大讨论重现？固液之争兼论固体火箭商业化的价值和紧迫性

　　作者 | 《卫星与网络》李刚
　　一、  历史大讨论再次浮现
　　（一） 追求运力，液体火箭先胜一筹
　　在火箭技术领域，长期存在着所谓＂固液之争＂。也就是固体火箭发动机和液体火箭发动机，哪个更适合作为航天动力？
　　上世纪七八十年代，曾经有过一场影响深远的＂固液＂火箭发动机技术选择的大讨论。
　　双方支持者各执一词。液体派认为，液体发动机的导弹在运输时燃料储箱是空的，总体较轻，运输车辆的负荷较小，工程上更易实现。至于燃料，在发射场里加注就可以了。固体派则认为，固体火箭的燃料是在车间里浇铸完成的，不需要考虑燃料加注的问题，运输队伍精干，起竖后经过简单检测就可以发射。双方各自强调的优点，正是对方的软肋，讨论一时相持不下。
　　液体燃料、固液混合燃料、固体燃料宇航运载器的典型代表（由左到右）：土星五号火箭、航天飞机、长征十一号火箭
　　由于液体燃料具有更高的比冲，对宇航发射来说意味着更高的优越性。而且航天飞机助推器的研制和使用实践证明，超大直径固体发动机对运输环节造成的困难确实比较大。其主要症结在于，固体发动机的燃料是在出厂时已经浇铸好的，因此运输时，要把火箭本体和燃料一起装上平板卡车，小心翼翼地把几十吨重的庞然大物驶上公路，千里跋涉前往发射场。但是，卡车和公路的承载能力是相当有限的，这就限制了出厂的固体火箭总体重量，进而限制了火箭的运载能力。用同样的卡车、同样的公路运输液体火箭，只需要运输一个空壳。到发射场加注燃料之后，就可以成为一枚远比固体火箭运力强大的发射工具。
　　于是，在全球范围内，运载火箭主要使用液体发动机这个技术路线就此确定下来。中国航天先后研制了＂偏二甲肼+四氧化二氮＂和＂液氧+液氢/煤油＂两代发动机，支撑了长征二、三、四、五、六、七运载火箭，取得了辉煌的成就。
　　然而就在这个时期，依然有一些固体火箭的型号在研制和使用。其中小型火箭包括美国的飞马座、金牛座等型号，大型火箭包括日本的M5、艾普斯龙、印度GSLV MARK III助推器等。这些型号，有的是为了满足小型卫星零星发射需要，有的是为了突破和掌握大直径固体火箭发动机技术，但都没有成为世界航天发射市场的主流。
　　（二） 快速响应，液体火箭力不从心
　　固体发动机就此无缘航天发射市场了吗？随着技术的发展和历史的变迁，这个似乎已有定论的旧话题再次呈现出新的意义。
　　进入90年代后半程，小卫星开始成为航天业的热点。在小卫星的概念下，衍生出了微卫星、纳卫星、皮卫星等诸多理念。由于这个时期小卫星的实用性有所不足，所有者们尚满足于耐心等待火箭的搭载机会。
　　然而，一场突如其来的战争改变了这一状况。9.11事件后，美国发动反恐战争，复杂的战事和日益增加的伤亡，让美国军队在战术层面上对天基系统产生了前所未有的强烈兴趣。各种类型的侦察卫星、通信卫星为美军提供了巨大的信息优势，但在旺盛的需求下也暴露出发射流程长、信息处理周期长的弱点，对战术部队来说，经常发出＂远水不解近渴＂的抱怨。
　　为此，美国国防部提出的＂作战快速响应航天＂（ORS）项目，致力于小型卫星的快速建造和发射。ORS的工作在美国乃至全世界范围内引发了对小卫星和小火箭的热潮。
　　美国国防部＂作战快速响应航天＂（ORS）项目相关说明
　　正是小卫星的兴起，让人们重新把目光聚焦到运力较小的火箭上。
　　从国际航天的视角来看，小卫星在近20年里取得的进展，远远超过了小型火箭，特别是立方星标准的提出，给一大批大学、科研机构提供了清晰的框架，让涉及卫星系统规划、研制、发射服务和运营的各方能够在相同的技术标准框架下交流与合作。从1999年立方星标准的提出到2020年1月，已经有超过1200颗立方星入轨，每年发射的立方星数量都高速递增。
　　维基百科统计的2003~2018年累计发射立方星数量
　　但快速发射火箭的研制却步履艰难。在美国ORS计划下一共使用过三种火箭，其中包括猎鹰一号、轨道科学公司的米诺陶火箭和夏威夷大学的＂超级思迪比＂。然而现在猎鹰一号已经下马，＂超级思迪比＂仅发射了一次，就以失败告终，至于米诺陶火箭，我们下文再表。总的来说，ORS的快速发射的努力并不成功。
　　为了解决问题，美国国防部高级研究计划局（DARPA）从2016年开始组织＂快速发射竞赛＂，在经历了多次坎坷之后，最后只剩下一家叫阿斯特的公司还在努力，然而这家公司也没有取得成功，竞赛最终在2020年初宣告流产。目前，西方世界已经投入使用，并且具有快速发射潜力的，只有新西兰人彼得•贝克发明的电子火箭，贝克曾经希望电子火箭能够每72小时发射一次，但目前还远未实现。2019年，＂电子火箭＂仅发射了6次；2020年截止12月15日，也只发射了7次。
