测试等一系列工作,最终成功发射。阿斯特公司曾想尽办法压缩准备流程,但在3月2日发射前的最后一刻,发现箭上GNC系统不正常,只能放弃。

如果是采用固体发动机的运载火箭,情况就会有很大改变。在极限情况下,固体火箭可以装好卫星、做好一切准备,接到发射要求后,在不超过一个小时内起飞。如果用来发射卫星,考虑到卫星的准备时间和空域使用的协调,把准备时间放宽到一个星期也是可以接受的。

如此简单的道理,美国人难道不明白吗?事实上,只是做不到而已。

(三)固体运载火箭,美国为什么兴趣不大

为何如此,原因并不复杂。

冷战结束后,美国的“侏儒”导弹下马、“和平保卫者”导弹停产撤编。曾经参与上述导弹研制的几家企业纷纷被收购,研发和产能严重萎缩,情况最严重的专业领域就是固体发动机。最终,美国只剩下一家能够生产大直径固体发动机的企业,就是诺斯罗普•格鲁曼。大直径固体发动机的客户只剩下了航天飞机助推器、米诺陶火箭、飞马座火箭、地基反导拦截器等几个有限型号。以米诺陶火箭为例,从1994年到现在,一直保持着低速的生产和发射频率,最活跃的2011年也只发射了5次。当航天飞机退役后,情况更是雪上加霜。

美国要想把产业基础恢复起来,绝不是那么容易的事情。美国空军在为下一代洲际导弹合同招标时,经过几轮竞标,决赛时只剩下了诺格公司和波音公司,但就在最后关头,波音居然退出了,原因是波音也没有大型固体发动机产能,就算波音拿下了合同,也要向诺格购买发动机,与其为别人做嫁衣裳,不如放手。几乎同时,美国空军还开展了新一轮“渐进一次性运载器(EELV)”(2019年3月已改名为"国家安全航天发射",NSSL)的竞标,有三个竞争者的三个型号系列进入决赛,分别是ULA的“火神-半人马座”、太空探索技术公司的猎鹰九号和诺格公司的“欧米伽M”。前两者都是液体火箭,唯有第三种是固体火箭。然而当诺格公司获得美国国防部下一代洲际导弹研制合同、拿到一千多亿美元订单之后,立刻心满意足,终止了“欧米伽M”研制。也就是说,美国的固体火箭产业只能满足一个方向的需求,不是运载火箭就是洲际导弹。这也解释了,美国的商业航天企业为什么很少讨论固体火箭解决方案。

太空探索技术公司如今是西方商业发射市场上的领头羊。猎鹰九号和重型猎鹰的成功,在国际航天界掀起了一片跟风的潮流。几乎所有人都在讨论重型火箭、液氧甲烷发动机和可重复使用的话题。

然而,火箭毕竟是一种用来实施发射服务的工具,满足用户的需求才有其最根本的存在意义。在很多情况下,用户需要一种发射准备时间短,可以灵活选点机动发射的火箭。这正是美国国防高级研究计划局快速发射挑战赛的初衷。然而,由于固体火箭供应能力的缺失,美国人在快速响应发射方面的努力迄今未能有实质性的进展。而液体火箭无论怎么压缩制造和准备流程,在响应速度方面也是绝不可能和固体火箭相提并论的。

美国做不到,中国能不能做到呢?

二、中国固体火箭的优势和机遇

由于在大直径固体火箭发动机研制上的长期投入,中国固体运载火箭正处在一个非常有利的态势下:固体火箭的产能已经建立起来并且运转良好,服务于生产线的管理者、设计师、工艺师、工人技师队伍完整;主要分系统和关键元器件供应链完整而强大,质量合格、成本可控。用这些成熟的技术和产能研制不同等级的固体运载火箭,提供快速发射服务,正是商业航天的题中应有之义。

这种思路的第一批成果,就是已经发射了多次的长征十一号火箭、快舟一号火箭和新研制的“捷龙”系列火箭。其中,长征十一号火箭于12月10日刚刚进行了第十一次的发射,全部十一次发射均获得成功。该火箭还开创了中国海上发射火箭的新领域,并且承揽了国际发射业务。

