中国商业火箭的前世今生与未来

　　长征二号、三号、四号都是从液体武器型号衍生而来。用固体武器型号衍生一种小型商业火箭，同样是对传统的继承。
　　中国商业火箭的前世、今生与未来
　　文 | 刘语霏 王文浩
　　本文原载于《卫星与网络》杂志2020年11月刊
　　1990年4月7日，乳白色的长征三号运载火箭矗立在西昌卫星发射中心的发射工位上。深夜，火箭顺利起飞，把美国休斯公司制造的亚洲一号通信卫星送入地球同步转移轨道。那是历史性的一刻，中国的航天终于迈进了商业化的大门。
　　从亚洲一号的发射到现在，中国航天商业发射已经走过了30年的历程。从国家队出国承揽发射任务，到整星出口在轨交付，再到商业火箭、商业发射服务公司的出现，中国的商业发射已经走完了自己的＂前生＂，正在＂今世＂当中上下求索，以求更加宏大的＂未来＂。
　　过去之一：从发射外星到在轨交付
　　上世纪80年代中期，中国就在返回式卫星发射项目中，为国外搭载空间研究的有效载荷。对国际发射服务市场的了解越深入，中国航天人就越加清晰地认识到，用中国火箭给国际市场提供发射服务，是有前景和希望的。从亚洲一号开始，由中国长城工业总公司向国际市场承揽发射服务，先后为世界多个运营商发射了美国、欧洲制造的通信卫星。1999年，美国抛出《考克斯报告》，对中国的国际发射服务业造成了严重影响。但同时，东方红四号等卫星平台的成熟，使中国具备了整星出口能力。2007年，尼日利亚一号卫星的发射，标志着中国发射服务业进入一揽子服务、在轨交付的阶段。
　　回顾这个时期的航天发射服务，有几个特点：用来执行发射任务的火箭，是中国运载火箭技术研究院提供的；具体的服务商是中国长城工业集团有限公司（即中国长城工业总公司，2011年更名）。其次，30年间，发射了52次（含搭载、中外合作卫星、出口卫星和进口卫星）。这个发射成绩取得不易，尽管数量偏低，但与那个时代卫星体积大、制造数量少、小卫星尚未兴起，有直接的关系。其三，周期长。从签订合同到发射卫星，往往需要几年的时间，这是传统模式下卫星、火箭、发射场技术流程所决定的。
　　直到今天，这个时期的商业模式并没有完全消失。随着中国卫星制造能力的增强和整星出口能力的具备，中国航天科技集团有限公司依然在用大型火箭为市场提供长周期发射服务。
　　但，就是在这个阶段，随着小卫星技术的进步和国外商业航天的兴起，新的发射服务商业模式开始在中国萌发。进入21世纪后，长征系列火箭搭载发射国内外小卫星的频率越来越高。2010年后，小卫星呈现出进入业务主流的趋势，出现了一大批基于小卫星的商业星座创业企业。传统的不定期搭载发射已经不能满足小卫星产业的需求。
　　这个问题在中国体现得更为突出。作为主力的长征火箭，承担着繁重的国家任务。新兴的商业卫星企业财力有限，很难把获取发射服务的机会寄托在国外火箭身上。对中国商业火箭更强烈的需求已经呼之欲出。
　　过去之二：长征十一号的诞生
　　2010年前后，国内有单位提出，利用现有导弹技术基础，研制一种小固体燃料火箭发动机的小型运载火箭。这启发了航天科技集团公司的领导，航天科技同样掌握了大直径固体火箭的基本技术，能不能在武器型号的基础上开发一种航天运载型号呢？
　　另外，美国当时已经提出了快速响应航天概念，也就是著名的ORS。这将从根本上改变航天发射活动的理念，中国有必要紧紧跟上。
　　集团公司领导经过考虑，认为当时正在负责某固体型号的杨毅强是最合适的人选。杨毅强对这个新的任务没有什么思想准备，＂商业运载火箭＂和＂发射服务市场＂，是另一个部门的业务。但是从技术发展的脉络上，这是顺理成章的。长征二号、三号、四号都是从液体武器型号衍生而来。用固体武器型号衍生一种小型商业火箭，同样是对传统的继承。让固体型号的负责人来承担这项工作，当然再合适不过了。
　　（图）杨毅强，长征十一号火箭首任总指挥，现任中国科学院空天飞行科技中心主任、北京中科宇航探索技术有限公司董事长
