运载火箭行业专题报告：航天发射次数再创新高，技术革新促进降本增效（附下载）
（精选报告来源：报告研究所）
1、运载火箭：航天运输主要载具
1.1、运载火箭概况
运载火箭是自身携带全部推进剂，靠火箭发动机喷射工质(工作介质)产生的反作 用力向前推进的飞行器，能够把人造地球卫星、载人飞船、货运飞船、空间站 或空间探测器等有效载荷送入预定轨道，可在大气层内和大气层外飞行。火箭可按照不同方式分类：（1）按能源分为化学火箭、核火箭、电火箭以及光 子火箭等，其中化学火箭是目前最常见的火箭类型，化学火箭又分为液体推进剂 火箭、固体推进剂火箭和固液混合推进剂火箭；（2）按运载能力分为小型运载 火箭、中型运载火箭、大型运载火箭、重型运载火箭；（3）按级数分为单级火 箭和多级火箭，多级火箭一般由 2-4 级组成，其中多级火箭按结构形式分为串联 火箭、并联火箭和混合式火箭。
1.2、运载火箭构成
据《运载火箭及总体设计要求概论》（李福昌，余梦伦，朱维增），运载火箭 一般由箭体结构、推进系统、控制系统三大部分构成。箭体结构是安装连接有效 载荷、仪器设备、推进系统和储存推进剂，承受地面操作和飞行中的各种载荷， 维持良好的外形以保证火箭的完整的装置。推进系统是产生推力，为推动火箭提 供能源的装置。控制系统是控制火箭姿态稳定，使其按预定轨道飞行，及控制火 箭发动机关机，达到预定的速度，将有效载荷送入预定的轨道的装置。
（1）箭体结构
箭体结构是运载火箭的基础，用以维持火箭外形，将运载火箭各系统、组件连 接在一起从而形成完整的箭体。据《运载火箭及总体设计要求概论》（李福昌， 余梦伦，朱维增），箭体结构一般包括：有效载荷整流罩、推进剂贮箱、仪器 舱、箱间段、级间段、发动机支承结构、仪器支架、导管、活门和尾段、尾翼 等。有效载荷整流罩的作用是在大气层内飞行时保护有效载荷免受气动载荷及热 流的影响，并使火箭维持良好的气动外形。飞出大气层后，整流罩即被抛弃，以 减轻重量。推进剂贮箱占箭体结构的绝大部分，作用是储存推进剂，同时还是火 箭的承力结构。级间段是多级火箭的级间连接部件，作用是级间热分离时，使上 级发动机的喷流能顺畅排出。
（2）推进系统
推进系统是推动运载火箭飞行并获得一定速度的装置。据《运载火箭及总体设计 要求概论》（李福昌，余梦伦，朱维增），液体火箭的推进系统包括火箭发动机 及推进剂输送系统两部分。液体火箭发动机目前一般采用泵式推进剂供应，按要 求的流量和压力将推进剂泵入推力室，燃烧而产生推力。液体火箭的推进剂输送 系统是按要求将推进剂从推进剂贮箱内输送到发动机泵入口的装置。推进剂贮箱 内必须增压以保证泵不产生气蚀。大型运载火箭在输送系统中还设置了推进剂利 用系统，作用是保证火箭在飞行时、在受各种内外干扰条件下，推进剂按预定混 合比消耗，使剩余量最小，从而增大运载能力。据国家航天局，固体火箭的推进 系统较为简单，主要部分是固体火箭发动机，推进剂直接装在发动机的燃烧室 壳体内。
（3）控制系统
控制系统是用来控制运载火箭沿预定轨道正常可靠飞行的装置。据《运载火箭 及总体设计要求概论》，控制系统由制导、姿态控制和控制系统三部分组成。1） 制导系统由测量、控制装置和计算机等组成，作用是测量和计算火箭的位置、速 度、加速度和轨道参数等，并与预先装定的参数比较，形成制导指令，通过导引 信号控制火箭方向，使其沿一定的轨道飞行，并发出发动机关机指令，使有效载 荷进入预定轨道。2）姿态控制系统由敏感装置、计算机和执行机构组成。其中， 敏感装置测量箭体姿态的变化并输出信号；计算机对各姿态信号和导引指令按一 定控制规律进行运算、校正和放大并输出控制信号；执行机构根据控制信号产生 控制力矩，控制火箭的姿态。3）控制系统包括电源配电、时序和测试线路等， 能够将制导、姿态控制组成一个完整系统。