2020年9月15日,长征十一号进行了第二次海上发射,取得圆满成功

固体火箭在快速发射上的应用价值,简单说就是随时发射、随处发射,以下简称“两随”。“两随”给发射服务商和卫星运营方带来的好处有两个。

首先是可以做到“火箭等卫星”,在军用领域,固体火箭可以实施类似于美国国防部“快速响应航天”的发射;在民用领域,固体火箭可以对大型星座等重要空间基础设施进行应急补网发射、时间敏感性自然现象的应急科学探测发射、灾害处理卫星的应急发射等。这给卫星运营者带来的优势是极为显著的。

其次就是可以自由地选择发射窗口、自由地选择发射位置,具有远远超过液体火箭的优势。从理论上说,只要解决了空域使用和落区安全的问题,固体火箭可以在荒滩、戈壁、大海上起飞,暑假期间租用学校体育场发射也不是不可想象的。

这一切,都是马斯克那条技术路线所不能做到的。

就此而言,用中国自己的资源,开发自己的固体火箭,做好中国自己的商业航天发射服务,建立一个具有强大国内国际竞争力的产业生态,是创业者们的现实选择,也是历史责任。

三、大力发展商业固体火箭一举多得

虽然我们已经有了优秀的长征十一号,但是国内固体火箭的制造能力却远远没有“吃饱”,巨大投资形成的资产和积累起来的技术成果,还没有实现自己的商业价值。而解决大型固体火箭的商业化问题,将形成一个多赢的局面。

第一,国家投入巨资形成的固体火箭产能,可以转变成产生经济效益的发动机。

在可预见的将来,国内外中小卫星发射市场依然会保持繁荣,是值得投入的市场。据我们在学术领域的调查发现,有志于空间辐射环境研究、微重力研究、空间生命科学研究、空间材料科学研究等领域的大学、研究机构相当多,他们的需求已经催生了日益繁荣的立方星市场,随之而来的就是对发射服务的需求。这种需求对发射的时效性要求很高,小型科研项目的周期往往在1~3年,攻读学位的周期往往是硕士30个月、博士40个月,也就是说,学者们要用一定的时间来完成立项或者立题、理论研究和设计、样机制造和调试,飞行试验之后还需要时间来完成数据分析和结论,最后还需要时间来撰写论文和发表,如果是攻读学位,前期还要有理论课学习的时间。留给发射和在轨飞行的时间是很紧张的,假如学者们需要等上半年、一年甚至更久才有机会发射,能不能按时结题、毕业都是个很大的问题。

第二,固体火箭商业化,也能增加国内发射服务供应,为商业小卫星星座提供更多的入轨机会。

目前,国内商业航天市场上已经出现了大量的小卫星创业者。这些企业同样需要按照自己的商业计划书及时发射,假如让他们苦等发射机会,星座建设进程达不到预期,或许就会错失用户市场,进而失去资本的支持。

第三、固体火箭并不局限于小型火箭,在有关技术突破之后,固体火箭同样可以开发出大推力、大运载能力的型号。

航天飞机的固体助推器就是最典型的案例。其他发射服务商同样可以通过技术进步来开发大型固体火箭,承担大型载荷发射、一箭多星发射等任务。国内已经有机构正在朝这个方向努力,例如北京中科宇航探索技术有限公司(简称“中科宇航”)研制中的两型火箭。

中科宇航发布的中科一号(ZK-1)及中科二号(ZK-2)火箭,低轨道运载能力达到2~4吨。

四、固体火箭商业化时不我待

为了充分利用中国在固体火箭发动机制造能力方面的潜力,在长征十一号、快舟和“捷龙”火箭之外,我们需要有更多中国企业站出来,充当产业龙头,更加充分地把固体火箭的产能和科学、商业领域的需求对接起来,在市场和技术两个问题上起到建立者和培育者的作用,创造出属于中国自己的商业发射产业生态,进而为商业航天大产业生态的建设和航天产业国际化起到推动作用。

这正是中科宇航正在实施的战略,这家混合所有制企业打算充分调动中国科学院系统在机械、电子、计算机、控制、光电、雷达等多个领域的科研能力,跨系统协调固体发动机研制相关单位的资源,开发一系列快速发射的固体火箭,为科学界和商业界提供稳定、可靠、及时的发射服务。

中科宇航拥有一个熟悉业务和流程的团队,董事长杨毅强,曾担任长征十一号首任总指挥,对跨系统合作和总体协调相当娴熟。此外,固体战略导弹研发相关企业在商业代工方面采取了非常开放的态度,一些民营火箭公司前期发射活动就在商业代工框架下,得到了体制内企业的有力支持,因此,中科宇航的战略是具有可操作性的。

现在的问题是中科宇航研发的速度够不够快,能不能抓住固体火箭科研生产能力的巅峰期,顺势而为,把产业生态建立起来。按照中科宇航的计划,其正在研制的中科一号(ZK-1)火箭系列能够达到2~3吨的500千米近地轨道运载能力,中科二号正在瞄准500千米近地轨道4吨运载能力的方向前进。2021年,中科一号的第一枚火箭就要试飞。对这个时间表,我们还是有理由抱着乐观态度的.

