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航天|今年首飞国产复用火箭？星际荣耀公司一年完成SpaceX三年工作

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航天|今年首飞国产复用火箭？星际荣耀公司一年完成SpaceX三年工作

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前不久，资源三号01遥感卫星迎来了发射九周年纪念日，这颗重量仅有2.65吨的卫星现今已产出5.4亿人民币产值，为国家节省了21.6亿人民币测绘图像采购成本，间接效益更是高达百亿人民币，航天产业的高附加值由此可见一斑。

资源三号系列卫星
欧洲咨询公司发布《2020年航天经济报告》显示2020年全球航天经济总量再创新高，达到3850亿美元，这一数据甚至超过了全球航空工业带来的直接产值，当然后者产生的综合产值仍然远高于前者。
随着天基通信、天基遥感、天基导航三大应用潜力的不断释放，以及未来仅限于想象的其他潜在应用需求的开发，航天早已摘掉“曲高和寡”标签，深入到千家万户，对经济发展的影响也越发深入，航天产业已经进入到由纯粹的技术牵引向市场需求牵引转型发展的新阶段。

北斗三号全球卫星导航系统
“运载火箭运力有多大，航天舞台就有多大”是航天业界公认的一句话，其中“运力”是核心关键词，它对应的是“进入空间能力” ，这一能力也是决定航天产业转型发展的成败所在。
如今进入空间能力的意涵更加丰富，它不再局限于单枚火箭的运力高低，运载火箭的大规模批量生产、快速发射、低成本发射都是重要的考量要素。
试想一下即便昔日近地轨道运力高达119吨的土星五号重型登月火箭重生，其每发射一枚就烧掉一艘航母的高昂成本以及漫长的发射准备周期等限制因素也注定难以为继。

进入空间能力不局限于单枚火箭运力
去年大洋彼岸总计进行了44次航天发射活动，其中25次皆由SpaceX公司承担，该公司在新的一年里更是计划实施48次航天发射活动，猎鹰-9号火箭已经掌握批量生产、快速发射、低成本发射三大核心能力。
运载工具回收复用技术是掌握三大核心能力的关键所在，猎鹰-9号也是迄今为止世界唯一一款具备一子级垂直回收复用功能的入轨级运载火箭。然而放眼全球除大洋彼岸外，太平洋另一端的我们同样是VTVL垂直回收复用技术进展最快的玩家。

猎鹰九号一子级垂直降落回收
目前我国运载火箭垂直回收复用技术已经形成“国营为主，民营为辅，多路并进，集群式突破”的新发展格局，比如，长征-8R致力于实现技术难度更大的助推器-芯一级集束式垂直回收，民营航天依托航天传统产业链优势正在加速突破液氧甲烷燃料火箭的垂直回收复用能力，如果一切顺利最快我们将在今年实现垂直回收复用火箭的零突破。分页标题#e#
零突破战绩将极有可能被星际荣耀公司拿下，这家正式运营于2017年的初创民营航天公司仅用三年时间凭借双曲线一号固体燃料运载火箭遥一任务在2019年就拿下了民营航天入轨发射零突破战绩，与之对比SpaceX公司猎鹰一号火箭首次成功入轨则用了整整六年时间。

双曲线一号
双曲线一号是一款四级固体燃料火箭，长约24米，起飞质量约42吨，起飞推力约78吨，可以将超过1吨载荷送入近地轨道， 500公里太阳同步轨道运力300公斤。
星际荣耀是我国首家拥有入轨发射能力的民营航天公司，也是全球第三家拥有入轨发射能力的纯民营航天公司。
在双曲线一号火箭用户手册中写着这样一句话“双曲线一号是星际荣耀公司独立设计完成的小型固体运载火箭，智能箭载综合控制机（星控一号）、一二三四级固体火箭发动机和液体姿轨控发动机等产品具有完全自主知识产权。 ” 。

