运载火箭的产业化之路

“唯有先进科技+文化创意的完美结合，才会创造出新的经济增长点。”推荐深度阅读——

2017年8月28日原创《“文化＋航天”，会产生什么样的化学反应？》

2019年6月3日原创《“深不下去，融不起来”的困局，也许可以这样解……》

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作者 | 杨毅强（中国科学院空天飞行科技中心主任）

本文根据作者2019年地月空间论坛现场演讲整理，略有不改变原意的编辑。

运载火箭的产业化问题其实并不是一个新鲜的话题，我在长期从事运载火箭研究的过程中，对产业化有一些思考，今天在这里简单地向大家做一个报告。

一、我国运载火箭概况

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中国航天从建立至今经过了63年的时间，运载火箭已经形成了体系完整、能力覆盖完整的12型在役火箭。其中，第一代的运载火箭涵盖了长征2号系列、长征4号系列，这两型火箭主要执行SSO轨道任务的中型运载火箭,长征2F火箭主要用于载人航天任务；长征3号甲系列，主要执行GTO轨道任务，比如大家熟悉的北斗、通信类卫星。这些火箭主要应用上世纪的70年代到90年代末期研制的第一代火箭，都是采用四氧化氮、偏二甲肼这样有毒有污染的液体推进剂。（参见图1）

图1 我国第一代火箭概况

进入21世纪以来，我国部署了新一代/第二代的火箭（参见图2），包括4型，可以归纳为大、中、小、快。大的是长征5号，其运载能力可以达到25吨；长征6号火箭是第一型小型、具有快速响应功能的液体火箭，于2015年9月20号首飞成功，目前已发射两发；长征7号火箭是第二代绿色无污染中型火箭，主要运用于载人货运飞船任务；另外就是长征11号火箭，我带领团队完成了该火箭的整个研制，到目前为止（编者注：指到论坛当天9月18日止），长征11号已经发射了7次，其中6月份完成了首次海上发射。

图2 我国新一代火箭概况

总的来说，到目前为止，我国的火箭还是处于定制化和任务专业化的模式。比如长征2F就是发射载人飞船的，长征3A系列主要是满足北斗和通信卫星等高轨的发射。长征系列火箭中投入到商业市场的火箭非常少。目前投入到商业市场的只有两型小型火箭，长征6号和长征11号。长征11号之所以发射次数多，是因为主要用于发射小型商业卫星，除了第一发是试验验证卫星之外，后续发射的三十多颗卫星全都是小型商业卫星。

为什么只有两型火箭可以投入到商业市场？可能有以下几个原因。

1、我国空间基础设施建设的任务很重，主战场火箭发射繁忙。

2、运载火箭的产能不足。

3、生产周期比较长。比如说传统的液体火箭订货周期是24个月到48个月，长征11号作为一类小型固体火箭，订货周期也要12个月。

可以说我们的现役火箭不论是第一代还是新一代，距离产业化还有相当的距离。

此外，我们与航天强国，尤其是美国比较，我们火箭的性价比优势不明显，火箭可靠性、运载能力及综合性能与航天强国的差距目前还在加大，这是我们面临的一个实际情况。

在商业火箭方面，今年7月25号星际荣耀公司的双曲线一号火箭发射成功，这是民企火箭的首次成功入轨。同时，航天科工和航天科技集团也都部署了相应的小型火箭。在运载能力方面，除了快舟11号火箭运载能力达到1吨外，其他的都是小型或者叫微纳火箭，从几十公斤到200多公斤，应该说这些火箭距离未来星座组网需要的运载能力来说还相差甚远。

多家商业火箭公司都有相同的发展套路：以小型固体火箭起步，然同时液体火箭探索以液氧甲烷为代表的液体动力。普遍来说，这些火箭的运载能力都比较小，而且根据我们了解到的情况，成本控制也比较困难。

从整个的航天产业发展来看，未来商业航天市场绝对不是低成本的比拼和低水平的重复，而是一个技术创新的嬗变过程，靠技术创新来降低成本，也可以称之为“低成本的设计技术”。大家知道，一型产品的成本由三个因素决定，首先，是由设计方案决定的，设计方案决定了火箭固有成本的大部分，其次是产业链的选择与布局，还有就是火箭系统集成的方式。所以说设计方案决定了成本，而降低成本最优途径就是技术创新。我们认为未来应该强化颠覆性的技术创新，充分发挥企业家的创新精神，未来一定是国家队和商业航天公司共同发展的局面。

