运载火箭深度报告：太空经济之基，商业发射服务放量在即（附下载）
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（精选报告来源：报告研究所）
1 运载火箭：国之重器
1.1 运载火箭是航天能力的核心基础，具有多种分类方式
运载火箭是将人类制造的各种航天器推向太空、送入预定轨道的主要工具， 依靠火箭发动机向前推进。火箭发动机不同于飞机、汽车上的发动机，它自身携 带氧化剂和燃烧剂，不依赖外界工质，可在真空中工作，因此既可以在稠密大气 层内工作，也可以在外太空飞行；而飞机、汽车上的发动机自身只携带燃烧剂， 氧化剂靠吸入空气中的氧气，只能在大气层内运行。运载火箭是开展各项宇航活 动的基础，集中反映了进入空间、利用空间和控制空间的能力，是航天能力建设 的核心基础，也是国家现代科技发展水平和综合国力的重要标志。
目前世界上能独立研制运载火箭的国家仅有 13 个，而能够独立研制航天器 的国家至少有 30 个，因此运载火箭是衡量航天工程总体发展水平的最重要标志 之一。航天工程对于经济社会发展的推动力极强，在《2021 中国的航天》白皮 书发布会上国家航天局主任赵坚指出航天及其应用可以达到 1：10 的投入产出比， 航天技术成果转化不仅推动了智慧交通、新能源新材料等发展，还广泛应用于国 土资源调查、环境保护、农业发展、林草监测、防灾减灾、气象预报、海洋开发、 交通运输、教育医疗、城乡建设等经济社会各个领域。
火箭有多种不同的分类方式。火箭按照发射的航天器用途一般可以分为非载 人火箭和载人火箭。非载人火箭可以发射人造地球卫星、空间站、行星际探测器、 货运飞船等无人航天器，而载人火箭一般用来发射载人飞船，这也对载人运载火 箭的可靠性提出了更高要求，比如土星五号就配备有发射逃逸系统（Launch escape system），可以进一步保障航天员的安全。
根据轨道高度，可以分为亚轨道火箭和轨道火箭，轨道火箭又可以进一步分为近地轨道（LEO）火箭、太阳同步轨道（SSO）火箭、地球同步轨道（GEO） 火箭、月球轨道（LTO）火箭等；根据是否可回收，分为一次性使用火箭、部分 重复使用火箭和完全重复使用火箭，例如猎鹰 9 号的一级可回收，重型猎鹰的一 级和助推器都可回收，而新谢泼德号整体可回收；根据运载能力，可分为小型火 箭、中型火箭、大型火箭、重型火箭或者超重型火箭，在中国标准下，运载能力 小于 2 吨的为小型火箭，2 吨至 20 吨的为中型火箭，20 吨至 100 吨的为大型火 箭，运载能力大于 100 吨的为重型火箭；而在美国标准下，小型火箭、中型火箭 的划分标准与中国一致，20 吨至 50 吨的为重型火箭，大于 50 吨的为超重型火 箭。
按级数来分，运载火箭则可以分为单级火箭、多级火箭。其中多级火箭按级 与级之间的连接形式来分，分为串联型、并联型、串并联混合型三种。串联型火 箭级与级之间的连接分离机构简单，其上面级的火箭发动机在高空点火，但是串 联后，火箭的长细比（长度与直径之比）大，给设计带来一定的困难，同时由于 高度太高，发射操作不便、点火的可靠性差。并联型火箭的连接分离机构较串联 型复杂，其核芯级第一级火箭与助推火箭在地面同时点火，点火的可靠性较高。
一般来说，运载火箭多采用 2-4 级构型。多级火箭每一级点火飞行使得速度 提高后自动脱落，速度逐级提高、火箭自重逐级减轻，从而将有效载荷送入轨道。但与此同时，一般情况下，由于级数增加，需要的连接和分离机构也就越多，将 会增加火箭质量并且降低可靠性。而且火箭分级超过一定的次数后，对提高速度 的作用就越来越不明显，所以运载火箭一般设计为 2-4 级；有时为了进一步增加 推力，芯级火箭还会捆绑助推器。这种设计能够保证在任务成功的同时，尽可能 地简化火箭的结构和减轻重量。
除了常见的 2-4 级构型的运载火箭，火箭助推器通常被算作半级，因此也出 现了许多半级构型火箭。比如，苏联发射的世界上第一颗人造地球卫星的卫星号 运载火箭，就是在中间芯级火箭的周围捆绑了 4 支助推器，被称为“一级半”火 箭；我国的长征五号运载火箭为捆绑四个助推器的两级半构型火箭。
1.2 运载火箭包括有效载荷及三大系统，推进系统及箭体 结构构成主要成本
除了有效载荷外（指为直接实现航天器要完成的特定任务的仪器、设备、人 员、试验生物及试件等），运载火箭主要的组成部分包括结构系统（又称箭体结 构）、动力装置系统（又称推进系统）和控制系统，这三大系统称为运载火箭的主系统。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。
从成本角度来看，推进系统是火箭硬件成本的主要组成部分。其中发动机占 总硬件成本的比例最大，一级占比约 54.3%，二级占比约 28.6%；结构系统仅次 于发动机的成本占比，一级占比约 23.5%，二级占比约 29.5%；其他部分占比较 小。
（1）结构系统是运载火箭的基体（可以理解为外壳），它用来维持火箭的外 形，承受火箭在地面运输、发射操作和在飞行过程中箭上的各种载荷。火箭的结 构(或框架)是由轻质但坚固的材料制成的，从而在尽可能减少燃料消耗的同时， 以承受高层大气的极端温度。
