就像船用于海上運(yùn)輸，汽車用于地面運(yùn)輸，飛機(jī)用于空中運(yùn)輸一樣，火箭也屬于一種運(yùn)輸工具，其通行區(qū)域在太空，也就是我們通常說的航天。
和海洋運(yùn)輸業(yè)、陸路運(yùn)輸、航空貨運(yùn)不同的是，航天的產(chǎn)業(yè)化才剛剛起步。
在商業(yè)航天興起之前，航天以科研主導(dǎo)的國家任務(wù)、不計成本地追求技術(shù)先進(jìn)性為主，發(fā)射的航天器多服務(wù)于科研、軍事需要。發(fā)射頻次不高，根據(jù)衛(wèi)星等航天器的發(fā)射需要，從“打包裝車”（將衛(wèi)星裝進(jìn)火箭整流罩）、“運(yùn)輸路線安排”（發(fā)射軌道選擇）、“監(jiān)控配送”（衛(wèi)星在軌測控與交付）基本都可以定制完成。
隨著以低軌衛(wèi)星星座（主要是遙感、通信）為代表的商業(yè)航天興起，快速增長的批量化發(fā)射需求牽引之下，對火箭的運(yùn)載能力、發(fā)射頻次、發(fā)射成本就提出了更高要求，推動航天發(fā)射服務(wù)向類似“航班化”服務(wù)的方向發(fā)展。大運(yùn)力、高頻次、低成本就成為航天發(fā)射領(lǐng)域的主要發(fā)展目標(biāo)。因此，相關(guān)供應(yīng)鏈體系就從過去為滿足特定發(fā)射需求而進(jìn)行的定制化生產(chǎn)，向著更加通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化的方向演進(jìn)。
這就好比面對日益增長的通勤需求時，我們需要批量投產(chǎn)公交大巴和開發(fā)公交路線，而不是去研制動能更強(qiáng)勁的超跑。當(dāng)然，這僅僅指的是商業(yè)航天，在軍事和科研領(lǐng)域，對尖端技術(shù)的追求是永恒不變的主題。
具體來說，為了最大可能以較低成本實現(xiàn)向太空批量“運(yùn)輸”衛(wèi)星星座的需求，一方面需要在現(xiàn)有條件下提升整體效率，另一方面需要增加大運(yùn)力火箭的研發(fā)投產(chǎn)，以及可復(fù)用火箭技術(shù)的創(chuàng)新迭代。
一、效率上，主要通過優(yōu)化發(fā)射流程、縮短火箭研制周期、星箭適配標(biāo)準(zhǔn)化這幾個方面來改進(jìn)。
發(fā)射模式和流程優(yōu)化
“拼車”式共享發(fā)射（一箭多星）相比多次單獨(dú)發(fā)射而言，毫無疑問可以顯著地降低成本，對于火箭運(yùn)載能力余量及發(fā)射場地設(shè)備、發(fā)射窗口的利用率更高，能夠有效加快衛(wèi)星部署的速度。但是不是一箭多星數(shù)量越多越好呢？這個要根據(jù)發(fā)射任務(wù)來定，實施上的技術(shù)難度主要看發(fā)射衛(wèi)星總重量和多星布設(shè)軌道要求，另外也受到衛(wèi)星接口標(biāo)準(zhǔn)是否統(tǒng)一的影響。
航天發(fā)射前，需要對發(fā)射場地進(jìn)行準(zhǔn)備，組裝和檢查衛(wèi)星、火箭，還有加注火箭推進(jìn)劑等。衛(wèi)星出廠測試、運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射場、裝進(jìn)火箭整流罩、火箭運(yùn)輸安裝到發(fā)射臺等一系列動作都會消耗時間，各環(huán)節(jié)之間間隔越大整個準(zhǔn)備周期越長。所以目前國內(nèi)外航天發(fā)射場逐步在向集傳統(tǒng)發(fā)射測試保障與火箭、衛(wèi)星研發(fā)生產(chǎn)于一體的“發(fā)射綜合體”轉(zhuǎn)型，旨在減少各部件轉(zhuǎn)運(yùn)時間，增強(qiáng)各環(huán)節(jié)之間的綜合協(xié)調(diào)，以極大縮短發(fā)射準(zhǔn)備周期。目前海南文昌、山東海陽、甘肅酒泉等都在以發(fā)射場為中心吸引關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)積聚發(fā)展。
在發(fā)射操作上，火箭測發(fā)效率主要受發(fā)射臺及附屬設(shè)施技術(shù)準(zhǔn)備和運(yùn)行操作周期影響。這方面的優(yōu)化主要是根據(jù)不斷迭代的新型火箭特點(diǎn)，基于“三平”（火箭水平運(yùn)轉(zhuǎn)、水平總裝、水平測試）和“三垂”（火箭垂直運(yùn)轉(zhuǎn)、垂直總裝、垂直測試）模式做適應(yīng)性改進(jìn)。
發(fā)射流程優(yōu)化的直接效果，我們從長征七號運(yùn)載火箭在海南文昌航天發(fā)射場的發(fā)射體驗即可看出，測發(fā)天數(shù)從早期的38天降低到25天，整個測發(fā)周期縮短了34%。
另外，由于發(fā)射任務(wù)密度快速增加，原有發(fā)射流程機(jī)制下的人工資源趨于緊張，發(fā)射質(zhì)量控制壓力較大。因此，我國航天發(fā)射領(lǐng)域正不斷實施流程的精細(xì)化管理，同時數(shù)字化、智能化系統(tǒng)應(yīng)用逐步覆蓋到航天發(fā)射的完整生命周期。包括發(fā)射場智慧化、發(fā)射設(shè)施設(shè)備自動化管控、無人化遠(yuǎn)距離測發(fā)技術(shù)、射后快速恢復(fù)等等。