　　当时，这个型号还没有命名。项目组就以＂小型固体运载火箭＂为题展开了工作。团队通过调研认为，小卫星和快速响应发射有着不可忽视的前景。团队以＂组网，补网，重构＂六个字，抓紧一切机会向集团公司领导和用户单位宣讲。集团公司对此高度重视，组织了评审专家组。经过评审之后，集团公司办公会快速通过、立项。中国运载火箭发展的一条新战线就这样开辟出来了。
　　那么这种火箭到底该叫什么名字呢。一开始的时候，人们给她起了个名字叫长征-GT，也就是＂长征-固体＂。有人开玩笑地称为＂长征-个体＂。杨毅强回忆说，当时长征九号还没有立项，但是集团公司考虑，＂九＂在中国文化中表示最高、最大，不适合给小火箭使用。于是杨毅强说，＂我们另起一行，长征十一＂。这个名字就这样定下来了。
　　长征十一号火箭在车间里（图源 | 中国运载火箭技术研究院）
　　过去之三：坎坷市场路
　　在长征十一号研制过程中，小卫星的发展并没有人们想象的快。即使在体制内，也有相当一部分领导对长征十一号的市场前景表达了忧虑。当时，集团公司一位同志问杨毅强：你搞长征十一号，你的发射计划在哪？给谁发射，发射什么？
　　这样的问题，体现了传统航天的思维方式。有卫星任务、有明确的部署计划，才能制定火箭的研制方案和研制计划。虽然当时集团公司已经开展了国际发射服务的承揽，但是如果一种用国有资本研制出来的火箭因为找不到市场而闲置，在商业上就是失败的。当时国家任务小卫星数量并不多、进度不算快，长征十一号团队必须回答这样一个问题：未来固体火箭向何处去？
　　既然长征十一号是作为商业火箭立项的，那么就必须向市场寻求出路。从2015年开始，杨毅强带领团队，广泛拜访了第一批商业航天企业，包括长光卫星技术有限公司、北京国电高科科技有限公司、珠海欧比特宇航科技股份有限公司等企业的负责人。这是当时集团运载火箭型号当中，第一个把国内商业卫星当做主要服务对象的。
　　谈及这段历史，杨毅强笑着说：＂在那段时间里，只要得到一个客户的消息，我们就会第一时间带着一份中英对照的火箭手册和一个火箭模型去拜访＂。
　　其中的一次合作让长征十一号团队印象深刻。欧比特公司研制的珠海一号星座的卫星，单颗质量还不到100千克，10颗卫星总共不到1吨。如果用当时国内的任何其他型号火箭来发射，都是大马拉小车。搭载发射又不能满足星座组网进度要求。长征十一号团队经过研究，认为可以用两次发射来完成。但按照传统火箭运力和整流罩内部设置，是做不到的。
　　经过几个月反复论证，双方设计了一个听起来就很惊险的一箭五星方案，火箭的运载能力只有0.9千克的余量、卫星之间的间隔只有毫米级！但，＂两次发射都非常成功！＂欧比特公司的董事长颜军现在谈及，语气中，仍然透着当年的兴奋。
　　就是在这样的合作与磨合中，市场对这个型号的了解越来越多。不少专业人士评价：如果没有长征十一号，就没有中国的商业火箭，就没有中国商业航天的今天。
　　（图）装载着5颗珠海一号卫星的长征十一号火箭
　　现在：中科一号和中科宇航
　　长征十一号是中国第一种真正意义上的固体运载火箭，也是同时期型号中最晚立项、最早发射成功的。截止2020年12月10日，11发长征十一号全部发射成功。
　　长征十一号的发展和使用，证明了固体运载火箭在主流发射市场上能够占有一席之地。也证明了，真正的商业发射服务市场必须开发出一种全新的、适合商业航天本质的模式。它是对传统发射服务模式的继承，但同时，也必须有创新性、甚至颠覆性的发展。服务商不能只是拿成熟火箭小修小改来提供服务，而是要积极满足市场对低成本、短周期、强适应性的需求，要根据市场需求积极研制全新概念的火箭和发射技术。
　　2018年底，中国科学院决定成立空天飞行科技中心。有关的背景，是中科院更加深刻地参与了航天活动，从过去的支持与协助，进入到了自己提出和抓总一些探索性、前瞻性型号。同时，中科院的具体研究所、课题组和科研人员，也在关注一些突破性的关键技术。要让这些技术落实到应用上，就需要成立一个实体。
　　与此同时，中科院已经在火箭相关领域突破了很多关键技术、形成了大量科研成果。但是其中相当大的一部分没有应用机会，这与NASA的情况非常相似。NASA通过SBIR/STTR（小企业创新研究/小企业技术转移）机制和SPINOFF（技术转让计划）机制，大量把技术成果转化给商业企业。对中科院来说，至少航天方面的成果还没有这样的转换机制。
