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一文读懂中国商业航天的发展趋势和瓶颈

2019-01-07 09:54
智能相对论
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1、民营基础设施能力开始建立

火箭的制造过程涉及发动机的密集试验、热试车等过程,如果进行标准化量产和火箭总装还需要庞大的设施空间。就两类火箭而言,固体发动机的制造由于燃料风险高,一向都由国家把控生产,发展相对成熟稳定;液体发动机的研发为了不影响研发进度,则具备自建试车台的必要性。

我国液体火箭发动机试验技术取得了很大进展,基本能满足现有国家型号研制要求,但与美、德、俄罗斯等航天技术发达国家相比,在基础设施上还有很多的不足,国家队的设施仍要以超负荷的状态满足国家任务试验需求。

如今,在政策的支持和市场的要求下,完善包括试车台在内的基础设施建设成为国内外民营航天企业发展共识。国内蓝箭航天在湖州的智能制造基地一期工程已经通过竣工验收并交付使用。这是国内首个民营火箭和发动机生产制造基地,也是目前亚洲最大的民营火箭制造工厂;零壹空间在重庆两江的工厂也在筹备过程中。近日,据36氪报道,同属于“第一梯队”的民营火箭公司星际荣耀宣布将新融资用于运载火箭研制、液氧甲烷发动机研制、总装总测基地建设和人才队伍培养等方面。目前看来,第一梯队的民营航天企业均在基础设施建设方面有所投入。

2、“液体火箭”打开新思路

上文提到,相对于传统固体燃料火箭来说,液体火箭有着显著优势。而在各种推进剂组合中,液氧甲烷成为公认的最佳选择。

在液氧甲烷之前,四氧化二氮/偏二甲肼、液氧煤油和液氢液氧这三类液体火箭推进剂的发动机也曾被工程师们广泛研究。综合比较来看,四氧化二氮/偏二甲肼虽可在常温下存储,但比冲低、价格高且具有挥发性和毒性;液氧/液氢理论比冲最高,但是液氢价格极高,且密度极低,导致发动机需要过大的贮箱储存液氢,增加结构质量降低质量数,同时液氢储存温度过低(-253°C)增加发动机设计难度;液氧/煤油由于结焦及积碳严重,限制了发动机燃气发生器的最高温度,进而限制了效率。

液氧/甲烷比冲高于液氧/煤油,不易积碳;工业级的液化天然气均可直接使用,可以直接使用,来源广泛,价格低廉;液氧/甲烷储存温度与空间环境温度相近,适合空间环境长时间保存;储存液氧和甲烷的贮箱体积相近,符合通用化设计标准,可进一步降低成本。

以我国民营企业自研的朱雀二号运载火箭搭载的发动机为例,所用的液氧甲烷推进剂甲烷每千克价格约为5元,低于煤油价格约为每千克15元,液氢每千克约为300元。 目前,国外SpaceX、蓝色起源均在研制液氧甲烷发动机,国内也有数家民营火箭企业都将液氧甲烷作为主要发展方向。

3、可回收火箭开辟疆界

现阶段,民营火箭公司比拼的主要是研发和生产能力;未来,如何持续的降低成本提高可靠性,比拼的将是在可回收重复使用等方面的研发能力。重复使用是降低火箭发射成本的重要途径之一,也是目前各国火箭研制的重点领域之一,而动力系统则是决定回收成功与重复使用的关键因素。

从技术层面分析,可回收火箭需要发动机在飞行过程中依次完成多次点火,不断抵销掉飞行速度,再回到地面。在现有技术条件下,液体发动机推进剂成本低廉,比冲高,推力可控性强,能够反复点火,因此液体发动机是可回收火箭研究的方向。

采用了液体发动机的Space X猎鹰9号已经实现了一级火箭的回收,开启了可回收火箭的时代。在国内,关于可重复使用技术,目前仅有个别民企火箭公司在液体火箭设计过程中埋入相关接口,在未来可以增加组件或进行修正来进行复用试验。

结论:

总的来说,商业航天的黄金时代即将到来。民营火箭都应该脚踏实地,冷静地看待外界和资本的关注,针对可能存在的问题和隐患,积极地寻求解决之道。面对行业发展的趋势,也应该寻找到自己新的定位,为自己创造更多的生存空间。

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