其中太原衛(wèi)星發(fā)射中心新建成并于2022年投入使用的9A工位，是我國首個智慧發(fā)射場，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)對地面各設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集和整合分析，實現(xiàn)全系統(tǒng)態(tài)勢感知和全過程智能管控，從火箭加注到發(fā)射過程遠(yuǎn)程操控和無人值守，大大提升了發(fā)射效率和發(fā)射指揮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性，單發(fā)任務(wù)流程從30天縮短到14天。
火箭研制周期
為滿足商業(yè)航天需求，火箭研發(fā)在構(gòu)型設(shè)計、生產(chǎn)裝配上也在快速發(fā)生變化。
適應(yīng)衛(wèi)星小型化和高密度、高頻次低軌星座發(fā)射為主的市場趨勢，不是單純的火箭運(yùn)力越大越好，而是有限成本范圍內(nèi)能夠適配多種發(fā)射需求、能夠承載更大質(zhì)量載荷，從而有機(jī)會接到更多發(fā)射任務(wù)的火箭，才有大規(guī)模組批生產(chǎn)的機(jī)會，進(jìn)一步降低成本。當(dāng)然，最好還能回收重復(fù)利用，真正像航班一樣飛個來回。
因此，在火箭研制上，一是結(jié)合數(shù)字化、智能化技術(shù)，縮短研發(fā)生產(chǎn)測試周期；二是提高火箭結(jié)構(gòu)效率，為箭體減重的同時增加運(yùn)載能力；三是通過模塊化、組合化設(shè)計，實現(xiàn)多任務(wù)適配，為標(biāo)準(zhǔn)化批量組產(chǎn)形成基礎(chǔ)；四是傳統(tǒng)火箭可復(fù)用能力挖掘和基于組合動力的新型火箭技術(shù)研發(fā)并重。
根據(jù)網(wǎng)上的消息，SpaceX火箭三個月可以完成一支火箭的生產(chǎn)，這個數(shù)據(jù)不知是否屬實。國內(nèi)對標(biāo)的商業(yè)航天火箭生產(chǎn)周期也暫無相應(yīng)數(shù)據(jù)，無法詳細(xì)對照。按理說，作為工業(yè)大國，“中國速度”和低成本、高可靠的中國制造在全球有獨(dú)特優(yōu)勢，無論造船業(yè)、汽車業(yè)（包括新能源汽車領(lǐng)域）還是航空工業(yè)我們都已經(jīng)在國際市場上確立了領(lǐng)先地位，更何況曾經(jīng)用算盤都能造出原子彈，沒道理在邁向世界經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國進(jìn)程中，在商業(yè)航天領(lǐng)域趕不上對手。
還是那句話，如果起步不算晚、條件并不差的情況下停步不前給對手一個長達(dá)5年的窗口期，造成當(dāng)下的戰(zhàn)略被動，那一定是哪里出了問題（國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展情況小結(jié)；中國版星鏈來了，能趕上SpaceX嗎？（十）｜挑戰(zhàn)究竟來自哪里？）。
星箭協(xié)調(diào)與衛(wèi)星接口的標(biāo)準(zhǔn)化
星箭協(xié)調(diào)是火箭發(fā)射至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，是指在火箭發(fā)射前，對火箭和衛(wèi)星之間的接口、分離機(jī)制、電氣連接等進(jìn)行精確匹配和調(diào)整的過程。星箭協(xié)調(diào)對于確保發(fā)射過程的穩(wěn)定性、以及衛(wèi)星在預(yù)定軌道上的成功部署都至關(guān)重要，關(guān)系到發(fā)射任務(wù)的成功與否，還直接影響到衛(wèi)星的使用壽命和性能。
星箭接口包括機(jī)械接口、電氣接口、電磁環(huán)境接口、力學(xué)環(huán)境接口、熱環(huán)境接口等。顯然多任務(wù)適配的“標(biāo)準(zhǔn)火箭”，會面臨衛(wèi)星接口是否統(tǒng)一的問題。據(jù)網(wǎng)上查詢消息，我國衛(wèi)星和火箭制造商通常遵循如下標(biāo)準(zhǔn)：
中國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）或國家軍用標(biāo)準(zhǔn)（GJB）中關(guān)于衛(wèi)星、運(yùn)載火箭和地面系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
中國航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（QJ）。
ISO 12222中關(guān)于空間系統(tǒng)接口設(shè)計的國際標(biāo)準(zhǔn)。