大讨论重现?\

四、固体火箭商业化时不我待为了充分利用中国在固体火箭发动机制造能力方面的潜力,在长征十一号、快舟和“捷龙”火箭之外,我们需要有更多中国企业站出来,充当产业龙头,更加充分地把固体火箭的产能和科学、商业领域的需求对接起来,在市场和技术两个...

大讨论重现?\

大讨论重现?“固液之争”再审视

——兼论固体火箭商业化的价值和紧迫性

作者 | 《卫星与网络》李刚

一、历史大讨论再次浮现

(一)追求运力,液体火箭先胜一筹

在火箭技术领域,长期存在着所谓“固液之争”。也就是固体火箭发动机和液体火箭发动机,哪个更适合作为航天动力?

上世纪七八十年代,曾经有过一场影响深远的“固液”火箭发动机技术选择的大讨论。

双方支持者各执一词。液体派认为,液体发动机的导弹在运输时燃料储箱是空的,总体较轻,运输车辆的负荷较小,工程上更易实现。至于燃料,在发射场里加注就可以了。固体派则认为,固体火箭的燃料是在车间里浇铸完成的,不需要考虑燃料加注的问题,运输队伍精干,起竖后经过简单检测就可以发射。双方各自强调的优点,正是对方的软肋,讨论一时相持不下。

美国国防部“作战快速响应航天”(ORS)项目相关说明

正是小卫星的兴起,让人们重新把目光聚焦到运力较小的火箭上。

从国际航天的视角来看,小卫星在近20年里取得的进展,远远超过了小型火箭,特别是立方星标准的提出,给一大批大学、科研机构提供了清晰的框架,让涉及卫星系统规划、研制、发射服务和运营的各方能够在相同的技术标准框架下交流与合作。从1999年立方星标准的提出到2020年1月,已经有超过1200颗立方星入轨,每年发射的立方星数量都高速递增。

维基百科统计的2003~2018年累计发射立方星数量

但快速发射火箭的研制却步履艰难。在美国ORS计划下一共使用过三种火箭,其中包括猎鹰一号、轨道科学公司的米诺陶火箭和夏威夷大学的“超级思迪比”。然而现在猎鹰一号已经下马,“超级思迪比”仅发射了一次,就以失败告终,至于米诺陶火箭,我们下文再表。总的来说,ORS的快速发射的努力并不成功。

为了解决问题,美国国防部高级研究计划局(DARPA)从2016年开始组织“快速发射竞赛”,在经历了多次坎坷之后,最后只剩下一家叫阿斯特的公司还在努力,然而这家公司也没有取得成功,竞赛最终在2020年初宣告流产。目前,西方世界已经投入使用,并且具有快速发射潜力的,只有新西兰人彼得•贝克发明的电子火箭,贝克曾经希望电子火箭能够每72小时发射一次,但目前还远未实现。2019年,“电子火箭”仅发射了6次;2020年截止12月15日,也只发射了7次。

其中的原因也很简单,就在于这些火箭多数都采用液体燃料。

以“快速发射竞赛”为例,液体火箭天然就有发射准备时间长的问题。DARPA给快速发射竞赛提出的要求是,提前两周通知发射位置。参赛者要在两个星期的时间里,把火箭和支援保障设施拉到指定发射地点,完成燃料加注、星箭对接、综合测试等一系列工作,最终成功发射。阿斯特公司曾想尽办法压缩准备流程,但在3月2日发射前的最后一刻,发现箭上GNC系统不正常,只能放弃。

如果是采用固体发动机的运载火箭,情况就会有很大改变。在极限情况下,固体火箭可以装好卫星、做好一切准备,接到发射要求后,在不超过一个小时内起飞。如果用来发射卫星,考虑到卫星的准备时间和空域使用的协调,把准备时间放宽到一个星期也是可以接受的。

