截止2020年3月，Space X已經(jīng)累計發(fā)射了6批次合計360顆Starlink寬帶物聯(lián)網(wǎng)星座衛(wèi)星，這預示著太空空間資源的爭奪已經(jīng)變得越來越激烈。作為支持航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎環(huán)節(jié)，發(fā)射一直都被認為是制約行業(yè)快速發(fā)展的瓶頸。而火箭發(fā)射中最重要的組成部分正是動力源泉——發(fā)動機。因此本篇作為我們商業(yè)航天系列文章中的一部分，將重點分享一些我們對于火箭發(fā)動機細分行業(yè)的一些思考。基于此，本篇文章我們將重點討論以下幾個核心問題：

• 為什么要關注火箭發(fā)動機？

• 火箭發(fā)動機的分類，未來技術(shù)發(fā)展趨勢是什么？

• 如何看待液氧煤油和液氧甲烷技術(shù)路線選擇？

• 火箭企業(yè)自研發(fā)動機和獨立發(fā)動機公司間的關系？

• 從哪些維度來衡量火箭發(fā)動機公司優(yōu)勢？

為什么要關注火箭發(fā)動機？

除了作為核心的產(chǎn)業(yè)鏈戰(zhàn)略環(huán)節(jié)外，從投資角度來看，發(fā)動機細分賽道還在以下幾個方面具備獨特的價值：1）發(fā)動機成本占目前火箭整體成本最大，動力部分低成本化是整個行業(yè)發(fā)展的基礎根據(jù)美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）的統(tǒng)計，火箭的動力部分占總體成本在40%-60%的比例，是整體成本占比最高的部分。尤其是一級發(fā)動機，占成本比例超過50%。因此有效地降低動力成本是未來商業(yè)航天發(fā)展的重要基礎，也是目前限制行業(yè)進一步發(fā)展的瓶頸。以Space X為代表的航天企業(yè)帶動美國商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，目前已實現(xiàn)高可靠、可回收發(fā)射服務，正是在動力方面實現(xiàn)了顯著的成本降低。

注：United Launch Alliance (ULA,美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟)

2）發(fā)動機技術(shù)壁壘比較高，一旦突破有機會獲取更高超額收益火箭發(fā)動機，尤其是液體大推力發(fā)動機具有很高的技術(shù)壁壘，中國體制內(nèi)一款液體發(fā)動機研發(fā)時間至少需要8-10年時間，Space X一款發(fā)動機研發(fā)也需要至少5年時間，因此完成一款液體發(fā)動機研發(fā)將建立很高的競爭壁壘，一旦技術(shù)實現(xiàn)突破，有機會獲取更高超額收益。3）火箭發(fā)動機技術(shù)具備應用外溢性，在很多其他領域有更豐富應用潛力無論小型固體火箭發(fā)動機還是中大型液體火箭發(fā)動機，發(fā)動機技術(shù)都具有很大的技術(shù)外溢性，通過一定改進可以將技術(shù)外延到民用等其他領域。固體發(fā)動機技術(shù)和軍用裝備中導彈技術(shù)具有很大共通性，經(jīng)過改進可以用于導彈的動力源。而液體發(fā)動機中一些關鍵閥門、特種泵、燃燒裝置等則和民用相關技術(shù)也有非常大的轉(zhuǎn)化效應。尤其目前一些關鍵低溫泵技術(shù)，在運輸、轉(zhuǎn)運低溫LNG、LPG等液化石油氣上具備非常大應用空間。參考行業(yè)數(shù)據(jù)，一般發(fā)動機與衍生民品營收比例為1：2，因此在民用領域，通過對火箭發(fā)動機技術(shù)改進，有機會拓展更大應用市場。 

火箭發(fā)動機的分類，未來技術(shù)發(fā)展趨勢是什么？

如果按照用途來講，火箭發(fā)動機有很多種，本部分我們重點討論大推力火箭發(fā)動機，主要用于火箭發(fā)射一級動力，它也是技術(shù)壁壘最高，亟需實現(xiàn)技術(shù)突破的領域。1）固體燃料發(fā)動機技術(shù)壁壘較低，火箭運載能力較弱，未來中大型火箭仍以液體燃料發(fā)動機為主按照燃料推進劑不同，可以分為固體發(fā)動機和液體發(fā)動機。總體而言，固體燃料發(fā)動機技術(shù)壁壘較低，對應固體火箭相對運載能力較弱，可以長期儲存，快速響應，發(fā)射地點靈活，在軍用領域、自然災害等緊急情況下使用意義重大，特別適用于在軍事沖突滿足軍事現(xiàn)代化對快速響應和小衛(wèi)星發(fā)射的要求。而液體發(fā)動機技術(shù)難度更大，運載能力更強，發(fā)射前期準備時間較長，主要應用于衛(wèi)星組網(wǎng)、空間站建設、深空探索等領域。