另外查到的幾個相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：
中國航天科技集團(tuán)公司主編的我國首項國際航天標(biāo)準(zhǔn)——ISO15862《SC/LV Flight Environments Telemetry Data Processing》，于2009年正式頒布，2013年獲得中國標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎。
2019年公示的全國宇航技術(shù)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會歸口上報并執(zhí)行的《星箭接口要求文件》，由航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所起草。
中國宇航協(xié)會2020年推出的《固體運(yùn)載火箭與航天器接口要求》，主要起草單位是北京宇航系統(tǒng)工程研究所。
尚未有明確消息顯示哪些接口標(biāo)準(zhǔn)是必須強(qiáng)制執(zhí)行的，目前從市場看這塊是沒有形成統(tǒng)一的。這種標(biāo)準(zhǔn)的分散化現(xiàn)狀無疑也對航天效率產(chǎn)生影響。當(dāng)然，另一個方向是火箭設(shè)計將星箭接口“百搭化”，但商業(yè)航天起步階段，發(fā)展日新月異，全產(chǎn)業(yè)鏈整體協(xié)調(diào)、統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)總歸是更有利也更高效的解決方式。
二、大運(yùn)力火箭的研發(fā)投產(chǎn)，以及可復(fù)用技術(shù)的創(chuàng)新迭代
要提升火箭運(yùn)載能力，除了優(yōu)化結(jié)構(gòu)減輕自重以外，還有就是優(yōu)化級間比以增加推進(jìn)劑量、提高發(fā)動機(jī)性能、使用新材料減輕箭體重量等。可復(fù)用技術(shù)能夠顯著降低成本，提高發(fā)射頻率，相當(dāng)于間接提升火箭運(yùn)載能力。
火箭一般是兩級或三級結(jié)構(gòu)，第一級是最大的部分，一般占據(jù)火箭箭體重量的70%左右，其作用主要是推進(jìn)劑燃燒后整級拋棄，將二、三級和載荷進(jìn)行加速。級間比指的是第i級火箭質(zhì)量與第i+1級火箭質(zhì)量的比值，這個比值是影響火箭理想速度的重要參數(shù)。優(yōu)化級間比可以在保持火箭構(gòu)型不變的情況下，增加推進(jìn)劑的加注量，從而提高火箭的運(yùn)載能力。
提高發(fā)動機(jī)的推力和比沖是提升火箭運(yùn)載能力的重要環(huán)節(jié)。例如，長征五號運(yùn)載火箭上使用了首次研制的膨脹循環(huán)動力方式氫氧發(fā)動機(jī)，這是目前國際上比沖性能最高的火箭發(fā)動機(jī)。俄羅斯新型中型火箭聯(lián)盟5火箭一級發(fā)動機(jī)RD-171MV推力超過800噸，是世界上推力最大的液體火箭發(fā)動機(jī)，據(jù)稱還可以重復(fù)使用10～15次。而世界上推力最大的整體式固體火箭發(fā)動機(jī)是由航天科技集團(tuán)四院自主研制的，推力500噸，2021年試車成功，2023年開始面向商業(yè)航天發(fā)布相關(guān)產(chǎn)品。我國推力最大的液體火箭發(fā)動機(jī)是航天六院自主研制的500噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)。美國推力最大的液體火箭發(fā)動機(jī)是土星五號F-1（推力680噸），SpaceX猛禽發(fā)動機(jī)升級后推力為280噸，其主要優(yōu)勢是良好的可復(fù)用性，按馬斯克的說法，“一臺猛禽發(fā)動機(jī)可以飛行1000次左右”。
在新材料應(yīng)用上，2021年，航天一院先后成功研制出我國首個3.35米直徑鋁鋰合金貯箱工程樣機(jī)、復(fù)合材料貯箱原理樣機(jī)。其中3.35米直徑鋁鋰合金火箭貯箱與當(dāng)前國際主流鋁銅合金貯箱相比，強(qiáng)度提升30%左右，同等條件下結(jié)構(gòu)減重15%以上。
比較有意思的是，一直以來貯箱材料都是5A06（鋁鎂系）→2A14（鋁銅系）→2219（鋁銅系）→2195（鋁鋰系）→復(fù)合材料，但馬斯克又一次不走尋常路，2019年曾經(jīng)透露星艦和超重火箭改為不銹鋼作為貯箱材料。不銹鋼的性能顯然無法與鋁鋰合金相比，價格上，相比135美元一公斤的復(fù)合碳纖維，3美元一公斤的不銹鋼成本簡直就是白菜價。并且不銹鋼易于加工，按照業(yè)內(nèi)相關(guān)人員的分析，馬斯克的策略重在低成本快速迭代《洞穴之外|不銹鋼和鋁合金，你選哪個？》。
這再次驗證了我們之前的分析，馬斯克的手法其實就是以大量低成本低性能的星鏈衛(wèi)星搞衛(wèi)星版“人海戰(zhàn)術(shù)”，走別人的路讓別人無路可走，快速用星鏈將軌道資源占滿以后，不論你技術(shù)多先進(jìn)都沒機(jī)會了。