產(chǎn)業(yè)一線｜像搭積木一樣造火箭，如何將發(fā)射成本打下來？
3月30日19時(shí)00分，中科宇航力箭二號(hào)遙一運(yùn)載火箭·國(guó)際紡都號(hào)(下稱力箭二號(hào))在甘肅酒泉東風(fēng)商業(yè)航天創(chuàng)新試驗(yàn)區(qū)首飛成功，將新征程01衛(wèi)星、新征程02衛(wèi)星和天視衛(wèi)星01星送入預(yù)定軌道。
力箭二號(hào)發(fā)射前，中新經(jīng)緯走訪了中科宇航位于甘肅酒泉的專有發(fā)射工位和技術(shù)廠房。彼時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)，中新經(jīng)緯看到，工作人員正在對(duì)火箭進(jìn)行加注合練，為火箭發(fā)射前的最后一次“全身體檢”做準(zhǔn)備。
從力箭一號(hào)135噸固體火箭到力箭二號(hào)625噸液體火箭，中科宇航的力箭系列火箭完成跨越式迭代。這款瞄準(zhǔn)批量化發(fā)射的液體火箭，是如何將原來每型火箭5到10年的研制周期大幅縮短的？是否能將火箭的發(fā)射價(jià)格打下來？
中科宇航研制的力箭二號(hào)火箭 中新經(jīng)緯 魏薇攝
625噸液體火箭要突破哪些難題？
公開資料顯示，中科宇航全稱中科宇航技術(shù)股份有限公司，成立于2018年12月，是由中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所培育孵化的高新技術(shù)企業(yè)。
本次發(fā)射的力箭二號(hào)火箭是一款液體運(yùn)載火箭，起飛重量625噸，起飛推力達(dá)753噸，近地軌道(LEO)運(yùn)載能力達(dá)12噸，500公里太陽(yáng)同步軌道(SSO)運(yùn)載能力達(dá)8噸，全長(zhǎng)53米，芯級(jí)直徑3.35米。運(yùn)載能力在中國(guó)液體火箭中屬于第一梯隊(duì)，首飛即服務(wù)國(guó)家重大航天工程，已具備支撐通信衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)、低成本貨物運(yùn)輸?shù)却笠?guī)模發(fā)射任務(wù)的能力。
“本次首發(fā)的力箭二號(hào)是在力箭一號(hào)的基礎(chǔ)上研制的�！绷�(hào)副總設(shè)計(jì)師廉潔對(duì)中新經(jīng)緯表示，力箭二號(hào)運(yùn)載火箭的航電與飛控系統(tǒng)都是力箭一號(hào)運(yùn)載火箭成熟產(chǎn)品的繼承，飛行控制組合、時(shí)序控制組合等在產(chǎn)品或指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了一致互通，基礎(chǔ)層、鏈路層、應(yīng)用層的三層構(gòu)架軟件實(shí)現(xiàn)了移植復(fù)用，原本一個(gè)月左右的電測(cè)時(shí)間縮短到了一周以內(nèi)，大大降低了測(cè)試周期與測(cè)試成本。
力箭二號(hào)副總設(shè)計(jì)師廉潔 中新經(jīng)緯 魏薇攝
從固體火箭到中大型液體火箭，要突破諸多技術(shù)難關(guān)�！盀閷�(shí)現(xiàn)8到12噸的運(yùn)載能力，團(tuán)隊(duì)迭代了400多個(gè)技術(shù)路徑�！绷疂嵒貞浀�，力箭二號(hào)CBC火箭構(gòu)型、推進(jìn)劑加注量等核心參數(shù)，是設(shè)計(jì)師們經(jīng)過無數(shù)個(gè)夜晚、通過一次一次計(jì)算出來的。
研制過程中的挑戰(zhàn)接踵而至，首先面對(duì)的就是環(huán)境考驗(yàn)。中新經(jīng)緯走訪當(dāng)日，酒泉當(dāng)?shù)厥彝鉁囟仍诹阆?5攝氏度左右，現(xiàn)場(chǎng)工作人員盡管都身著羽絨服，但臉已凍得通紅，仍然在寒風(fēng)中調(diào)試設(shè)備。
