商业运载火箭之难与希望

当地时间3月22日晚上，美国相对论空间公司的人族一号（Terran1）火箭发射后，虽然一级正常工作，但二级出现故障导致发射失败。这是全球第二型挑战入轨发射的液氧甲烷火箭，但仍以失败告终。

人族一号火箭首次发射，高清摄像机捕捉到液氧甲烷燃料产生的蓝色尾焰中的马赫环

第一个挑战液氧甲烷火箭轨道发射的是我国的蓝箭航天公司，遗憾的是，其朱雀二号火箭去年12月14日的首次发射没能进入轨道。本次，相对论空间公司的挑战也未能成功，为“全球首枚成功入轨发射的液氧甲烷火箭”花落谁家保留了最后的悬念。

朱雀二号火箭首次发射

如今，业界甚至大众，对SpaceX公司猎鹰系列火箭发射成功早已司空见惯，但为什么同为商业火箭，其他商业航天公司的新型号成功入轨就那么难呢？

美国商业火箭公司首飞全失败？

猎鹰九号火箭创下了连续成功发射的世界纪录，但当初，初创的SpaceX公司挑战火箭入轨发射时，完全可以说是九死一生。

2002年6月创立的SpaceX公司，开始研制的就是小型液体运载火箭，作为私营公司自筹资金研制火箭的开创者，数年艰苦努力后，其猎鹰一号火箭终于在2006年3月25日进行首飞。然而虽然火箭发射前就多次延后，但精心准备的首秀还是失败了。随后2007年的第二次和2008年的第三次发射，先后出现一二级碰撞和异常震颤的问题。接二连三的发射失败，几乎把SpaceX公司和马斯克逼上绝路。幸运的是，2008年9月28日的第四次发射，火箭终于成功入轨，在弹尽粮绝前拯救了公司。它是人类第一枚纯商业开发的运载火箭，也是现在如火如荼的商业航天的先声。

SpaceX公司和猎鹰一号火箭作为商业航天的开路先锋，屡败屡战后才成功入轨，其根本原因就是航天发射的本质，仍是高投入、高难度和高风险的“三高”事业。人类航天事业历史上，轨道发射的运载火箭长期以来都是举国之力创造的奇迹，苏联、美国以及我国的运载火箭最早都来自弹道导弹，是战略导弹工业的衍生品，导弹和火箭的研制投资巨大，而且早期不时出现发射失败。早期的运载火箭也是当之无愧的高科技产品，苏联R-7火箭就是典型的代表。时过境迁，虽然随着火箭技术的扩散，轨道发射的运载火箭不再一定是高新科技的代名词，比如伊朗和朝鲜研制的火箭技术落后，也先后成功入轨，但运载火箭研制高投入和高风险的特点却从未改变。商业航天公司的火箭研制难度不低，成功发射入轨并进入商业市场更是极具挑战性。

事实上，21世纪以来美国商业航天公司的火箭首飞都以失败告终。

SpaceX公司是第四次发射才成功入轨。现在相当成功的火箭实验室公司，其电子号火箭首飞由于地面测控设备故障导致错误自毁，第二次发射才成功入轨。现在境遇艰难的维珍轨道公司，其空射的发射器一号同样是第二次发射才顺利入轨。群星（Astra）公司命运更为坎坷，Astra火箭第五次发射才进入轨道，即使考虑前两次是亚轨道发射，那也是第三次发射才成功入轨。至于说美国其他商业火箭公司，萤火虫空间公司的萤火虫Alpha火箭，首飞失利，第二次发射还是部分失败，虽然卫星勉强入轨但轨道高度太低，导致卫星快速再入损失。年初ABL空间公司的RS1火箭首飞失败……因此，本次相对论空间公司似乎延续了美国商业航天公司首飞失败的“惯例”，但却再次体现了航天发射高难度高风险的共性。

世界上商业航天发展最好的当属中美两国，航天发射高难度高风险的共性，在中国同样客观存在——2018年，零壹空间公司的OS系列固体亚轨道火箭连续两次发射成功，但后续的运载火箭发射失利。同年，蓝箭航天公司的朱雀一号固体运载火箭挑战首次轨道发射，但同样以失败告终；2022年，另起炉灶的朱雀二号液氧甲烷火箭未能成功，已是该公司的第二次轨道发射失败。星际荣耀公司的双曲线一号固体运载火箭虽然于2019年首次轨道发射获得成功，但接下来连续三次的发射失败，不免多少影响了投资人对中国商业火箭的信心。论“稳”字，目前当属星河动力公司，其谷神星一号固体运载火箭五次发射都圆满成功，实属难能可贵。去年7月27日，中科宇航公司也取得了开门红，力箭一号固体运载火箭首飞大获成功，拿下当时全球最大固体运载火箭桂冠。据悉，力箭一号遥二火箭出厂在即，计划今年5月发射，顺利的话，今年中科宇航公司将进行三次发射。