　　其中的原因也很简单，就在于这些火箭多数都采用液体燃料。
　　以＂快速发射竞赛＂为例，液体火箭天然就有发射准备时间长的问题。DARPA给快速发射竞赛提出的要求是，提前两周通知发射位置。参赛者要在两个星期的时间里，把火箭和支援保障设施拉到指定发射地点，完成燃料加注、星箭对接、综合测试等一系列工作，最终成功发射。阿斯特公司曾想尽办法压缩准备流程，但在3月2日发射前的最后一刻，发现箭上GNC系统不正常，只能放弃。
　　如果是采用固体发动机的运载火箭，情况就会有很大改变。在极限情况下，固体火箭可以装好卫星、做好一切准备，接到发射要求后，在不超过一个小时内起飞。如果用来发射卫星，考虑到卫星的准备时间和空域使用的协调，把准备时间放宽到一个星期也是可以接受的。
　　如此简单的道理，美国人难道不明白吗？事实上，只是做不到而已。
　　（三） 固体运载火箭，美国为什么兴趣不大
　　为何如此，原因并不复杂。
　　冷战结束后，美国的＂侏儒＂导弹下马、＂和平保卫者＂导弹停产撤编。曾经参与上述导弹研制的几家企业纷纷被收购，研发和产能严重萎缩，情况最严重的专业领域就是固体发动机。最终，美国只剩下一家能够生产大直径固体发动机的企业，就是诺斯罗普•格鲁曼。大直径固体发动机的客户只剩下了航天飞机助推器、米诺陶火箭、飞马座火箭、地基反导拦截器等几个有限型号。以米诺陶火箭为例，从1994年到现在，一直保持着低速的生产和发射频率，最活跃的2011年也只发射了5次。当航天飞机退役后，情况更是雪上加霜。
　　美国要想把产业基础恢复起来，绝不是那么容易的事情。美国空军在为下一代洲际导弹合同招标时，经过几轮竞标，决赛时只剩下了诺格公司和波音公司，但就在最后关头，波音居然退出了，原因是波音也没有大型固体发动机产能，就算波音拿下了合同，也要向诺格购买发动机，与其为别人做嫁衣裳，不如放手。几乎同时，美国空军还开展了新一轮＂渐进一次性运载器（EELV）＂（2019年3月已改名为＂国家安全航天发射＂，NSSL）的竞标，有三个竞争者的三个型号系列进入决赛，分别是ULA的＂火神-半人马座＂、太空探索技术公司的猎鹰九号和诺格公司的＂欧米伽M＂。前两者都是液体火箭，唯有第三种是固体火箭。然而当诺格公司获得美国国防部下一代洲际导弹研制合同、拿到一千多亿美元订单之后，立刻心满意足，终止了＂欧米伽M＂研制。也就是说，美国的固体火箭产业只能满足一个方向的需求，不是运载火箭就是洲际导弹。这也解释了，美国的商业航天企业为什么很少讨论固体火箭解决方案。
　　太空探索技术公司如今是西方商业发射市场上的领头羊。猎鹰九号和重型猎鹰的成功，在国际航天界掀起了一片跟风的潮流。几乎所有人都在讨论重型火箭、液氧甲烷发动机和可重复使用的话题。
　　然而，火箭毕竟是一种用来实施发射服务的工具，满足用户的需求才有其最根本的存在意义。在很多情况下，用户需要一种发射准备时间短，可以灵活选点机动发射的火箭。这正是美国国防高级研究计划局快速发射挑战赛的初衷。然而，由于固体火箭供应能力的缺失，美国人在快速响应发射方面的努力迄今未能有实质性的进展。而液体火箭无论怎么压缩制造和准备流程，在响应速度方面也是绝不可能和固体火箭相提并论的。
　　美国做不到，中国能不能做到呢？
　　二、  中国固体火箭的优势和机遇
　　由于在大直径固体火箭发动机研制上的长期投入，中国固体运载火箭正处在一个非常有利的态势下：固体火箭的产能已经建立起来并且运转良好，服务于生产线的管理者、设计师、工艺师、工人技师队伍完整；主要分系统和关键元器件供应链完整而强大，质量合格、成本可控。用这些成熟的技术和产能研制不同等级的固体运载火箭，提供快速发射服务，正是商业航天的题中应有之义。
　　这种思路的第一批成果，就是已经发射了多次的长征十一号火箭、快舟一号火箭和新研制的＂捷龙＂系列火箭。其中，长征十一号火箭于12月10日刚刚进行了第十一次的发射，全部十一次发射均获得成功。该火箭还开创了中国海上发射火箭的新领域，并且承揽了国际发射业务。
　　固体火箭在快速发射上的应用价值，简单说就是随时发射、随处发射，以下简称＂两随＂。＂两随＂给发射服务商和卫星运营方带来的好处有两个。