全箭模態(tài)試驗(yàn)則是另一場(chǎng)“硬仗”�！盎鸺陲w行當(dāng)中類似一根扁擔(dān)，在空中不停顫動(dòng)，它的顫抖會(huì)帶來很大的控制問題�！绷疂嵔忉尩�。
他表示，團(tuán)隊(duì)通過模態(tài)試驗(yàn)，敲擊火箭不同點(diǎn)位，使火箭在垂直過程當(dāng)中提供相應(yīng)的自由邊界，來驗(yàn)證“扁擔(dān)效應(yīng)”對(duì)火箭控制系統(tǒng)影響程度。“整個(gè)試驗(yàn)周期比較長(zhǎng)，大家在廠房里連續(xù)工作了幾個(gè)月時(shí)間，終于把火箭測(cè)得很穩(wěn)�！�
像搭積木一樣造火箭
發(fā)射成本是擺在商業(yè)航天面前的第一道門檻，更是決定行業(yè)規(guī)模化發(fā)展與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。
廉潔稱，為了更好地控制成本，力箭二號(hào)采用了通用化、組合化、模塊化設(shè)計(jì)，是國(guó)內(nèi)首款“通用助推器核心”(CBC)構(gòu)型的運(yùn)載火箭，芯一級(jí)和助推器均采用3.35米直徑，這也是目前中國(guó)火箭產(chǎn)業(yè)鏈的常用直徑。
通用化、模塊化設(shè)計(jì)帶來哪些好處？廉潔表示，這意味著在發(fā)射場(chǎng)或者總裝廠遇到相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)問題時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)快速替換、復(fù)用�！笆紫人芸s短相應(yīng)的發(fā)射周期，比如馬上要承擔(dān)運(yùn)輸相關(guān)任務(wù)，但產(chǎn)品在測(cè)試時(shí)有問題，就可以通過滾動(dòng)備份實(shí)現(xiàn)互換互用，火箭可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高頻次的發(fā)射�！绷疂嵾�提到，火箭可以像搭積木一樣去組裝，可以加快火箭制造的速度。
“我們計(jì)劃持續(xù)優(yōu)化火箭重復(fù)使用模式，逐步將火箭回收比例提升至60%，這樣就能實(shí)現(xiàn)發(fā)射成本的大幅下降�；鸺齽�(dòng)力占整個(gè)火箭成本的75%，一旦實(shí)現(xiàn)助推器的回收復(fù)用，火箭的發(fā)射價(jià)格有望降至當(dāng)前的三分之一，甚至更低。”廉潔說。
測(cè)發(fā)流程的極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步放大了成本優(yōu)勢(shì)。廉潔提到，力箭二號(hào)采用“三平”測(cè)發(fā)模式，即總裝水平、測(cè)試水平、轉(zhuǎn)運(yùn)水平，這種模式大大降低了火箭對(duì)于發(fā)射場(chǎng)保障配套的要求。
“我們只需要一個(gè)簡(jiǎn)易的發(fā)射架，(這樣)整個(gè)發(fā)射場(chǎng)的建設(shè)周期只需要一年，建設(shè)成本只需要傳統(tǒng)發(fā)射場(chǎng)的10%。未來實(shí)現(xiàn)批量化發(fā)射后，發(fā)射場(chǎng)的坪效成本能快速平攤下降。正是憑借這種簡(jiǎn)易發(fā)射場(chǎng)與輕量化測(cè)發(fā)模式，我們實(shí)現(xiàn)了發(fā)射周期的大幅壓縮、發(fā)射效率的顯著提升，同時(shí)有效降低了整體測(cè)發(fā)成本。”廉潔說。
火箭發(fā)射頻次亟待提升
高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、長(zhǎng)周期，注定了商業(yè)航天的發(fā)展無法一蹴而就，而力箭系列火箭的成長(zhǎng)，背后也離不開“耐心資本”的支持。
“商業(yè)航天的發(fā)展需要一定周期，我們希望資本帶著理性的眼光去看待商業(yè)航天的發(fā)展。”廉潔坦言，未來商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要更多的資金投入，同時(shí)也需要更多的容錯(cuò)空間。