目前中國以及國際主流火箭基本上都以液體火箭為主，液體火箭通過發(fā)動機技術(shù)的不斷改進可以持續(xù)提升火箭的運載能力，并且有效降低單位重量發(fā)射成本。

2）液體發(fā)動機初期以擠壓式技術(shù)為主，但技術(shù)路線限制發(fā)動機性能提升擠壓式燃燒通過高壓氣瓶持續(xù)對燃料和氧化劑進行擠壓，在燃燒室匯合后燃燒來獲得推進動力。但是由于需要額外高壓氣瓶存在，因此在體積上占據(jù)很大空間，造成整體火箭空間利用率降低，另外發(fā)動機動力依賴于單位時間內(nèi)可向燃燒室推入的燃料和氧化劑的量，量越大，燃燒越充分，推力越大，而高壓氣瓶所產(chǎn)生的壓力是有上限的，并且持續(xù)時間有限，因此理論上很難持續(xù)提升推動力。

隨著技術(shù)的進步，經(jīng)過改進，通過泵壓的形式則可對燃料和氧化劑進行持續(xù)加壓推進，因此發(fā)動機技術(shù)向泵壓方向轉(zhuǎn)變。而泵壓式液體發(fā)動機又可以進一步分為燃氣發(fā)生器循環(huán)、高壓補燃循環(huán)、全流量分級燃燒循環(huán)三大類。 3）燃氣發(fā)生器循環(huán)，目前民營商業(yè)航天主流技術(shù)路線通過增加泵來增加燃料和氧化劑進入燃燒室的速率，驅(qū)動泵轉(zhuǎn)動則來源于與其相連的渦輪機，而驅(qū)動渦輪機轉(zhuǎn)動的能源則來自于火箭的小部分燃料。所有燃料和氧化劑在進入燃燒室之前有小部分先進入預燃室，在預燃室燃燒后驅(qū)動渦輪機轉(zhuǎn)動帶動燃料泵和氧泵轉(zhuǎn)動，進而將燃料和氧化劑泵入燃燒室燃燒。這種液體發(fā)動機的驅(qū)動方式被稱為燃氣發(fā)生器循環(huán)。

從上圖我們可以看到，由于燃料充分燃燒會產(chǎn)生3000度以上的高溫，而渦輪機很難耐受如此高的溫度，因此通過調(diào)節(jié)進入預燃室的氧化劑或者燃料比例可實現(xiàn)不充分燃燒，多余出來廢氣則通過廢氣噴管排出。燃氣發(fā)生器循環(huán)的不足主要是燃料的利用率有損耗，尤其是不充分燃燒的廢氣直接排除損失了一部分能量，而為了加壓增加渦輪泵的轉(zhuǎn)速需要更多的燃料進入預燃室，這樣則造成更大的燃料浪費，實驗中轉(zhuǎn)速到了某一個臨界值，燃氣發(fā)生器循環(huán)的性能反而下降。因此在此基礎上，通過技術(shù)改進則出現(xiàn)了新型循環(huán)方式——高壓補燃循環(huán)。 4）高壓補燃循環(huán)，目前體制內(nèi)主流技術(shù)路線高壓補燃循環(huán)核心是將多余的廢氣重新注入燃燒室進行燃燒，實現(xiàn)燃料充分利用。高壓補燃可以帶來燃燒室室壓大大提升，明顯提升發(fā)動機推進效率。以煤油為例，高壓補燃循環(huán)相比燃氣發(fā)生器循環(huán)可以將燃燒室室壓提升一倍以上，效果明顯。

高壓補燃循環(huán)還不是最高效率的循環(huán)方式，目前世界最領先的技術(shù)則是全流量分級燃燒，可實現(xiàn)最高的燃燒效率。目前Space X最新的猛禽發(fā)動機即采用這一循環(huán)方式。