双曲线一号遥一入轨精度
寥寥数语背后是大系统能力的体现，航天领域没有99分，只有100分，因为任何一个环节出错都可能满盘皆输。
近年来乘着军民融合战略东风，一大批民营航天公司接连成立，在双曲线一号遥一任务前蓝箭航天公司的朱雀一号与零壹空间公司的OS-M运载火箭也曾先后问天，但结果却是接连告负。朱雀一号问题出在末修姿控动力， OS-M的问题则是速率陀螺，可见火箭入轨之难。

朱雀一号（右）与OS-M（左）
入轨只是万里长征的第一步，早在双曲线一号遥一任务之前星际荣耀公司初创阶段他们就已经着手开发具备一子级垂直回收复用功能的双曲线二号液体燃料火箭，而这正是该公司“固液并举”发展战略的先手棋。
一方面通过固体燃料火箭验证入轨能力，向投资方展示技术与盈利能力，比如目前双曲线一号就收获了大量卫星发射订单，该型火箭遥二至遥六订单任务已经明晰，另一方面着眼长远同步开展液体燃料火箭研制任务。

双曲线一号收获多个发射订单
基于“小步快跑、快速迭代、持续进化”的发展策略双曲线二号将在今年迎来一系列关键任务节点，上半年双曲线二号验证型火箭将实施米级、千米级、百公里三级回收试验，并于下半年正式实施双曲线二号遥一火箭发射与一子级垂直回收任务。

猎鹰9号一子级千米级起跳验证测试
上述任务即便是大洋彼岸的SpaceX公司也用了将近三年时间，星际荣耀究竟何德何能敢于立下如此宏愿？

双曲线二号
起初笔者也是深度怀疑，但通过梳理学习双曲线二号火箭的发展脉络后，才深刻地体会到这是一匹“黑马” 。
发展航天动力先行：焦点一号发动机敢为天下先
双曲线二号从立项伊始就确立了走液氧甲烷燃料的高端技术路线，这种燃料组合可以兼容氢氧燃料与液氧煤油燃料的优缺点。
液氧甲烷燃料虽然比冲性能弱于氢氧燃料，但却胜于液氧煤油燃料。甲烷燃料较高的密度也使得箭体规模小于氢氧燃料火箭，加上甲烷燃料更低的生产成本，以及先天的重复使用优势，使其在新世纪航天发展大潮中抢占了C位。

双曲线二号构型示意图
基于液氧甲烷燃料技术路线焦点一号液氧甲烷发动机应运而生，该型发动机真空推力15吨，真空比冲优于355秒，该指标全面优于YF-100型液氧煤油发动机，并达到同类型发动机的国际领先水平。
焦点一号还有一个抢眼数据，就是40%～105%的大范围推力调节能力，这也是垂直回收复用火箭的门槛技术。与之对比长征八号使用的YF-100液氧煤油发动机推力调节能力是75%～100% ， SpaceX公司猎鹰九号使用的梅林-1D系列发动机则是70%～100% 。

焦点一号液氧甲烷燃料发动机500秒全系统长程试车
垂直回收复用的另一项门槛技术就是二次启动能力，在去年5月27日的一次500秒长程试车任务中焦点一号成功突破二次启动技术大关，并成为全球首款具备二次启动能力的液氧甲烷燃料发动机。
基于液氧甲烷燃料无积碳结焦优势，焦点一号设计重复使用次数高达30次，远高于猎鹰九号10次设计复用次数。截至去年7月17日，第二台用于地面试车的焦点一号发动机累计进行了2107.5秒时长试车，相当于完成10次一子级发射与回收任务，可谓是重复使用潜能的小试牛刀。

焦点一号变推力试车
为了打破发动机制造过程中涉及的特种工艺垄断，焦点一号推力室广泛应用了3D打印增材制造技术，诸如锻造、旋压、机加工、电镀等流程都能够被取代，也使得产品可靠性更高、通用化水平更高、制造成本更低、生产周期更短，起到一箭多雕功效。分页标题#e#
作为航天初创公司的首发产品，焦点一号液氧甲烷发动机设计起点之高有目共睹，并通过一次又一次的长程试车证明着自身实力，为双曲线二号垂直回收复用火箭的最终成功打下了坚实的动力基础。