我的观点是，随着一些星座的建设逐步提上日程，未来低轨发射服务将逐渐市场化。五年以前，我们就说小卫星可以办大事，后来又讲小卫星可以进行技术验证，验证原理和算法、功能，到如今，小卫星的工程实用化、功能实用化、星座化已经不是一个遥远的梦，有很多星座即将开始付诸实施建设。随着商业火箭的蓬勃兴起，及两大航天集团积极布局商业运载，未来低轨发射市场一定逐渐走上市场化之路。同时，火箭低成本的实现则必须走产业化之路。

二、产业化主要问题

1、运载火箭研制特点

火箭首先是一个多学科的综合的学科体系，具有高风险、高投入、高人才密集、长周期的特点。全世界具备研制中型和大型火箭的企业很少，也就十家左右。

从火箭的发展方向来看，有以下几个趋势。

①智能化

智能化体现在几个方面：智能的设计，智能的测试，智能的装配，智能的测试发射和飞行中的智能控制。

②绿色化

长征火箭现在正在逐步淘汰老一代的四氧化二氮、偏二甲肼液体推进剂，推行绿色无毒无污染的新一代的火箭推进剂。

③低保障

我国现有的四个发射场的发射工位，已无法满足国家任务、军队任务、以及商业航天勃勃兴起的需求，如果火箭不朝低保障方向发展，我们的发射场一定会成为航天发展的瓶颈。

④快响应

小型卫星的造价低，但是寿命相对也比较短，需要更短的组网和补网周期，如果用一年甚至几年时间完成一个小卫星星座的组网发射是无法接受的。很可能几天甚至几小时就需要发射一枚火箭。

⑤低成本

过去我们的大卫星造价都很高，多则二十多亿，少则几亿，而现在的小卫星往往造价只有几千万、几百万，这样一个价格，必然对火箭的发射价格提出更低廉的要求，我相信没有任何一家公司发射造价五千万的卫星会采购造价一个亿的火箭。

⑥市场化

火箭的采购一定会遵循市场规则，比如招标方式，不会用计划经济的思维方式来选择火箭。要充分考量综合性能和性价比，还有发射服务水平及客户体验度。

2、技术发展问题

①基础科研对工程技术创新发展的瓶颈

产业化要解决什么问题？第一个要解决技术发展问题，即技术创新的问题。

我在火箭研究院工作时，经常和同事讨论一个问题：我们到底是一个研究院，还是个设计院，为什么我们很多同一规格的火箭，与国外特别是与美国比，性能、可靠性相对落后？这实际上反映了一个问题，虽然名字叫研究院，但更像是一个工程设计院，多年以来我们都是重工程、重试验，轻科研、轻理论。其实钱学森同志刚回国不久，就讲了很多次理论与实践相结合问题，还有是工程科学与工程技术问题。但是这么多年来我们更重视工程技术，强调更多的是靠地面的试验，所以每当我们遇到一些新技术或者新概念的产品时，往往会感到基础理论跟不上，甚至在遇到重大的失利或故障时，我们的基础理论也跟不上。图3列举了一些存在技术瓶颈的方面。

图3 基础科研对工程技术创新发展的瓶颈

比如说我们做一个火箭的弹性振动实验就需要建一个塔，按火箭规模建设不同的振动塔。但是美国的“土星5”火箭和SpaceX公司的猎鹰重型火箭会建这样的一个塔吗？我国将要研制的重型运载火箭，是否也要建一个规模巨大的振动塔？这其实就是因为我们对弹性频率的精细化预示的理论研究不够，振动试验的方法还比较传统，只有靠大型的试验设施去试验去覆盖，试验通过后，再依靠过去的经验方法去验证，可见我们在设计的精细化上与航天强国还存在着比较大的差距。所以这是第一个我们要解决产业化的问题，首先要打破基础科研在运载火箭设计方面的瓶颈，解决天花板效应问题。

②传统体制限制技术创新应用

我国航天六十年来形成了一个非常完整的科研生产体系，但是我国航天实际上是在50年代到80年代初期这个国力极端薄弱的条件下建立起的科研生产体系，继承了前苏联的科研生产联合体模式，是一个小而全的、相对封闭的研发试制模式。