• 富燃預燃室——驅(qū)動燃料泵

• 富氧預燃室——驅(qū)動氧化劑泵

綜上所述，從技術(shù)發(fā)展趨勢上看，未來大推力中大型火箭將主要采用液體發(fā)動機作為主動力，而液體發(fā)動機中不同循環(huán)方式帶來的燃料燃燒效率和發(fā)動機推力則存在顯著差異，目前商業(yè)火箭發(fā)動機能實現(xiàn)燃氣發(fā)生器循環(huán)方式下的發(fā)動機研發(fā)，例如Space X梅林發(fā)動機主要采用液氧煤油推進劑進行燃氣發(fā)生器循環(huán)。而國家隊則大部分已近實現(xiàn)更高技術(shù)壁壘的高壓補燃循環(huán)，例如中國的YF100液氧煤油發(fā)動機、俄羅斯RD-180液氧煤油發(fā)動機、日本LE-9液氫液氧發(fā)動機、美國RS-25液氫液氧發(fā)動機等。而作為最高技術(shù)難度的全流量分級燃燒循環(huán)方式，還沒有一款完全成熟發(fā)動機實現(xiàn)過火箭發(fā)射，目前Space X猛禽發(fā)動機已完成全系統(tǒng)點火試車，預計2020年將裝配在星際飛船原型上進行首次試驗發(fā)射。 

如何看待液氧煤油和液氧甲烷技術(shù)路線選擇？

縱觀全球，航天發(fā)動機推進劑選擇過程中大多集中在液氧煤油和液氫液氧兩種推進劑，液氧煤油以俄羅斯（前蘇聯(lián)）、中國為主要實踐國家，液氫液氧以美國、日本、歐洲（歐空局）為主要實踐國家或地區(qū)。而液氧甲烷在過去幾十年間很少被人們所關注，直到Space X宣布，其未來用于載人登月和火星探索所使用新型猛禽發(fā)動機將采用甲烷作為燃料推進劑，至此液氧甲烷路線再次被人們所熟知。不考慮液氫液氧的高成本、高技術(shù)壁壘外，我們重點對比一下液氧甲烷和液氧煤油兩種推進劑發(fā)動機的優(yōu)劣勢，由此看未來的技術(shù)路線趨勢如何。

如果列舉兩者的差異和優(yōu)劣勢，有非常多的維度可進行對比，上表簡要列舉部分指標的對比情況。綜合而言，甲烷和煤油各有優(yōu)劣，性能參數(shù)方面差別不大，對中國商業(yè)航天而言，我們可以從兩個角度來看待對兩者的選擇——1）短期發(fā)展上，兩者任何一個有突破都將具備非常大價值，對商業(yè)航天發(fā)展至關重要中國商業(yè)航天發(fā)展還處于比較早期階段，我們和美國商業(yè)航天之間還存在很大差距，尤其是在低成本可重復使用運載火箭層面，因此短期看，無論是甲烷還是煤油，只要技術(shù)有所突破，那么對于我們實現(xiàn)可回收的低成本運載火箭都將具備很大價值。在技術(shù)方面，煤油的技術(shù)成熟度確實比甲烷要更完善，很多參數(shù)、指標、性能都有更豐富的數(shù)據(jù)參考，并且體制內(nèi)的技術(shù)外溢性更好。但另一層面來看，如果采用燃氣發(fā)生器循環(huán)，且初期不追求過大推力（超過100噸以上），甲烷的技術(shù)難度實際要比我們想象簡單，Space X和藍色起源的兩款甲烷發(fā)動機一直沒有完全成熟也是因為采用了技術(shù)難度更大的全流量分級燃燒循環(huán)和高壓補燃循環(huán)路線，而且推力上更大，分別達到300噸和250噸。事實上國內(nèi)民營企業(yè)研制的甲烷發(fā)動機已經(jīng)取得了很大進展，技術(shù)突破在即。在成本方面，兩者都具備可重復使用度，可有效降低火箭成本，但是由于煤油燃燒的結(jié)焦和積碳問題，實際可重復使用次數(shù)上比甲烷還是要低。因此如果兩者在相同運載能力下實現(xiàn)可回收發(fā)射，甲烷的成本要比煤油更有優(yōu)勢。2）長期發(fā)展上，甲烷的優(yōu)勢更明顯，煤油面臨更大挑戰(zhàn)如果參考美國商業(yè)航天發(fā)展，Space X作為絕對的行業(yè)領導者，它在未來商業(yè)航天上有更加遠大目標，如深空探索、載人登月、火星移民等。若往返于地火之間，由于火星95%以上是CO2，通過CO2的裂解可以用來制備甲烷，但是卻很難制備煤油，如果火箭在發(fā)射前還要裝備需要返回所需燃料顯然效率要低很多。因此甲烷對于航天產(chǎn)業(yè)長遠發(fā)展來講更具優(yōu)勢，當然目前這些也都是理論可能，我們只能抱有盡量樂觀的態(tài)度去嘗試和探索。 綜合看，如果將長短期結(jié)合考慮，甲烷路線將更加具有繼承性，我們短期的技術(shù)投入有助于為未來長期更大推力、更高難度液氧甲烷發(fā)動機的研發(fā)提供有效支持。從Space X選擇看，也一定程度上說明甲烷路線可能更加有效，否則它完全可以延續(xù)之前梅林煤油發(fā)動機路線繼續(xù)從燃氣發(fā)生器循環(huán)向全流量分級燃燒循環(huán)轉(zhuǎn)變。如果我們再上升到中國和美國商業(yè)航天競爭角度，中國在可回收火箭上實現(xiàn)甲烷發(fā)動機的突破，未來火箭發(fā)射成本可能比現(xiàn)在Space X獵鷹系列（使用梅林 1D液氧煤油發(fā)動機）更低，如果延續(xù)煤油路線可能只能一直處于追趕階段。因此，我們認為堅持國產(chǎn)液氧甲烷發(fā)動機的研發(fā)對中國商業(yè)航天發(fā)展至關重要，希望在不遠將來盡快看到中國企業(yè)在甲烷發(fā)動機研發(fā)上的突破。