焦点一号二次启动
箭体超前布局，垂直回收复用装备接连攻克
双曲线二号采用二级光杆构型，火箭长约28米，起飞重量约90吨，近地轨道运力1.9吨，火箭规模与长征六号接近。
一子级直径3.35米，配置9台焦点一号发动机，起飞推力约106吨。二子级直径2.25米，配置1台焦点一号。从火箭构型来看充分吸收了猎鹰-9号火箭研制经验，也继承了国营航天火箭产业链，鉴于一子级回收的重复使用价值，双曲线二号在猎鹰九号基础上又进一步，将一子级成本占比进一步扩大。

双曲线一号起飞级成本占比更大
按照既定计划双曲线二号验证型火箭将于今年上半年进行百公里级抛物线回收试验，近几个月服务此项任务的各项关键装备研发也陆续收官。
运载火箭一子级垂直回收复用通常要经历调姿段、高空滑翔段、动力减速段、气动减速段、着陆段共五大阶段。

一子级垂直降落回收五大任务阶段
双曲线二号火箭一子级与二子级分离后自身处于一条亚轨道弹道之中，至飞行顶点高度这一阶段是辅助动力系统发挥作用的调姿段，姿态调整的目标是将一子级发动机喷口朝向前进方向。

一子级调姿
尔后进入无动力滑翔段，在此期间栅格舵将展开，当一子级进入海拔高度80至90公里区间时二次启动发动机进入动力减速段，当一子级下落至两万七千米左右高度区间时进入气动减速段。

栅格舵展开
去年11月双曲线二号一子级完成了反向风洞测力试验，通常运载火箭往往更关注正向风洞试验，为了获得更高的飞行速度火箭头部也会选用流线型更好的冯·卡门曲线整流罩，然而一子级垂直回收复用是既要考虑正着飞，更要重视倒着飞的反向气动数据。

双曲线二号一子级反向风洞测试
火箭底部通常是一块圆形底板，并有发动机喷管、管线等附着物，导致底部流场复杂度增大，而这种非流线型先天劣势恰恰也是气动减速的优势所在。
【航天|今年首飞国产复用火箭？星际荣耀公司一年完成SpaceX三年工作】
风洞试验纹影
一子级再入大气时速度可达8马赫，经过动力减速后速度下降至接近6马赫，此时在一子级底部会形成一股强大的弓形激波，这种激波在火箭正常发射的上升段也会出现，但后者的强度仅有前者的五分之一，这股强大的弓形激波就是气动减速的主减速面，此时位于一子级上部的4片栅格舵将基于制导指令进行俯仰偏转，以保持下落角度与姿态。

一子级下落底部产生弓形激波
当一子级接近海拔4000米高度时发动机将再次点火进入着陆段，此次点火将一直延续至接触地面，在此期间位于一子级底部周围的4条着陆支撑腿展开，为着陆时的箭体起缓冲与支撑作用。
近日，双曲线二号着陆装置缓冲器顺利完成了性能试验、振动试验和高低温试验，产品满足性能要求和力热环境条件，且已经具备交付条件。

展开着陆支撑腿
双曲线一号再入航程有将近800公里，如何将其精准投送至预定着陆点？我国嫦娥探月工程通过嫦娥三号、四号、五号先后三次成功垂直软着陆于月球表面，它的相关制导技术能移植过来吗？由于月球是近真空环境，气动干扰因素接近零，地球大气层不同高度层存在复杂多变的气动干扰，弹道修正量更大，因此无法直接移植落月制导算法。

嫦娥四号落月
为此星际荣耀公司组织专业团队设计出了一种在线规划制导技术，它可以确保一子级从任意再入点进入都具备自适应轨迹调整与在线轨迹实时优化能力，从而以最优精度返场降落。近日在线规划制导技术成功进行了软硬件匹配验证，达到了预期“实战可用”目标，为即将到来的百公里级抛物线回收试飞做好了准备。

不同再入点火箭轨迹
自适应预测制导其实也是货架技术，在去年国营航天实施的新一代载人飞船试验船任务中就有成功应用，该型飞船倒锥体返回舱基于此项技术创造了10.8环的高精度落点成绩。