2、火箭发动机技术路径
据《商业运载火箭主发动机技术发展现状分析与展望》（朱仰招，潘宗方，崔迪 唐尧天，张军），主发动机是运载火箭的核心部件，技术复杂，成本高昂，占 火箭整体成本的 30%～50%，根据运载火箭的飞行要求，主发动机应具备大推 力、高可靠、高比冲、低成本、使用维护简单等理想特征。按使用的推进剂物态 分类，常见的火箭发动机有两种形式——固体火箭发动机和液体火箭发动机。两种发动机在使用维护、成本、性能等方面各有千秋，因此火箭采用固体发动机 还是液体发动机一直是航天界争议性较高的话题。
2.1、固液火箭结构与工质区别造成性能差异
2.1.1、固液火箭发动机结构及原理差别
据《火箭发动机理论基础》（宁超，田干），固体火箭发动机主要由燃烧室壳 体、固体推进剂装药、喷管和点火装置等主要部分组成。在固体火箭发动机中， 燃烧用的推进剂经压伸或浇注制成所需形状的装药，直接装于燃烧室或发动机壳 体内。由于不需要具有推进剂的输送系统或活门，因此固体推进剂火箭发动机结 构通常比较简单。工作时，由点火装置点燃点火药，进一步将装药迅速加热点燃， 使推进剂的化学能转变成燃烧产物的热能，继而膨胀加速后高速排出产生推力。
据《火箭发动机理论基础》（宁超，田干），液体火箭发动机由推力室（由喷 注器、燃烧室和喷管组成）、推进剂供应系统、推进剂贮箱和各种调节器等部 分组成。大多数液体火箭发动机使用的是双组元推进剂，即氧化剂组元和燃烧剂 组元，它们分别贮存在各自的贮箱中。这种发动机工作时，供应系统将两组元分 别经各自的输送管道输送到发动机头部，由喷注器喷入燃烧室中燃烧，生成高压 和高温的燃烧气体，燃气经喷管膨胀加速后，高速排出产生推动导弹或飞行器的 推力。系统的可靠性等于系统内部各串联零部件可靠性的乘积。若单个零部件的可靠性 相仿，系统内零部件数量越少，则整个系统的可靠性越高。据《火箭发动机理论 基础》（宁超，田干），液体火箭发动机结构相比更加复杂，系统可靠性相对 偏低。
2.1.2、火箭核心指标运载能力上，液体火箭具备明显优势
运载能力指火箭能送入预定轨道的有效载荷重量，代表了火箭进入太空的能力。据《火箭发动机理论基础》（杨月诚），固体推进剂能量密度较低，其比冲 （单位推进剂的量所产生的冲量，用来表示推进系统的燃烧效率）范围约为 200- 300s，而液体推进剂的比冲范围约为 250-460s（s 指 1 千克的物质产生 1 千克力 的推力可以持续的秒数）。据中国航天报《各有千秋的液体和固体火箭发动机》 （谢瑞强），比如美国“发现号”航天飞机的固体助推器推力高达 1250t，但真空 比冲只有 242s，而其使用的 RS-25 主发动机 SSME（Space Shuttle Main Engine） 则是真空比冲高达 452s 的高性能氢氧液体火箭发动机。根据齐奥尔科夫斯基公 式，比冲的提高带来运力指数级的提升，SSME 比冲提高了约 70%，性能优势显而易见。
2.1.3、固体火箭预装药，维护方便，可长期贮存，快速响应