火箭的结构基本上是一个薄壁圆柱壳体，由蒙皮、纵向和横向的加强件构成， 由于液体火箭和固体火箭燃烧方式有所不同，结构上也有所差异：液体火箭一般 由头部、头部整流罩、氧化剂贮箱和燃料（燃烧剂）贮箱、仪器舱、级间段、发 动机架、尾舱等部分组成，需要分离的部位有分离连接装置；固体火箭一般由前 封头、外壳、装药、喷管装置和后封头等部分组成。
从材料的角度来看，火箭的主要材料包括铝合金火箭、碳纤维火箭、不锈钢 火箭。据机械工程材料官方公众号，多数火箭使用铝合金外壳，第一代材料是铝 镁合金，第二代材料是铝铜合金，第三代材料是铝锂合金。例如猎鹰 9 号外壳使 用铝锂合金材料，长征五号外壳使用铝铜合金材料。另一种常见的合金是不锈钢（SpaceX 箭体材料）。它又硬又轻，可以承受极端载荷而不变形，而且比铝合金 便宜得多。马斯克指出，用铝合金制造火箭，每公斤 30 美元，碳纤维甚至高达 每公斤 200 美元，而如果使用不锈钢制造，每公斤仅需 3 美元。现在，它被用来 建造推进剂储罐(壁厚约 0.5-1 毫米)。我国的蓝箭航天公司在 2023 年 12 月正式 发布了下一代可重复使用液氧甲烷运载火箭朱雀三号，这也将是我国首款不锈钢 液体运载火箭。
（2）推进系统是产生推力，推动运载火箭飞行的装置。对液体火箭来说， 动力装置系统由推进剂输送、增压系统和液体火箭发动机两大部分组成。固体火 箭的动力装置系统较为简单，它的主要部分就是固体火箭发动机，推进剂直接装 在发动机的燃烧室壳体内。
（3）控制系统用来控制运载火箭沿预定弹道正常飞行。控制系统由制导系 统、姿态控制系统、电源供配电和时序控制系统三大部分组成。制导系统的用途 是控制运载火箭按预定的弹道运动，把有效载荷送到预定的空间位置。姿态控制 系统（又称姿态稳定系统）的功用是纠正运载火箭飞行过程中的俯仰、偏航、滚 动误差，使之保持正确的飞行姿态。电源供配电和时序控制系统则按预定飞行时 序实施供配电控制。
（4）其他部分：遥测系统的功用是把火箭飞行中各系统的工作参数及环境 参数测量出来，通过火箭上的无线电发射机将这些参数送回地面，由地面接收机 接收；亦可将测量所得的参数记录在火箭搭载的磁记录器上，在地面回收磁记录 器。外弹道测量系统的功用是利用地面的光学、无线电设备与装在运载火箭上的 对应装置一起对飞行中的运载火箭进行跟踪，并测量其飞行参数，用来预报航天 器入轨时的轨道参数，也可用来做为鉴定制导系统精度和进行故障分析的依据。 安全系统的用途是当运载火箭在飞行中出现故障不能继续飞行时，将其在空中炸 毁，避免运载火箭坠落过程中给地面造成灾难性的危害。瞄准系统的作用是在发 射前对运载火箭进行初始方位定向。瞄准系统由地面瞄准设备和运载火箭上的瞄 准设备共同组成.
1.3 固液发动机各有千秋，液体发动机可回收利用
火箭发动机是利用冲量原理，自带推进剂、不依赖外界空气的喷气发动机， 基本原理是燃料在火箭发动机内转化为工作介质的动能，形成高速射流排出而产 生动力。除了推力强外，火箭发动机还需要经得起高温和低温的考验，承受住高 强度的流量冲击，因此火箭发动机的研制过程非常复杂。作为火箭的心脏，发动 机成本高昂，占火箭整体成本的 30%~50%。近年来随着火箭发射需求的提升， 发动机也在不断地更新迭代。以 SpaceX 为例，过去的 15 年里， Merlin-1A 发 动机发展到今天的 Merlin-1D，地面推力从 35 吨跃然提升至 86 吨，猛禽发动机 更是达到惊人的 230 吨，为整个行业掀起发动机革新的浪潮。 化学火箭发动机按照推进剂的物质状态可以分为液体火箭发动机、固体火箭 发动机和混合推进剂火箭发动机。液体火箭发动机使用常温液态的可贮存推进剂 和低温下呈液态的低温推进剂，具有适应性强、能多次启动等特点，能够满足不 同运载火箭和航天器的要求；固体火箭发动机的推进剂采用分子中含有燃料和氧 化剂的有机物胶状固溶体（双基推进剂）或几种推进剂组元的混合物（复合推进 剂），直接装在燃烧室内，结构简单、使用方便，能够长期贮存处于待发射状态， 适用于各种战略和战术导弹；混合推进剂火箭发动机则极少使用。
1.3.1 固体火箭发动机响应速度快，能够快速部署
分别来看，固体火箭发动机由药柱、燃烧室、喷管组件和点火装置等组成， 推进剂有聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较，具有结构简单，推进剂密度大， 推进剂可以储存在燃烧到中常备待用和操纵方便可靠等优点。缺点是“比冲”小 （也叫比推力，是发动机推力与每秒消耗推进剂重量的比值）。此外，由于固体 火箭发动机加速度大，导致推力不易控制，重复起动困难，从而不利于载人飞行。 固体火箭发动机主要用作火箭弹、导弹和探空火箭的发动机，以及航天器发射和 飞机起飞的助推发动机。
1.3.2 液体发动机能够多次启动，符合可回收需求
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