近期,長征十號乙一級火箭成功實現“網系回收”,這一重大突破瞬間成為輿論焦點,萬億商業航天市場的美好藍圖仿佛即將在中國徐徐展開。
社交媒體上,關于中國能否挑戰SpaceX可展開支腿回收技術的討論甚囂塵上。
而7月10日開盤時SpaceX股票的短暫下挫,更是讓不少人堅信中國已具備在全球商業航天版圖中分一杯羹的實力。
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然而,網絡上流傳的一張對比圖片卻給這股熱潮潑了冷水。
圖片顯示,獵鷹九號起飛重量549噸,近地軌道載荷17.5噸;中國長征十號乙起飛重量760噸,近地軌道載荷16噸。
從數據上看,長征十號乙的荷載比遠不及SpaceX的火箭,這似乎意味著在商業航天領域,中國火箭難以與馬斯克旗下的火箭一較高下,萬億商業航天市場,中國真的準備好了嗎? 先從載荷方面來看,長征十號乙與獵鷹九號確實存在差距。
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相關數據差異基本屬實,長征十號乙起飛重量比獵鷹九號重211噸,載荷卻少了1.5噸,這一對比讓不少專業人士都陷入沉思。
要知道,“網系回收”技術取消了可展開支腿設計,長征十號乙因此增加了2噸載荷。
若獵鷹九號采用同樣技術,載荷增加兩噸,那數據將十分驚人。
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火箭載荷性能的關鍵影響因素在于發動機。
獵鷹9號自首飛至今已超16年,早期發動機與當下發動機性能差異巨大。
以首飛版與最新版發動機對比:獵鷹9初代發動機型號為Merlin 1C,采用開式循環,海平面推力556kN(56.7噸),比沖266s,室壓6.14MPa,發動機干重640kg,最低節流推力70%,對應的初代獵鷹9 v1.0近地軌道載荷能力為10.35噸,火箭起飛質量333噸;獵鷹9 Block5的發動機型號為Merlin 1D++,同樣是開式循環,海平面推力845kN(86.2噸),比沖290s,室壓10.8MPa,發動機干重470kg,最低節流推力57%,對應的火箭近地軌道載荷17.5噸,不回收最大22.8噸,火箭起飛質量549噸;長征十號乙的火箭發動機為YF - 100K,采用分級燃燒循環,海平面推力1250kN(127.5噸),比沖301.8s,室壓18MPa,發動機干重1.82噸,最低節流推力65%,對應的火箭近地軌道載荷16噸,不回收載荷可達23噸。
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對比兩種火箭的三種發動機,從推力、循環、室壓、比沖、干重等指標來看,YF - 100K在推力、循環、室壓、比沖方面領先,但在干重和推重比上差距明顯。
這背后有著諸多原因:YF - 100K采用富氧高壓補燃結構(分級燃燒循環),室壓比Merlin的開式循環高一級,結構復雜增加了重量;其單臺推力是Merlin的1.5倍左右,更大的燃燒室和尾噴管導致重量上升;泵后雙向搖擺矢量系統帶來額外結構重量,適配5米直徑一子級7機并聯布局,適合大直徑芯級火箭,未來可用于登月與深空探測發射,而Merlin發動機是泵前搖擺,技術難度低但局限性大;YF - 100K立項初衷是為配套載人登月長征十號系列,遵循載人航天國軍標冗余要求,關鍵部件強度安全系數高,Merlin發動機僅適用商業衛星航天標準,大幅減重背后是降低冗余系數。
除了發動機,中國長征十號乙設計思路側重載人及未來登月,芯級采用5米大直徑設計,從發動機到火箭結構、燃料罐以及飛控等設計都要兼顧載人登月飛船、大型深空探測器、大型空間站艙段,結構強度、艙體承壓、振動、沖擊標準遠高于純商業火箭。
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有人會問,獵鷹9火箭不能發射載人飛船嗎?其實獵鷹9火箭多次執行載人發射任務,但載人版并未在“純硬件”上修改設計,只是在發動機等關鍵零部件加強檢測,在制導、導航、發動機控制一級遙測全部升級三余度備份,最大差異在于“星載電子設備”。
由此可見,中國長征十號乙從發動機到箭體都是為載人航天量身打造,嚴格遵循冗余設計,而獵鷹9火箭是純商業化運作,通過海量試錯迭代逐步削減冗余,采用極限輕量化設計。
獵鷹9大量使用商用/工業/車規級現貨電子元件(COTS),不依賴傳統高價抗輻照宇航級芯片,載人任務也采用同樣規格的星載電子設備。