难在哪儿？从推进剂的选择和新技术说起

相对论空间公司发射的人族一号火箭，可以说是世界首枚3D打印火箭，据称包括发动机在内，火箭约85%的部分通过3D打印机制造，该公司致力于使用3D打印技术廉价高效地制造火箭，火箭的技术难度和风险可想而知，其首飞失败并不奇怪，成功反而才是意外的惊喜。

人族一号火箭的结构和发动机使用专门的3D打印合金制造，与传统火箭相比，部件数量极大地减少。

人族一号火箭不仅大量使用3D打印技术，还是一种使用液氧甲烷动力的液体运载火箭，这就更提高了火箭发射成功的难度。

一般地说，液体火箭的研制难度比固体火箭高，这是因为固体火箭技术尤其发动机的开发和生产能得到各国固体火箭工业的大力支持。纵观历史，美国有过米诺陶/金牛座这样连续发射成功的商业固体运载火箭，而空射的飞马座固体火箭首飞也成功了。

而液体火箭中，根据推进剂和发动机选择的不同，难度也有高低之分。难度最低的是双氧水酒精或双氧水煤油，它们使用简单但比冲偏低，多为业余爱好者使用，历史上只有英国黑箭运载火箭使用双氧水煤油推进剂。其次是液氧汽油或液氧酒精，前者是美国火箭先驱戈达德制造的人类第一枚液体火箭选用的推进剂，后者是德国V-2弹道导弹的选择，但是液氧使用不便，而且液氧酒精比冲也偏低，早已退出历史舞台。冷战时期肼类推进剂大行其道，各种肼和硝酸、四氧化二氮的组合都能在常温下稳定存储，符合军用战备的需求，而且比冲也比较高，美苏和我国的液体弹道导弹普遍使用肼类推进剂。但肼类不仅昂贵而且剧毒，商业航天公司对肼类推进剂唯恐避之不及。

发射北斗导航卫星的我国长征三号乙运载火箭，采用四氧化二氮和偏二甲肼组合推进剂。发射时，液态的四氧化二氮蒸发后泄压排出，分解成二氧化氮，形成标志性的棕红色烟雾。

液体推进剂中难度最高的当属液氧液氢组合。液氧、液氢都属于超低温液体，尤其是液氢，从制取、储存、运输到加注都有一系列难关。液氢密度极低（意味着同样重量，需要更大的贮箱容积），存储温度也很低，而且分子量小的氢又极易泄露，因此导致液氢推进剂的使用难度非常高。美国的德尔塔IV火箭是少见的全氢氧火箭，其运载系数十分出色，欧洲和日本各有氢氧芯级的阿里安5和H-IIA火箭，我国的长征五号大火箭也使用氢氧芯级，它们都通过氢氧动力显著提高了性能，但都属于成本昂贵的国之重器，商业航天公司心有余而力不足，因此基本没有选择这条发展路线。

液体火箭中最常用的推进剂组合，当属液氧煤油。液氧煤油的特点是无毒环保，成本低廉，密度和比冲性能都比较好，备受火箭工程师的青睐。苏联著名的联盟号火箭选择液氧煤油动力，后来先进的天顶号也是液氧煤油火箭。美国的宇宙神系列火箭以及德尔塔IV之外的德尔塔系列火箭，也都使用液氧煤油发动机。我国新一代火箭中，长征六号、长征七号和长征八号的主发动机都是液氧煤油发动机，连长征五号的助推器也是液氧煤油动力。

液氧煤油这种半低温推进剂组合也得到了商业火箭公司的青睐。而且因为其在运载火箭领域的广泛应用，新兴商业公司选择液氧煤油火箭路线，更容易从现有航天工业得到人力、技术和经验上的支持，降低研制难度和技术风险。SpaceX公司的猎鹰一号、猎鹰九号包括猎鹰重型火箭，都是液氧煤油动力；火箭实验室公司也是如此。

猎鹰九号火箭采用液氧煤油动力，发射时产生该种推进剂组合标志性的橘黄色火焰及白色烟雾

国内，星河动力公司以难度较低的固体火箭积累声誉赢得市场后，也正在加速研制液氧煤油动力的智神星火箭，据了解，智神星还具备重复使用能力。中科宇航公司研制中的液体运载火箭型号力箭二号、力箭三号系列，也都采用液氧煤油动力，以进一步提高运载能力和市场竞争力。此外，天兵科技公司和深蓝航天公司正在研制的液体火箭都不约而同地选择了技术成熟的液氧煤油发动机。据悉，天兵科技的天龙二号液体运载火箭即将于近日进行首飞。