在廉潔看來，耐心資本的核心，首先是對(duì)技術(shù)驗(yàn)證的包容，航天技術(shù)的突破離不開反復(fù)試錯(cuò)。“馬斯克的星鏈用了十幾年、幾十億美元才實(shí)現(xiàn)盈利，中國(guó)的商業(yè)航天還處于較早期的發(fā)展階段，更需要資本給予時(shí)間和容錯(cuò)空間�！�
力箭二號(hào)總指揮楊浩亮認(rèn)為，隨著低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)射需求的爆發(fā)，商業(yè)航天也會(huì)迎來新一輪發(fā)展熱潮。它不僅是大國(guó)在太空上的博弈，也是經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)場(chǎng)的比拼，太空經(jīng)濟(jì)將引領(lǐng)下一個(gè)發(fā)展時(shí)代。
廉潔提到，中國(guó)火箭的發(fā)射頻次也亟待提升。中國(guó)每年的發(fā)射次數(shù)與美國(guó)相比，大約為后者的30%到40%。目前，中國(guó)的火箭還難以高效滿足大規(guī)模、高批量的發(fā)射需求，這就要求火箭的生產(chǎn)量、供應(yīng)量能夠大規(guī)模地提升上去。
“美國(guó)的商業(yè)發(fā)射已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化、常規(guī)化，發(fā)射的任務(wù)規(guī)模和載荷量都更多，中國(guó)在這方面也亟待發(fā)力�！睏詈屏琳f，借鑒汽車自動(dòng)化產(chǎn)線與模塊化開發(fā)邏輯，力箭一號(hào)運(yùn)載火箭可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)30發(fā)的生產(chǎn)能力，力箭二號(hào)運(yùn)載火箭可實(shí)現(xiàn)年20發(fā)的生產(chǎn)能力，不僅將發(fā)射中國(guó)的貨運(yùn)飛船、高軌道通訊衛(wèi)星等，同時(shí)也將承擔(dān)中國(guó)的低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的建設(shè)和深空探測(cè)任務(wù)。
楊浩亮表示，中科宇航的目標(biāo)是將火箭做成一款工業(yè)化的產(chǎn)品。隨著工業(yè)化的應(yīng)用，火箭批量生產(chǎn)滾動(dòng)，規(guī)模效應(yīng)會(huì)帶動(dòng)成本下降，火箭的價(jià)格會(huì)越來越低。
楊浩亮介紹，火箭發(fā)射成本取決于載荷的多少，如果火箭每次發(fā)射的噸位、規(guī)模足夠大，火箭將來是可回收的，就能不斷降低成本。目前力箭二號(hào)運(yùn)載火箭不回收狀態(tài)下單次發(fā)射成本與SpaceX獵鷹九號(hào)運(yùn)載火箭回收狀態(tài)下單次發(fā)射成本基本相當(dāng)，力箭二號(hào)后續(xù)實(shí)現(xiàn)回收后成本還有望下降至SpaceX的一半。
除了傳統(tǒng)的發(fā)射任務(wù)，中科宇航團(tuán)隊(duì)也將布局太空經(jīng)濟(jì)的新賽道。“隨著航天技術(shù)發(fā)展，也會(huì)帶動(dòng)其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展，比如太空制造、太空打印、星際挖礦等�！睏詈屏镣嘎�，2027年、2028年，隨著中科宇航技術(shù)的不斷迭代，也計(jì)劃與高校、其他企業(yè)進(jìn)行太空業(yè)務(wù)的拓展，比如開展太空3D打印、太空育種、失重環(huán)境下的太空制造等業(yè)務(wù)。 (魏薇 羅琨)
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