火箭企業(yè)自研發(fā)動機和獨立發(fā)動機公司間的關系？

• 俄羅斯RD-180液氧煤油發(fā)動機至今仍在向美國出售，作為美國宇宙神5號（Atlas-5）和安塔瑞斯號（Antares）火箭一級動力源

• 美國專業(yè)火箭發(fā)動機公司洛克達因為NASA提供火箭發(fā)動機

• 中國航天動力部分有獨立的航天四院和六院負責

因此，和航天產(chǎn)業(yè)類似的航空產(chǎn)業(yè)鏈中，獨立的發(fā)動機公司是獨立存在的，單獨對外提供產(chǎn)品，背后核心原因在于高技術(shù)、資源、人員投入的壓力，促進了更高效率的產(chǎn)業(yè)鏈分工效應。

獨立火箭公司對外提供產(chǎn)品，和下游客戶是一對多的關系，因此更容易實現(xiàn)規(guī)模化，成本上可以做到更低。而從產(chǎn)業(yè)鏈分工角度講，中國在商業(yè)航天尚處于緊急追趕階段的時候，充分發(fā)揮產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的分工優(yōu)勢，各環(huán)節(jié)實現(xiàn)突破有助于行業(yè)更快速發(fā)展。歷史數(shù)據(jù)表明一款大推力的穩(wěn)定可靠液體發(fā)動機研發(fā)投入資金都要達到上億甚至數(shù)億元，體內(nèi)一款液體發(fā)動機研發(fā)時間至少需要8-10年時間，Space X一款發(fā)動機研發(fā)也需要5年時間，因此完全依賴火箭公司自研發(fā)動機在資源、人力分配上可能面臨非常大的挑戰(zhàn)，而通過有效產(chǎn)業(yè)鏈分工有助于加速中國商業(yè)航天的快速發(fā)展。

事實上，Space X之所以要自研發(fā)動機，核心原因還是當時對外無法采購到低成本、高可靠、可回收的發(fā)動機產(chǎn)品，迫不得已才投入大量精力自研。而中國的火箭整體和發(fā)動機企業(yè)完全可以考慮進行有效的分工配合，實現(xiàn)快速追趕的目標。

從哪些維度來衡量火箭發(fā)動機公司優(yōu)勢？

下表列舉了目前世界各國及地區(qū)主要發(fā)動機基本情況，從表中可以看到，從推力水平上中國發(fā)動機和國際領先水平還有很大差距，目前立項在研500噸液氧煤油和220噸氫氧發(fā)動機將達到世界先進水平，也將為中國登月和空間站建設提供支持。