据《火箭发动机理论基础》（杨月诚），液体火箭发射准备工作时间较长，维 护使用相对不便。液态推进剂存在易挥发、腐蚀等风险，因此在临发射之前加注 完成后，必须在一定时间内发射出去。据国家航天局官网，以常温推进剂四氧化 二氮和偏二甲肼为例，它们加注后存储周期是 7 天左右；而低温推进剂液氢、液 氧，它们的存储周期则只有 1 天，同时，发射前要做很多检查、维护、加注和泻 放等勤务处理工作。据《火箭发动机理论基础》（杨月诚），固体火箭发动机 结构简单，固体火药预先加工完成装入机体，且固体推进剂装药在运输和使用 时比液体推进剂安全得多，毒性也小。可在发动机内保存时间可长达数年之久， 随时处于战备待发状态，快速响应发射需求。据文昌航天城官网，长征十一号固 体运载火箭可在 24 小时内完成发射准备。
2.1.4、小型固体火箭成本与技术难度低，但液体火箭仍具性价比和应用场景
据中国航天报《各有千秋的液体和固体火箭发动机》（谢瑞强），支持固体火箭 的一派认为，一些大推力液体火箭发动机的研制难度很高，试验极为漫长，而小 型固体火箭没有复杂的涡轮泵和推进剂输送系统，研制难度就要低得多。据卫星 与网络《下半年，中国的大固体火箭将轮番登场》（张雪松），随着商业航天发 展，对于大运力火箭的需求逐步提高，运载量大的中大型固体火箭却仍然存在诸 多技术难点，比如高能/高比冲推进剂、大尺寸药柱浇筑、高性能壳体等多项技 术仍待解决。据中科院力学研究所《固体火箭与“力箭一号”首飞成功的意义》 （怡心），目前运送总载荷任务的火箭仍以相对技术较为成熟的液体火箭为主。当前，以小型固体火箭为主的国内的商业运载火箭运载能力较低，导致了发射单 颗卫星性价比很低，一颗卫星的研发成本有时候甚至还达不到一次发射服务价格 的十分之一。据中国航天报《各有千秋的液体和固体火箭发动机》（谢瑞强）， 在国外市场，不管是SpaceX公司研制的猎鹰（Falcon）系列运载火箭，还是Blue Origin 公司研制的新谢泼德（New Shepard）火箭和新格伦（New Glenn）火箭， 均采用液体燃料作为动力。
2.2、固液火箭各有特点不分优劣，满足差异化使用场景为先
运载火箭使用愿景是更具效率和更加经济的完成发射任务，两种火箭瞄准商业 航天市场不同使用场景。据国家航天局 2019 年 08 月 27 日报道，固体火箭以其 准备周期越短、保存时间长、简单便宜、安全可靠、易于转场搬迁的优势。因此， 一方面适合商业航天领域初创企业选用，投入成本低，首发成功率高；另也尤 为适用于卫星的快速响应发射场景，如卫星补网发射，军事火箭领域应用等。与之对应，液体火箭具有推力大、运载能力强、可控性高、单位成本低等优点。因此，适合非紧急发射场景下的卫星大规模组网发射任务，实现一箭多星，进 一步在商业航天市场降本增效。长期视角下液体火箭和固体火箭都有广阔的各自 专长的发展空间，固液并存的局面或将一直持续下去。
2.3、液氧甲烷推动剂体系在可重复使用火箭中具有较大潜在价值
大型液体火箭一般采用双组元推进剂，具体可细分为常温推进剂和低温推进剂， 以四氧化二氮/偏二甲肼为代表的常温推进剂体系液体火箭发动机存在无法复用 的问题，并且燃料本身具有毒害。目前以液氧液氢、液氧煤油、液氧甲烷为代表 的低温推进剂体系液体火箭在可重复性方面已得到验证。据《液体火箭主发动机技术现状与发展建议》（李斌），美国 SpaceX 公司研制 的液氧煤油梅林-1D（Merlin-1D）发动机，9 台并联用于猎鹰-9（Falcon-9）火箭 一子级，已实现回收复用；研制的液氧甲烷猛禽（Raptor）发动机，用于星舰第 一级重型助推器（Super Heavy-Starship），可实现两级完全重用目标。Blue Origin 公司研制的富氧补燃液氧甲烷发动机 BE-4，用于新格伦（New Glenn）火 箭和美国联合发射联盟（ULA，United Launch Alliance）下一代火神（Vulcan） 火箭，均实现一子级回收复用。