如此简单的道理,美国人难道不明白吗?事实上,只是做不到而已。

(三)固体运载火箭,美国为什么兴趣不大

为何如此,原因并不复杂。

冷战结束后,美国的“侏儒”导弹下马、“和平保卫者”导弹停产撤编。曾经参与上述导弹研制的几家企业纷纷被收购,研发和产能严重萎缩,情况最严重的专业领域就是固体发动机。最终,美国只剩下一家能够生产大直径固体发动机的企业,就是诺斯罗普•格鲁曼。大直径固体发动机的客户只剩下了航天飞机助推器、米诺陶火箭、飞马座火箭、地基反导拦截器等几个有限型号。以米诺陶火箭为例,从1994年到现在,一直保持着低速的生产和发射频率,最活跃的2011年也只发射了5次。当航天飞机退役后,情况更是雪上加霜。

美国要想把产业基础恢复起来,绝不是那么容易的事情。美国空军在为下一代洲际导弹合同招标时,经过几轮竞标,决赛时只剩下了诺格公司和波音公司,但就在最后关头,波音居然退出了,原因是波音也没有大型固体发动机产能,就算波音拿下了合同,也要向诺格购买发动机,与其为别人做嫁衣裳,不如放手。几乎同时,美国空军还开展了新一轮“渐进一次性运载器(EELV)”(2019年3月已改名为"国家安全航天发射",NSSL)的竞标,有三个竞争者的三个型号系列进入决赛,分别是ULA的“火神-半人马座”、太空探索技术公司的猎鹰九号和诺格公司的“欧米伽M”。前两者都是液体火箭,唯有第三种是固体火箭。然而当诺格公司获得美国国防部下一代洲际导弹研制合同、拿到一千多亿美元订单之后,立刻心满意足,终止了“欧米伽M”研制。也就是说,美国的固体火箭产业只能满足一个方向的需求,不是运载火箭就是洲际导弹。这也解释了,美国的商业航天企业为什么很少讨论固体火箭解决方案。

太空探索技术公司如今是西方商业发射市场上的领头羊。猎鹰九号和重型猎鹰的成功,在国际航天界掀起了一片跟风的潮流。几乎所有人都在讨论重型火箭、液氧甲烷发动机和可重复使用的话题。

然而,火箭毕竟是一种用来实施发射服务的工具,满足用户的需求才有其最根本的存在意义。在很多情况下,用户需要一种发射准备时间短,可以灵活选点机动发射的火箭。这正是美国国防高级研究计划局快速发射挑战赛的初衷。然而,由于固体火箭供应能力的缺失,美国人在快速响应发射方面的努力迄今未能有实质性的进展。而液体火箭无论怎么压缩制造和准备流程,在响应速度方面也是绝不可能和固体火箭相提并论的。

美国做不到,中国能不能做到呢?

二、中国固体火箭的优势和机遇

由于在大直径固体火箭发动机研制上的长期投入,中国固体运载火箭正处在一个非常有利的态势下:固体火箭的产能已经建立起来并且运转良好,服务于生产线的管理者、设计师、工艺师、工人技师队伍完整;主要分系统和关键元器件供应链完整而强大,质量合格、成本可控。用这些成熟的技术和产能研制不同等级的固体运载火箭,提供快速发射服务,正是商业航天的题中应有之义。

这种思路的第一批成果,就是已经发射了多次的长征十一号火箭、快舟一号火箭和新研制的“捷龙”系列火箭。其中,长征十一号火箭于12月10日刚刚进行了第十一次的发射,全部十一次发射均获得成功。该火箭还开创了中国海上发射火箭的新领域,并且承揽了国际发射业务。

2020年9月15日,长征十一号进行了第二次海上发射,取得圆满成功

固体火箭在快速发射上的应用价值,简单说就是随时发射、随处发射,以下简称“两随”。“两随”给发射服务商和卫星运营方带来的好处有两个。

首先是可以做到“火箭等卫星”,在军用领域,固体火箭可以实施类似于美国国防部“快速响应航天”的发射;在民用领域,固体火箭可以对大型星座等重要空间基础设施进行应急补网发射、时间敏感性自然现象的应急科学探测发射、灾害处理卫星的应急发射等。这给卫星运营者带来的优势是极为显著的。

其次就是可以自由地选择发射窗口、自由地选择发射位置,具有远远超过液体火箭的优势。从理论上说,只要解决了空域使用和落区安全的问题,固体火箭可以在荒滩、戈壁、大海上起飞,暑假期间租用学校体育场发射也不是不可想象的。