1）技術(shù)參數(shù)方面，推力越大、比沖越高、推重比越高證明發(fā)動機性能越優(yōu)越，深度變推能力范圍越大更利于可回收技術(shù)應用推力越大意味著火箭動力越強，目前眾多火箭都可能采用兩臺以上進行多級并聯(lián)的形式來提升火箭的整體推力。比沖越高意味著火箭推力所能持續(xù)的時間越長，這樣有助于將火箭推離更遠的距離。推重比是火箭整體推動力和火箭重量的比值，數(shù)值越高同樣意味著火箭性能越優(yōu)越，加速效果越好，這一指標除了和發(fā)動機推力密切相關外，火箭整體設計同樣重要。深度變推力能力范圍越大，尤其是向下變推能力越大意味著火箭返回過程中可以更好的進行變推力調(diào)節(jié)，實現(xiàn)火箭穩(wěn)定降落。向上變推力大則可以在多級并聯(lián)情況中，如果單臺發(fā)動機出現(xiàn)故障，通過調(diào)整其他發(fā)動機提升推力水平，彌補故障帶來的推力損耗，實現(xiàn)火箭到達既定軌道的目標。2）研發(fā)階段上，各部組件完成到完整全系統(tǒng)試車將驗證產(chǎn)品性能火箭發(fā)動機一般由幾大核心部件組成，每一部分可以獨立完成，然后組裝為整體發(fā)動機系統(tǒng)。以燃氣發(fā)生器循環(huán)為例，發(fā)動機重點的四大核心部件包括點火器、渦輪泵、推力室和燃氣發(fā)生器。

      燃氣發(fā)生器循環(huán)示意圖                           Space X梅林 1D火箭發(fā)動機

在研發(fā)過程中燃氣發(fā)生器、點火器以及推力室需要經(jīng)過單一部件的點火實驗，而渦輪泵研發(fā)完成后則需要同其他部件組裝后進行系統(tǒng)試車。一般實現(xiàn)全系統(tǒng)試車意味著一款發(fā)動機的研發(fā)基本完成，后續(xù)則需要進行多次、長時間的點火實驗來保證發(fā)動機的穩(wěn)定性、可靠性。火箭發(fā)動機一般在地面按照參數(shù)進行充分的點火試車，則大概率可認為產(chǎn)品達到研發(fā)目標、發(fā)動機性能穩(wěn)定、產(chǎn)品成熟，而不一定非要通過發(fā)射來進行實驗。真正的發(fā)射實驗更多的是驗證發(fā)動機和火箭整體之間的配合度、融合度。

3）研發(fā)效率上體現(xiàn)技術(shù)積累及未來成本水平一款發(fā)動機的研發(fā)效率可以從資金投入和時間投入兩個維度來看，在盡量少的資金投入情況下利用更短的時間完成產(chǎn)品的研發(fā)意味著研發(fā)效率更高。如果研發(fā)過程中出現(xiàn)多次反復、設計修改則會耽誤資金、人力和時間，這樣將影響未來產(chǎn)品的成本。研發(fā)效率越高意味著團隊對于技術(shù)積累和理解越全面和深入，也可以越快的從產(chǎn)品研發(fā)轉(zhuǎn)向商業(yè)拓展。前期的研發(fā)資金、人力投入越少意味著未來產(chǎn)品的成本水平越低。總體來講，中國的商業(yè)航天大推力液體發(fā)動機研發(fā)在快速進步，但我們也要看到，中國的技術(shù)都還處于研發(fā)早期階段，距離產(chǎn)品成熟并發(fā)射上天還有一定路要走。未來在發(fā)動機試車臺建設和共享（此部分也將是發(fā)動機研發(fā)中較大的投入）等方面還需要更多政策支持，希望看到更多體制內(nèi)的基礎設施對民營商業(yè)航天企業(yè)開放。從投資角度上，需要更多的風險投資資金能夠進入這一領域支持中國液體發(fā)動機的研發(fā)。需求方面除了民營之外，參考美國商業(yè)航天的發(fā)展，未來在政府采購上同樣存在巨大空間，目前中國60%的火箭發(fā)射任務還在采用YF20發(fā)動機，此款發(fā)動機所用燃料和推進劑由于存在劇毒而需要被淘汰，因此中國民營商業(yè)火箭發(fā)動機研發(fā)完成也將非常好的滿足體制內(nèi)發(fā)射需要。總而言之，從國家政策、投資以及技術(shù)研發(fā)等多方面，希望不遠將來看到中國民營商業(yè)火箭發(fā)動機能夠騰起升空，盡早實現(xiàn)首次發(fā)射。