新一代载人飞船返回舱
双曲线二号还有很多聚焦重复使用的设计细节，例如，前不久刚刚完成产品验收的九机并联高效传力结构全部使用铝结构螺栓连接，而传统火箭在这里则多为钢结构焊接连接，后者对于减重具有先天的不友好属性，同时装配效率低下，且复用维修翻新难度大。分页标题#e#
改为铝结构螺栓连接之后，上述劣势全部转化为对应优势。

双曲线二号九机并联高效传力结构
基于液氧与甲烷燃料温度区间接近的特性，双曲线二号燃料贮箱直接采用共底设计，而共底燃料储箱相较于传统贮箱重量更轻，有利于提高火箭干质比。

双曲线二号共底燃料贮箱
军民融合战略的东风
为什么发展至今仅四年多的星际荣耀可以有如此之快的发展速度？军民融合战略解放生产力功不可没。
民营航天如果离开培育它成长的肥沃土壤就不可能生根发芽，正如大洋彼岸如果没有阿波罗载人登月、航天飞机、国际空间站为代表的半个多世纪的航天实力积累，那么SpaceX公司也必然是镜花水月。

不积跬步无以至千里，图为阿波罗11登月飞船发射
星际荣耀的快速成长也是一个鲜活案例，该公司焦点一号发动机自去年以来就进入到积累万秒长程试车新阶段，因此必须要有专用试车台保障，但建造专用试车台耗资巨大，需要更多的资本加持，对于初创民营航天企业而言难以轻装上阵，也与型号快速迭代需求格格不入。
在军民融合战略下基于重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的有关政策，星际荣耀与航天科技六院达成合作协议，使用该院一座闲置试车台进行适应性改造，使之成为用于液氧甲烷发动机试车的专用试车台。
该试车台不仅能够满足15吨级焦点一号试车需求，也能满足百吨级推力的焦点二号液氧甲烷发动机试车需求，后者将用于2023年首飞运力更强的双曲线三号垂直回收复用火箭。

焦点一号液氧甲烷发动机试车台
除了发动机试车台，星际荣耀公司初创团队本身也有很多来自航天、航空等军工系统的人员，原本这些单位也都在进行基于精兵简政的扁平化管理改革，因此必然产生人才外溢效应，这些人员组成的项目团队基于更广阔的商业航天市场能够有更大作为，可以说商业航天的快速发展进一步解放了航天生产力。
体系内人才为民营航天带来知识的同时也带来了宝贵经验，比如液氧甲烷发动机事实上航天科技六院在更早的时间段里就研制了60吨级推力产品，现如今国营航天也正在加速推进基于液氧甲烷动力的带翼航天器研制项目。

航天科技六院60吨级液氧甲烷发动机
再比如，另一家民营航天企业蓝箭航天的80吨级液氧甲烷发动机使用的针栓式喷注器更是在嫦娥系列登月器的7500N变推力发动机产品中已有成熟应用。
文章开头笔者提到我国航天正由技术牵引发展向市场需求牵引发展转型，实际上两大牵引动力是相互交织互为依托的关系。刚刚过去的2020年为我们提供了很多生动案例，嫦娥五号、空间站、天问一号等空间探测任务催生了长征五号系列新一代无毒无污染运载火箭，空间进入实力大幅跃升，这就是技术牵引发展的范例。

长征五号遥五运载火箭
技术牵引发展的成果比如YF-100液氧煤油发动机、60吨级液氧甲烷发动机、YF-77氢氧发动机、5米级直径共底燃料贮箱、大直径箭体、大型整流罩设计与制造、新一代载人飞船自适应预测制导等等，这些由国家队攻克的先进货架技术为商业航天基于市场需求牵引发展提供了充足的技术保障、人才保障、装备保障，是真正的基石所在。
因此我们更应该鼓励国营航天发展高精尖的硬核技术，比如CBC构型的921新一代载人重型火箭、长征九号重型火箭、载人月球探测、可重复使用带翼航天器、组合动力航天器等，这些战略项目孵化的系列尖端技术产生的综合效益将远超型号任务本身。