　　首先是可以做到＂火箭等卫星＂，在军用领域，固体火箭可以实施类似于美国国防部＂快速响应航天＂的发射；在民用领域，固体火箭可以对大型星座等重要空间基础设施进行应急补网发射、时间敏感性自然现象的应急科学探测发射、灾害处理卫星的应急发射等。这给卫星运营者带来的优势是极为显著的。
　　其次就是可以自由地选择发射窗口、自由地选择发射位置，具有远远超过液体火箭的优势。从理论上说，只要解决了空域使用和落区安全的问题，固体火箭可以在荒滩、戈壁、大海上起飞，暑假期间租用学校体育场发射也不是不可想象的。
　　这一切，都是马斯克那条技术路线所不能做到的。
　　就此而言，用中国自己的资源，开发自己的固体火箭，做好中国自己的商业航天发射服务，建立一个具有强大国内国际竞争力的产业生态，是创业者们的现实选择，也是历史责任。
　　三、  大力发展商业固体火箭一举多得
　　虽然我们已经有了优秀的长征十一号，但是国内固体火箭的制造能力却远远没有＂吃饱＂，巨大投资形成的资产和积累起来的技术成果，还没有实现自己的商业价值。而解决大型固体火箭的商业化问题，将形成一个多赢的局面。
　　第一，国家投入巨资形成的固体火箭产能，可以转变成产生经济效益的发动机。
　　在可预见的将来，国内外中小卫星发射市场依然会保持繁荣，是值得投入的市场。据我们在学术领域的调查发现，有志于空间辐射环境研究、微重力研究、空间生命科学研究、空间材料科学研究等领域的大学、研究机构相当多，他们的需求已经催生了日益繁荣的立方星市场，随之而来的就是对发射服务的需求。这种需求对发射的时效性要求很高，小型科研项目的周期往往在1~3年，攻读学位的周期往往是硕士30个月、博士40个月，也就是说，学者们要用一定的时间来完成立项或者立题、理论研究和设计、样机制造和调试，飞行试验之后还需要时间来完成数据分析和结论，最后还需要时间来撰写论文和发表，如果是攻读学位，前期还要有理论课学习的时间。留给发射和在轨飞行的时间是很紧张的，假如学者们需要等上半年、一年甚至更久才有机会发射，能不能按时结题、毕业都是个很大的问题。
　　第二，固体火箭商业化，也能增加国内发射服务供应，为商业小卫星星座提供更多的入轨机会。
　　目前，国内商业航天市场上已经出现了大量的小卫星创业者。这些企业同样需要按照自己的商业计划书及时发射，假如让他们苦等发射机会，星座建设进程达不到预期，或许就会错失用户市场，进而失去资本的支持。
　　第三、固体火箭并不局限于小型火箭，在有关技术突破之后，固体火箭同样可以开发出大推力、大运载能力的型号。
　　航天飞机的固体助推器就是最典型的案例。其他发射服务商同样可以通过技术进步来开发大型固体火箭，承担大型载荷发射、一箭多星发射等任务。国内已经有机构正在朝这个方向努力，例如北京中科宇航探索技术有限公司（简称＂中科宇航＂）研制中的两型火箭。
　　中科宇航发布的中科一号（ZK-1）及中科二号（ZK-2）火箭，低轨道运载能力达到2~4吨。
　　四、  固体火箭商业化时不我待
　　为了充分利用中国在固体火箭发动机制造能力方面的潜力，在长征十一号、快舟和＂捷龙＂火箭之外，我们需要有更多中国企业站出来，充当产业龙头，更加充分地把固体火箭的产能和科学、商业领域的需求对接起来，在市场和技术两个问题上起到建立者和培育者的作用，创造出属于中国自己的商业发射产业生态，进而为商业航天大产业生态的建设和航天产业国际化起到推动作用。
　　这正是中科宇航正在实施的战略，这家混合所有制企业打算充分调动中国科学院系统在机械、电子、计算机、控制、光电、雷达等多个领域的科研能力，跨系统协调固体发动机研制相关单位的资源，开发一系列快速发射的固体火箭，为科学界和商业界提供稳定、可靠、及时的发射服务。
　　中科宇航拥有一个熟悉业务和流程的团队，董事长杨毅强，曾担任长征十一号首任总指挥，对跨系统合作和总体协调相当娴熟。此外，固体战略导弹研发相关企业在商业代工方面采取了非常开放的态度，一些民营火箭公司前期发射活动就在商业代工框架下，得到了体制内企业的有力支持，因此，中科宇航的战略是具有可操作性的。
　　现在的问题是中科宇航研发的速度够不够快，能不能抓住固体火箭科研生产能力的巅峰期，顺势而为，把产业生态建立起来。按照中科宇航的计划，其正在研制的中科一号（ZK-1）火箭系列能够达到2~3吨的500千米近地轨道运载能力，中科二号正在瞄准500千米近地轨道4吨运载能力的方向前进。2021年，中科一号的第一枚火箭就要试飞。对这个时间表，我们还是有理由抱着乐观态度的。