7月12日,航天业再度迎来密集大消息。
一是朱雀二号发射成功,其是全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭,标志着我国运载火箭在新型低成本液体推进剂应用方面取得突破。
二是,我国载人登月初步方案公布。中国载人航天工程办公室副总师披露称,我国计划在2030年前实现载人登陆月球开展科学探索。
央视报道称,近年来,中国的商业航天产业快速发展,一批重大项目持续推进实施。在12日召开的第九届中国商业航天高峰论坛上,发布了包括超低轨通遥一体星座、四维地球遥感云服务平台、珞珈二号毫米波SAR遥感应用系统等在内的7个商业航天重大项目。
商业航天开启大年
事实上,今年以来,国内外航天业均在加速发展。
7月初,央视曾报道称,我国成功发射卫星互联网技术试验卫星。而中国低轨卫星互联网星座(中国星网)预计明年上半年开始执行发射。这是中国星网工程首次公开披露预计发射时间,被外界期待2年之久的“中国版星链”有望开始落地实现。
4月,“星舰”尝试首飞,但火箭在起飞后约4分钟意外解体,但行业及分析师认为,此次试飞意义仍重大:实现了推力结构、发动机技术、控制辅助系统设计等多种技术创新。
今年3月,人族一号(Terran 1)首次发射升空,其85%的零件均为3D打印,此次发射,首次向全世界展示了全3D打印的火箭可以承受最恶劣的轨道发射条件。对3D打印技术应用与增材制造行业而言是一个重要的里程碑。
同月亚马逊发布了Kuiper的卫星互联网用户终端工程模型;据其表示,计划于2023年底前开始大规模量产卫星,在2024年上半年发射第一批卫星。
2月14日,欧洲议会全体会议通过了欧洲议会和理事会制定的关于安全连接计划提案,旨在到2027年部署一个欧盟拥有的通信卫星群,为欧盟国家提供自己的宽带卫星网络。
华泰证券表示,全球商业航天大年开启,中国企业有机会在全球占据重要一席,尤其是在火箭发动机技术与可回收技术等方面有望实现突破。
发动机成本占比近半,液氧甲烷或成为主流火箭推进剂
火箭技术长期存在着“固液之争”,即固体火箭和液体火箭哪个更适合航天发射:液体火箭具有更高的比冲,运力优势显著;固体火箭无需加注,发射周期明显短于液体火箭。
而中大型固体火箭研制短期难以突破,随着卫星组网对大运力的需求快速增加,液体火箭将成为商业航天主流箭型。
据朱雀二号副总设计师表示,液氧甲烷在将来低成本商业化运载火箭可重复这样一个使用场景下,具有非常大的优势。
事实上,火箭发动机价值量占比过半,在一次性使用运载火箭成本构成中,发动机约占总成本的54.3%,箭体结构约占总成本的23.6%,电气系统约占8%,阀门管路及执行机构约占8.1%,点火、级间分离等火工品约占5.3%,推进剂成本约占0.7%。
作为火箭中价值最高的部分,发动机能否满足重复使用需求是火箭回收的前提条件,而火箭回收是商业航天降低成本的必由之路。
目前三种液体推进剂(液氧煤油、液氧甲烷、液氧液氢),均满足发动机重复使用基本需求,但各有优缺点,
从材料上看,
液氧液氢制造、贮存成本高,液氧煤油易结焦、难复用,两种推进剂均无法满足“物美价廉”的商业需求。
液氧甲烷推进剂比冲性能介于液氧液氢推进剂和液氧煤油推进剂之间,密度比冲较高,能有效提高火箭运载能力。在所有烃类燃料组合中,液氧甲烷发动机自洁净性较好,是最不容易结焦和积碳的,利于回收可重复使用。
从发动机上看,
液氧甲烷发动机成本低、性能适中、结焦少、与液氧沸点接近。
液氧煤油发动机成本低、推重比高,但由于煤油易结焦,自蒸发能力最差,返航后处理复杂、复用困难。
液氧液氢发动机由于性能高、可检测维修、推进剂洁净无结焦、返航后易处理、推重比高、燃烧稳定性好等易于实现重复使用,其重复使用性最佳,但推进剂制造、贮存成本高。
SpaceX“星舰”采用的也是液氧甲烷方案,在今年4月的飞行中,“星舰”实现了33台液氧甲烷发动机的并联。
此外,科学家们已经在诸如火星、土卫六等星球上发现存在液体甲烷“海洋”,如果未来开展星际航行,或可直接从目标星球获取液体甲烷作为燃料。华泰证券认为,液氧甲烷火箭推进剂综合优势突出,液氧甲烷发动机或为民营火箭公司未来一致选择。