介绍完难度最高的、和最常用的，中间档就是液氧甲烷推进剂了。相对传统各种动力，液氧甲烷可谓比上不足、比下有余：虽然它的比冲值没有液氧液氢高，但甲烷远比液氢更容易处理；虽然甲烷密度比煤油低，但液氧甲烷比冲更高，而且甲烷燃烧后产生的积碳很少，适合发动机的重复使用。

液氧甲烷发动机第12次试后喷嘴出口结焦情况，可见甲烷的自洁净性较好，经产品复温吹除，少量结焦自行脱落。（图文摘录自北京航天动力研究所张楠、孙慧娟发表的论文）

历史上，由于液氧液氢和液氧煤油占据了高低两个生态位，航天大国们对研制液氧甲烷火箭热情不高，这就是至今仍没有成功入轨的液氧甲烷运载火箭的原因。而随着商业航天的崛起，液氧甲烷推进剂比冲高、易于使用和适合复用等特征，完全切中了商业火箭公司的痛点痒点，因此掀起了一股液氧甲烷热潮。

SpaceX公司的猎鹰系列火箭大获成功，但后续却转向研制全新的液氧甲烷动力，看好的就是液氧甲烷发动机易于复用和性能高的优势，同时也有在火星易于就地取材制取甲烷的考虑。SpaceX公司的竞争对手蓝色起源公司，也研制了液氧甲烷发动机BE-4，除了复用等优势外，据称BE-4发动机能直接使用天然气，有利于降低发射成本。我国除了蓝箭航天公司外，星际荣耀和九州云箭等公司也投入了开发液氧甲烷发动机的行列。

研制液氧甲烷发动机及运载火箭，业界并无成功经验，意味着要从推进剂的制取、存储、运输、加注，再到火箭发动机和贮箱的研制，以及发射工位和火箭检测等诸多方面，完全自力更生地开辟一条新的赛道。甲烷虽然相对易用，但也属于低温推进剂，使用起来还是有一定难度的。液氧甲烷火箭的研制中，无法像固体火箭或是液氧煤油火箭那样，能够从现有航天工业中借鉴设计或是购买技术，这对举国之力支撑的航天部门都是不小的挑战，对商业航天公司的难度更是可想而知。

因此，相对论空间公司这次的发射失败，从另外一个层面也可以说，是一次巨大的胜利。该公司在火箭发射前，曾公开表示担心新火箭不能挺过最大动压段（MaxQ）。而实际发射后，火箭飞到一二级正常分离，证明了新的液氧甲烷发动机和革命性的3D打印应用都没问题，可以说是一次里程碑的发射。

液氧甲烷的竞赛仍在继续

今年，中美两国的商业航天公司将继续开展液氧甲烷火箭入轨的竞赛。

中国方面，蓝箭航天公司的朱雀二号火箭已经完成归零，实现故障复现，第二枚朱雀二号火箭正全面开展总装总测工作，有望年内实现复飞。

美国方面，SpaceX公司重量级的星舰/超重火箭，最早可能在4月进行首次轨道发射；联合发射联盟的火神火箭（使用蓝色起源公司研制的BE-4发动机），也有望在7~8月进行首飞。

星舰/超重使用全流量分级燃烧循环的猛禽发动机，其7000吨级的起飞推力和5000吨级的起飞重量都远远高于朱雀二号火箭，是名副其实的超重型火箭。而且作为二级入轨的全复用运载器，星舰颠覆性的技术难度和跨度都太大了，用马斯克自己的话说，“首飞不炸发射台就算是胜利”，似乎已知成功入轨的可能性实在不大。

2023年1月23日，SpaceX进行了星舰/超重的首次“湿彩排”，在测试过程中顺利将大约4540吨的液氧和甲烷燃料注入火箭。空气中的烟雾是倾泄出的多余的液态甲烷。

火神火箭的设计和研制中规中矩，这个型号的研制受到BE-4发动机研制漫长周期的拖累，能达到现在的进度，已经算是一个不错的成绩，加上联合发射联盟的两个股东波音公司和洛马公司都是老牌航天企业，保守有余，创新不足，对火箭研制当中可能遇到的各种小问题异常谨慎，能在2023年内完成的首飞，就算是相当顺利了。

从上面这些火箭的历程可以看出，商业火箭要想在可靠性、安全性、运载能力、发射频率、运载比成本效益等诸多方面达成良好的平衡，是一件非常困难的工作。唯有勇气、智慧、大胆尝试、面对、坚守，无捷径可以走。

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