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在電子設備適配級別上,元件級別低,可靠性也會降低,就如同在汽車上使用消費電子元器件的“豪華電車”,雖有人相信其可靠性,但這與航天高標準存在差異。
中國航天對可靠性和冗余度的追求近乎苛刻,雖在經過大量驗證后或許可適當降低要求,但以人為本的設計思路,很難達到SpaceX的標準,更不可能用商業衛星最低航天標準進行載人航天發射。
從長征十號乙的模式也能看出,這枚火箭雖面向商業航天,但因原本用途從載人系分支出來,邏輯較為復雜。
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CZ - 10B是商業無載人可回收構型,主打衛星組網、商業貨運,不具備載人發射資質,單芯兩級光桿構型,一子級與CZ - 10A一子級完全同款通用;CZ - 10A是近地軌道載人發射可回收構型,單芯兩級光桿構型,無助推,一子級是CZ - 10登月火箭中間標準長通用芯模塊;CZ - 10是載人登月型重型火箭,三級半CBC并聯構型,由1標準長芯一級 + 2根縮短版5米芯級助推組成三芯并聯,芯二級、液氫液氧芯三級構成三級半構型。
這三枚火箭芯一級完全通用,商業航天火箭一級從載人火箭版本“通用”而來,未為商業航天“優化降本”設計,導致載荷比不高。
如此設計,與商業化優化迭代16年的獵鷹九相比,根本不在同一級別。
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假設制造成本量化后一致,CZ - 10B成本也難以與獵鷹九抗衡,不過實際成本差距或許沒那么大。
從火箭定位看,中國并未打算沖擊全球市場。
畢竟沖擊也無用,美國有兩套法律管控中國商業航天發射。
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ITAR《國際軍火交易條例》規定,只要衛星或載荷任一部件被列入USML美國軍火清單,就禁止中國火箭發射,USML清單第十五類專門管理航天相關零部件;EAR《出口管理條例》的CCL商業管控清單中,ECCN 9x515專門管控商用衛星抗輻照芯片、航天工業級元器件,美國商務部對中國執行0最低豁免閾值,即不豁免,含美國零部件就禁止發射。
即便中國“網系回收”成功,未來發展出極致低成本的商業衛星發射專用火箭,也不能隨意發射國際上含美國零部件的衛星,這是美國長臂管轄的條款。
所以,“網系回收”導致SpaceX股價大跌并無實際意義,只是市場臨時反應,股價很快會回升,中國也不會擴散“網系回收”技術。
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從長遠看,SpaceX雖目前無對手,但未來充滿變數。
中國實現回收后,在軌交付價格會大幅降低,可能影響部分國家商業衛星發射需求,但整體數量有限。
“網系回收”后,國內市場才是關鍵方向。
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目前快速組網的“千帆星座”是直接受益者,2030年前計劃部署1.5萬顆,截至7月5日已累計238顆,每次發射18顆,7月5日用CZ - 8A發射實現一次20顆。
若用CZ - 10B火箭發射,一次能發射近60顆,按10次復用,整體組網成本可下降60%,即不到之前規劃一半發射成本即可完成組網。
此外,商業對地觀測衛星等有組網需求的公司,在成本下降后發射需求也會大增。
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載人航天方面,CZ - 10A在近地軌道載人航天成本將大幅下降,中國天宮空間站后續可開放高端太空旅游,甚至開展各國專業航天參與的半商業項目。
除了載人航天與國內商業衛星發射領域,相關產業也會受益。
如船舶、海工、索具、控制與通信領域將形成產業,此次“網系回收”的船舶“領航者號”由無動力駁船改裝而來,未來大規模發射將推動造船業發展,還會帶動動力定位、減振與結構監測、網系桁架建設與捕獲系統等相關領域需求。
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商業火箭領域的回收需求也可租用這些船舶,推動租賃市場發展,最終帶動國內萬億級商業航天市場。
中國向來先深耕國內市場,再拓展國際市場。
隨著美國實力衰退,ITAR和EAR遲早會被迫取消,到那時,SpaceX將直面來自中國的競爭,馬斯克的預言或許真會成真。
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