改革开放四十年以来，我国的综合实力、科技能力、工业实力得到长足的进步，如果航天这个体系不打破，航天技术不融入全国的科技工业体系，航天技术的发展不建立在我国综合实力之上，还是固守在一个相对封闭的环境里，保护的必然是落后的技术和落后的管理方法。

举例来说，现在这种封闭的体系可以使产品的进度和质量得到保障，但是技术上不利于向专业、更深、更精细化的方向发展，研发的成本高、周期长、技术进步较慢。

我们在制造上仍然以定制化为主，产品货架化的程度非常低。经济上往往还是向军方、政府申请超算和涨价来保护自我，受市场的影响比较小，整个产业链依靠传统分工来配置，相对比较固化。企业较少关注核心竞争力和市场价值，不是依靠以市场竞争来促进技术进步和产业链的优化，还是依靠国家和军队的重大任务来牵引技术的创新和发展，将知识产权转化为市场应用的动力和机制不足。一句话，如果在开放公正的市场环境下，传统体制的市场竞争力和生存能力就比较弱。

简单来说，我国航天国家队还是以国家任务为主，保成功压力非常大，新技术的应用非常受限。

③核心技术和产品还有待形成

目前，我国运载火箭的核心技术和产品还有待形成，特别是我们的产品在通用化、标准化、货架化等方面，我们的配套产品存在严重不足，条条框框仍然比较多。

④低成本技术之路还有待探索

要把成本当作方案选择和设计的重要约束条件，设计、制造、使用流程需要再认识和重塑。

⑤先进设计方法和技术手段应用不足

应该推进建设基于模型传递、多学科协同设计平台、信息化质量管控平台。

3、产业链问题

①传统的科研体系相对封闭，体系庞大，自我封闭。缺失合理的价值链和利益分配，产业链环节也不完整，我相信这也是中央决定搞军民融合一个主要原因。

②国家基础设施还有待开放。目前很多民营企业在自建试车台、总装测试厂房（参见图4），这里有几个问题，一是造价很高，二是周期很长，三是有安全、政策等的限制，最终将导致企业产品研发受限，成本提高。因此，我认为国家的这些设施应该在适当的时候在某个时期内对外开放，也避免了重复投资和资源浪费，有利于盘活国有资产。

图4 部分民营火箭公司公布的总装厂房及试车台图片

③市场化、社会化协同还有待探索。（参见图5）

图5 市场化、社会化协同还有待探索

4、发展理念问题

传统航天，也就是体制内航天与商业航天有什么区别？

刚才我讲的基本都是传统航天产业的一些情况，而我认为商业航天在产业链的上游，产品配套承制单位的选择范围更多更广，研发方式也更加多样化，在产品采购方面如果没有西方制约，完全有可能实现全球化和货架式。

商业航天更加关注细分的领域和价值的创造，具有高度的商业化，使得产业相关环节和领域的技术能得到相对比较快的成熟和发展。商业航天企业注重市场的调节作用和培养自身的核心竞争力，用市场和价值规律来引导产业链的细分和组合，优化产业链、缩短周期、降低成本，以巩固企业在行业中的竞争优势。

另外，商业航天企业还可以把知识产权视为资本并转化为利润效益，核心的人员可以通过自身的技术实力获得相应的股权，这也是很多商业航天企业吸引了传统航天很多人才的一个主要原因。

从理念上来讲，商业航天企业更强调的是服务和客户体验度。在我们传统航天企业里面，我们讲五大系统：卫星、卫星应用、发射场、火箭、测控等等，传统航天是一个大系统内的协调关系；而在商业航天领域，毫无疑问是上下游的服务关系。

三、产业化之路

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1、技术创新

这是我强调的一个重点，我们还是要靠技术创新、靠低成本的技术来降低成本，以实现产业化。

①技术的持续创新、融合与应用，是航天发展的动力

很高兴的是，近期航天企业有很多新技术的应用，例如火箭的重复使用技术，包括体制内如一院、八院都有多年的积淀。前不久，翎客航天在青海冷湖也做了火箭回收的小型试验，也有一些公司进行了类似SpaceX的“蚱蜢”试验的安排。重复使用技术在我们国家正在逐步获得突破。此外还有先进推进技术，如液氧甲烷发动机技术正在逐步成熟，也有民营企业正在推出低成本的液氧煤油发动机技术，还有通用的综合航电技术等等也在不断发展。