　　科学卫星的研制和发射需求，也对传统运载火箭和发射模式提出了新的挑战。随着平台技术的成熟，卫星已经从围绕平台开展设计，演变到了围绕有效载荷开展设计。中科院在科学领域的很多研究需求，最后要落实到实验设计上，而实验器材就是卫星的有效载荷。现有的卫星平台和火箭，在技术和进度上，都不能与实验器材匹配得很完美。中科院需要自己开发卫星，进而需要为自己服务的运载器。
　　经过反复探讨，人们提出了这样一个模式，建立一个混合所有制的火箭公司，把中科院、特别是力学所的有关科研成果逐步转化到火箭公司里，形成一种全新理念的火箭，首先为中科院的卫星发射任务服务，进而走向市场，为国内外卫星业主提供高水平的发射服务，建构并形成商业发射服务市场的新格局，推动航天技术更快、更好地服务于人民生活和社会发展。
　　经过仔细筹划和运作，北京中科宇航探索技术有限公司正式成立，由杨毅强担任法定代表人，承担起了从科研界到产业界的成果转化角色。中科宇航目前正在通过多渠道的成果转化，研制中科一号系列固体运载火箭，并将在2021年内进行首次发射。届时，这枚世界上最大的固体燃料运载火箭，将为商业航天展示一个完全不同的未来。
　　（图）中科一号甲（ZK-1A）固体运载火箭示意图及相关参数，该火箭计划于2021年首次发射
　　站在未来的门槛上
　　在可预见的将来，人类依然要靠化学能火箭进入宇宙。火箭的运载能力，依然不能突破化学燃料比冲的限制。但这并不意味着火箭制造者们没有发挥的余地，马斯克已经为我们证明了，传统火箭依然有大量的潜力可以挖掘。今天的火箭在结构、材料、控制、燃烧效率、可重复使用、生产规模效应、发射活动的流程优化等诸多方面，还有大量值得突破和颠覆的地方。
　　随着地月经济逐渐成为现实，人类对航天发射的需求可能要比现在扩大许多倍。从地球到月球、拉格朗日点、近地小行星之间的人员往返，空间基础设施建设所需要的物资、设备送达，外星球或者空间产品的返回地球……将需要更多、更强的发射服务，需要远比现在更大的运载火箭。有人曾经用波音737客机作为样本，提出对未来天地往返运输系统的设想：运载比尽量高、能每天不间断地频繁使用、价格低廉、维修和保养简单。
　　这其中的实质，是航天要回归工业化的本质。只有为大众服务，才能成为真正的工业技术。如果航天仅仅满足于为大客户发射几颗卫星的需要，显然是不够的。一定是为普通大众服务，航天才成为工业技术，才能从一个工艺品变成一个工业品，才能产业化。商业航天本身实际就是航天本身工业化的回归，就像飞机从有钱人的竞赛玩具到军事用途，再到今天普及化的民用航空一样。也像汽车一样，在经历了这样的一个过程后，走进了千家万户。航天只有商业化，才能走下神坛，走入寻常百姓家。
　　虽然火箭不可能达到波音客机那样的运载比，但是大大降低使用成本和提高飞行频率，却是应该追求和实现的。
　　所有这一切，都要从脚踏实地提高火箭技术水平和服务水平开始。按照中科宇航的设想，今后不但要实现中科一号系列火箭的高频率发射服务，还要探索机动式海上发射的可能性，用一艘巨轮装上几枚火箭，航渡到卫星制造设施的附近，为卫星业主提供就近发射的方便。在这个过程中，企业将积累团队、知识、能力和资金，为大型甚至重型火箭的研制，为新概念发射手段的研制奠定基础。
　　大势所驱，迎头而上，为识时务者。但，其中最值得鼓励和支持的，是敢于大胆创新、勇于进取和不断挑战的精神与文化。
　　这，何尝不是商业航天的希望与未来。
　　后记：
　　无论佛家还是道家，都有着三生三世的说法。具体到三世，则有过去、现在、未来三世。
　　其实不仅仅是人，一个产业或者一个细分市场，同样可以用过去、现在、未来的理念来看待和理解。
　　中国的发射服务产业从走向国际市场、初试啼声，到回归国内市场、为商业航天提供支撑，已经走完了自己的前世，正在今世当中奋力求索，未来如何，还需要今天的我们，共同携手去创建。