对中国商业航天发展趋势及投资机会的思考 ——发动机篇

截止2020年3月，Space X已经累计发射了6批次合计360颗Starlink宽带物联网星座卫星，这预示着太空空间资源的争夺已经变得越来越激烈。作为支持航天产业发展的基础环节，发射一直都被认为是制约行业快速发展的瓶颈。而火箭发射中最重要的组成部分正是动力源泉——发动机。因此本篇作为我们商业航天系列文章中的一部分，将重点分享一些我们对于火箭发动机细分行业的一些思考。基于此，本篇文章我们将重点讨论以下几个核心问题：

• 为什么要关注火箭发动机？

• 火箭发动机的分类，未来技术发展趋势是什么？

• 如何看待液氧煤油和液氧甲烷技术路线选择？

• 火箭企业自研发动机和独立发动机公司间的关系？

• 从哪些维度来衡量火箭发动机公司优势？

为什么要关注火箭发动机？

除了作为核心的产业链战略环节外，从投资角度来看，发动机细分赛道还在以下几个方面具备独特的价值：1）发动机成本占目前火箭整体成本最大，动力部分低成本化是整个行业发展的基础根据美国联合发射联盟（ULA）的统计，火箭的动力部分占总体成本在40%-60%的比例，是整体成本占比最高的部分。尤其是一级发动机，占成本比例超过50%。因此有效地降低动力成本是未来商业航天发展的重要基础，也是目前限制行业进一步发展的瓶颈。以Space X为代表的航天企业带动美国商业航天产业快速发展，目前已实现高可靠、可回收发射服务，正是在动力方面实现了显著的成本降低。

注：United Launch Alliance (ULA,美国联合发射联盟)

2）发动机技术壁垒比较高，一旦突破有机会获取更高超额收益火箭发动机，尤其是液体大推力发动机具有很高的技术壁垒，中国体制内一款液体发动机研发时间至少需要8-10年时间，Space X一款发动机研发也需要至少5年时间，因此完成一款液体发动机研发将建立很高的竞争壁垒，一旦技术实现突破，有机会获取更高超额收益。3）火箭发动机技术具备应用外溢性，在很多其他领域有更丰富应用潜力无论小型固体火箭发动机还是中大型液体火箭发动机，发动机技术都具有很大的技术外溢性，通过一定改进可以将技术外延到民用等其他领域。固体发动机技术和军用装备中导弹技术具有很大共通性，经过改进可以用于导弹的动力源。而液体发动机中一些关键阀门、特种泵、燃烧装置等则和民用相关技术也有非常大的转化效应。尤其目前一些关键低温泵技术，在运输、转运低温LNG、LPG等液化石油气上具备非常大应用空间。参考行业数据，一般发动机与衍生民品营收比例为1：2，因此在民用领域，通过对火箭发动机技术改进，有机会拓展更大应用市场。 

火箭发动机的分类，未来技术发展趋势是什么？

如果按照用途来讲，火箭发动机有很多种，本部分我们重点讨论大推力火箭发动机，主要用于火箭发射一级动力，它也是技术壁垒最高，亟需实现技术突破的领域。1）固体燃料发动机技术壁垒较低，火箭运载能力较弱，未来中大型火箭仍以液体燃料发动机为主按照燃料推进剂不同，可以分为固体发动机和液体发动机。总体而言，固体燃料发动机技术壁垒较低，对应固体火箭相对运载能力较弱，可以长期储存，快速响应，发射地点灵活，在军用领域、自然灾害等紧急情况下使用意义重大，特别适用于在军事冲突满足军事现代化对快速响应和小卫星发射的要求。而液体发动机技术难度更大，运载能力更强，发射前期准备时间较长，主要应用于卫星组网、空间站建设、深空探索等领域。

目前中国以及国际主流火箭基本上都以液体火箭为主，液体火箭通过发动机技术的不断改进可以持续提升火箭的运载能力，并且有效降低单位重量发射成本。

2）液体发动机初期以挤压式技术为主，但技术路线限制发动机性能提升挤压式燃烧通过高压气瓶持续对燃料和氧化剂进行挤压，在燃烧室汇合后燃烧来获得推进动力。但是由于需要额外高压气瓶存在，因此在体积上占据很大空间，造成整体火箭空间利用率降低，另外发动机动力依赖于单位时间内可向燃烧室推入的燃料和氧化剂的量，量越大，燃烧越充分，推力越大，而高压气瓶所产生的压力是有上限的，并且持续时间有限，因此理论上很难持续提升推动力。