刚才也讲到体制的问题，例如在传统航天讲总体、分系统、单机，其实这个观念在今天已经过时了。我看到很多商业航天企业已经做到了航电设备综合化、模块化、组合化、通用化，过去航天没有航电设备的概念，而是控制系统、遥测系统、外弹道测量系统等等。换句话说，在集成化、通用化、模块化等方面，体制内相对来说走得比较慢，反而是一些商业航天企业已经彻底打破了过去由于研制单位利益分割造成的高成本，在方案简化和集成方面取得了一定的进步。

我们也应当看到，在智能控制、远程发射、天地一体化测控等方面的技术创新上，航天科技、科工集团以及一些商业企业，都取得了一些比较大的进步。

展望未来，重复使用技术、先进推进技术、人工智能技术等将在航天领域广泛应用，从而带动航天制造、发射、运营服务、卫星应用等商业航天产业不断发展和变革。成本能否降下来，产业化能否实现，关键在于能否在航天领域选准和培育颠覆性技术，有效地进行持续创新。

②技术创新是低成本、产业化的源泉

新材料如新型的复合材料，新工艺如激光焊接、3D打印，系统总成如智能化总装测试和脉动式生产。

2、流程再造

其次就是一定要解决流程再造问题，我们不能把60年代形成的封闭的体系一如既往地坚持下去，不做变革。我认为应该从以下三个方面进行改变。

第一，面向单机的集成产品设计（IPD）。要淡化火箭的分系统概念。分系统的概念是在60年代我们国家技术非常落后情况下产生的，时至今日，电子信息技术、算法等各方面都有了长足的发展，完全可以进行面向单机的IPD设计。我们现有的模式靠文件驱动，非常耗时，比如一个成熟的火箭拿到一个新的卫星发射任务，从接到任务到签订ICD协议，再到下任务书，再到各系统去闭合，往往需要几个月的时间。如果我们采取IPD的模式、模型驱动的方式，这个周期可能缩短到两三周甚至更短的时间。

第二，面向社会的集成供应链（ISC）。打造面向全社会、开放包容的现代化供应链，而不是像过去那种封闭的传统分工——这个事情只有你干、只有他干，别人不能干。产业链一定要现代化，一定要开放，如果有可能甚至是全球化，这样我们的运载火箭才能做得更好。

第三，去任务化的总装集成测试（AIT）。因为我们传统的火箭都是定制的，很少有先把火箭生产出来，然后再拿到市场去销售。也有预投产，只是把部件做出来，但是具体到每一级产品都是为特定的顾客定制的。这不仅仅是流程问题，也是一个技术问题，比如每一级无法单独测试，只能全箭对起来才能进行测试。而现在有些企业的火箭每一级都可以单独测试，然后装配起来之后只对与这次发射任务相关的项目进行集中检查，这样一来这个产品就是工业化的产品，就像我们买电视机一样，就是我们是定制的，但是拿回家去调试一下，换一个地方就可以使用，这才是真正的工业品。所以未来一定是AIT驱动化的方式，所以我建议我们要做产业化，一定要进行IPD、ISC、AIT这种流程的再造。

商业航天企业最终的指向一定是商业应用。过去我们做了很多，但是对于卫星应用更多是概念性的，对toB和toC具体应用、对盈利的商业模式考虑的不多。未来的商业航天不管是什么样的星座，首先要探索如何为企业和大众提供服务，如何形成成熟的商业模式以获得盈利，在此前提之下，我们再考虑需要研制什么样的卫星？需要什么样火箭？需要什么样的发射服务和测控服务。只有通过产业链联动起来，大家联合去设计，才能把这个产业做好。

例如最近SpaceX发射一箭60星，相信如果这些卫星不是SpaceX自家的，而是其它企业的卫星，是很难发射的。因为我做火箭很多年，长征11号火箭曾经搭载商业客户的5颗卫星，包括1颗视频星和4颗高光谱卫星，如果按照传统的方式是发射不了的。长11团队当时与客户团队联合攻关了近3个月时间，完成后运力余量不到1公斤。靠的是星箭的联合设计、仿真和地面试验。如果没有一开始的联合设计，对火箭方来说，会导致运力的浪费，对卫星方来说，发射效率也会非常低，成本会增加。所以说，商业航天的发展应该是全产业的联动，只有全产业联动起来，大家遵循一个准则，在标准、接口统一的基础上，在公平公正的市场规则之下，才能把整个产业做起来。