这一切,都是马斯克那条技术路线所不能做到的。

就此而言,用中国自己的资源,开发自己的固体火箭,做好中国自己的商业航天发射服务,建立一个具有强大国内国际竞争力的产业生态,是创业者们的现实选择,也是历史责任。

三、大力发展商业固体火箭一举多得

虽然我们已经有了优秀的长征十一号,但是国内固体火箭的制造能力却远远没有“吃饱”,巨大投资形成的资产和积累起来的技术成果,还没有实现自己的商业价值。而解决大型固体火箭的商业化问题,将形成一个多赢的局面。

第一,国家投入巨资形成的固体火箭产能,可以转变成产生经济效益的发动机。

在可预见的将来,国内外中小卫星发射市场依然会保持繁荣,是值得投入的市场。据我们在学术领域的调查发现,有志于空间辐射环境研究、微重力研究、空间生命科学研究、空间材料科学研究等领域的大学、研究机构相当多,他们的需求已经催生了日益繁荣的立方星市场,随之而来的就是对发射服务的需求。这种需求对发射的时效性要求很高,小型科研项目的周期往往在1~3年,攻读学位的周期往往是硕士30个月、博士40个月,也就是说,学者们要用一定的时间来完成立项或者立题、理论研究和设计、样机制造和调试,飞行试验之后还需要时间来完成数据分析和结论,最后还需要时间来撰写论文和发表,如果是攻读学位,前期还要有理论课学习的时间。留给发射和在轨飞行的时间是很紧张的,假如学者们需要等上半年、一年甚至更久才有机会发射,能不能按时结题、毕业都是个很大的问题。

第二,固体火箭商业化,也能增加国内发射服务供应,为商业小卫星星座提供更多的入轨机会。

目前,国内商业航天市场上已经出现了大量的小卫星创业者。这些企业同样需要按照自己的商业计划书及时发射,假如让他们苦等发射机会,星座建设进程达不到预期,或许就会错失用户市场,进而失去资本的支持。

第三、固体火箭并不局限于小型火箭,在有关技术突破之后,固体火箭同样可以开发出大推力、大运载能力的型号。

航天飞机的固体助推器就是最典型的案例。其他发射服务商同样可以通过技术进步来开发大型固体火箭,承担大型载荷发射、一箭多星发射等任务。国内已经有机构正在朝这个方向努力,例如北京中科宇航探索技术有限公司(简称“中科宇航”)研制中的两型火箭。

中科宇航发布的中科一号(ZK-1)及中科二号(ZK-2)火箭,低轨道运载能力达到2~4吨。

四、固体火箭商业化时不我待

为了充分利用中国在固体火箭发动机制造能力方面的潜力,在长征十一号、快舟和“捷龙”火箭之外,我们需要有更多中国企业站出来,充当产业龙头,更加充分地把固体火箭的产能和科学、商业领域的需求对接起来,在市场和技术两个问题上起到建立者和培育者的作用,创造出属于中国自己的商业发射产业生态,进而为商业航天大产业生态的建设和航天产业国际化起到推动作用。

这正是中科宇航正在实施的战略,这家混合所有制企业打算充分调动中国科学院系统在机械、电子、计算机、控制、光电、雷达等多个领域的科研能力,跨系统协调固体发动机研制相关单位的资源,开发一系列快速发射的固体火箭,为科学界和商业界提供稳定、可靠、及时的发射服务。

中科宇航拥有一个熟悉业务和流程的团队,董事长杨毅强,曾担任长征十一号首任总指挥,对跨系统合作和总体协调相当娴熟。此外,固体战略导弹研发相关企业在商业代工方面采取了非常开放的态度,一些民营火箭公司前期发射活动就在商业代工框架下,得到了体制内企业的有力支持,因此,中科宇航的战略是具有可操作性的。

现在的问题是中科宇航研发的速度够不够快,能不能抓住固体火箭科研生产能力的巅峰期,顺势而为,把产业生态建立起来。按照中科宇航的计划,其正在研制的中科一号(ZK-1)火箭系列能够达到2~3吨的500千米近地轨道运载能力,中科二号正在瞄准500千米近地轨道4吨运载能力的方向前进。2021年,中科一号的第一枚火箭就要试飞。对这个时间表,我们还是有理由抱着乐观态度的.

北京时间客户端