2.3.1、液氧甲烷相比液氧液氢及液氧煤油具有综合优势
据《航天动力发展的生力军——液氧甲烷火箭发动机》（王维彬，孙纪国），液 态甲烷正在成为继煤油、液氢等传统燃料之后的一种新型航天能源。液氧甲烷相 比液氧液氢成本更低，比较液氧煤油可回收性能更好，综合优势决定液氧甲烷 作为推进剂更具优势。据国家航天局官网发布的《液氧甲烷火箭发展概览》，在 火箭储箱等结构设计上，液氧与甲烷沸点较为接近，不像液氧和液氢那样沸点温 差悬殊。因此，选择清洁燃料时，液氧甲烷火箭便于使用低温推进剂共底储箱， 从而有效降低储箱重量，缩短长度，促使火箭箭体减重，增强运载能力，还可以 弥补在组合密度上的劣势。此外，甲烷的可挥发性强，因此储箱可以采用自生增 压设计，进一步助力高效减重。据《Compatibility of hydrocarbon fuels with booster engine combustion chamber liners》（S. ROSENBERG and M. GAGE），发动机维 护方面，甲烷结焦温度最高，煤油极限结焦温度最低，在含硫量低于 1毫克/升时， 甲烷几乎不会结焦，在燃烧过程中也几乎不产生积碳，而煤油则更易产生积碳。相比煤油，液氧甲烷体系发动机的可重复性更好。
液态甲烷使用安全性与液氢基本相同。甲烷没有毒性，且分子量较小，比空气轻， 任何泄出或渗漏，都可以像氢一样，立即上升并散失在大气中，按照规则使用甲 烷安全性较高。据《航天动力发展的生力军——液氧甲烷火箭发动机》（王维彬， 孙纪国），液态甲烷来源于液化天然气（LNG，Liquefied Natural Gas）和固态天 然气水合物（又称“可燃冰”），在世界范围广泛存在着几乎是纯甲烷的天然气水 合物资源，估算资源量为 2x1013t。液态甲烷的制备成本远低于液氢，是液氢的 1/70，是煤油的 1/3。技术成熟情况下，液氧甲烷火箭相比液氧液氢火箭在成本 上将会进一步降低。液氧甲烷发动机的理论比冲比液氧液氢发动机低约800m/s，比液氧煤油发动机高 约 100m/s；密度比冲是液氧煤油的 0.84 倍，是氢氧发动机的 1.8 倍。综合考虑火 箭性能和结构重量，液氧甲烷发动机与液氧煤油发动机性能相当，但燃料成本 更低，且发动机重复使用的维护性更好。
目前国内外液氧甲烷发动机的研制工作正在积极开展。据 Elon Musk 在 Twitter 的 发文，2023 年 5 月，SpaceX 的猛禽液氧甲烷发动机成功通过一次 45 秒静态点火 测试。据《发射火箭，为何液氧甲烷更具优势》（李成智，晓军），2023 年 7 月， 蓝箭航天研制的朱雀二号遥二运载火箭使用天鹊 80 吨级液氧甲烷发动机，成为 全球首款成功入轨的液氧甲烷火箭。液氧甲烷发动机因其同时具有液氧液氢发动 机大推力、回收性好的优势和液氧煤油发动机成本较低、安全性好、燃料来源 广泛的优点，此外还具有可用共底储箱，结构简化的独特之处，或将为未来商 业航天领域液体火箭动力系统的主要发展方向。
3、商业火箭的降本之路
3.1、商业航天成为运载火箭发展新浪潮
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