随着技术的进步，经过改进，通过泵压的形式则可对燃料和氧化剂进行持续加压推进，因此发动机技术向泵压方向转变。而泵压式液体发动机又可以进一步分为燃气发生器循环、高压补燃循环、全流量分级燃烧循环三大类。 3）燃气发生器循环，目前民营商业航天主流技术路线通过增加泵来增加燃料和氧化剂进入燃烧室的速率，驱动泵转动则来源于与其相连的涡轮机，而驱动涡轮机转动的能源则来自于火箭的小部分燃料。所有燃料和氧化剂在进入燃烧室之前有小部分先进入预燃室，在预燃室燃烧后驱动涡轮机转动带动燃料泵和氧泵转动，进而将燃料和氧化剂泵入燃烧室燃烧。这种液体发动机的驱动方式被称为燃气发生器循环。

从上图我们可以看到，由于燃料充分燃烧会产生3000度以上的高温，而涡轮机很难耐受如此高的温度，因此通过调节进入预燃室的氧化剂或者燃料比例可实现不充分燃烧，多余出来废气则通过废气喷管排出。燃气发生器循环的不足主要是燃料的利用率有损耗，尤其是不充分燃烧的废气直接排除损失了一部分能量，而为了加压增加涡轮泵的转速需要更多的燃料进入预燃室，这样则造成更大的燃料浪费，实验中转速到了某一个临界值，燃气发生器循环的性能反而下降。因此在此基础上，通过技术改进则出现了新型循环方式——高压补燃循环。 4）高压补燃循环，目前体制内主流技术路线高压补燃循环核心是将多余的废气重新注入燃烧室进行燃烧，实现燃料充分利用。高压补燃可以带来燃烧室室压大大提升，明显提升发动机推进效率。以煤油为例，高压补燃循环相比燃气发生器循环可以将燃烧室室压提升一倍以上，效果明显。

高压补燃循环还不是最高效率的循环方式，目前世界最领先的技术则是全流量分级燃烧，可实现最高的燃烧效率。目前Space X最新的猛禽发动机即采用这一循环方式。

• 富燃预燃室——驱动燃料泵

• 富氧预燃室——驱动氧化剂泵

综上所述，从技术发展趋势上看，未来大推力中大型火箭将主要采用液体发动机作为主动力，而液体发动机中不同循环方式带来的燃料燃烧效率和发动机推力则存在显著差异，目前商业火箭发动机能实现燃气发生器循环方式下的发动机研发，例如Space X梅林发动机主要采用液氧煤油推进剂进行燃气发生器循环。而国家队则大部分已近实现更高技术壁垒的高压补燃循环，例如中国的YF100液氧煤油发动机、俄罗斯RD-180液氧煤油发动机、日本LE-9液氢液氧发动机、美国RS-25液氢液氧发动机等。而作为最高技术难度的全流量分级燃烧循环方式，还没有一款完全成熟发动机实现过火箭发射，目前Space X猛禽发动机已完成全系统点火试车，预计2020年将装配在星际飞船原型上进行首次试验发射。 

如何看待液氧煤油和液氧甲烷技术路线选择？

纵观全球，航天发动机推进剂选择过程中大多集中在液氧煤油和液氢液氧两种推进剂，液氧煤油以俄罗斯（前苏联）、中国为主要实践国家，液氢液氧以美国、日本、欧洲（欧空局）为主要实践国家或地区。而液氧甲烷在过去几十年间很少被人们所关注，直到Space X宣布，其未来用于载人登月和火星探索所使用新型猛禽发动机将采用甲烷作为燃料推进剂，至此液氧甲烷路线再次被人们所熟知。不考虑液氢液氧的高成本、高技术壁垒外，我们重点对比一下液氧甲烷和液氧煤油两种推进剂发动机的优劣势，由此看未来的技术路线趋势如何。

如果列举两者的差异和优劣势，有非常多的维度可进行对比，上表简要列举部分指标的对比情况。综合而言，甲烷和煤油各有优劣，性能参数方面差别不大，对中国商业航天而言，我们可以从两个角度来看待对两者的选择——1）短期发展上，两者任何一个有突破都将具备非常大价值，对商业航天发展至关重要中国商业航天发展还处于比较早期阶段，我们和美国商业航天之间还存在很大差距，尤其是在低成本可重复使用运载火箭层面，因此短期看，无论是甲烷还是煤油，只要技术有所突破，那么对于我们实现可回收的低成本运载火箭都将具备很大价值。在技术方面，煤油的技术成熟度确实比甲烷要更完善，很多参数、指标、性能都有更丰富的数据参考，并且体制内的技术外溢性更好。但另一层面来看，如果采用燃气发生器循环，且初期不追求过大推力（超过100吨以上），甲烷的技术难度实际要比我们想象简单，Space X和蓝色起源的两款甲烷发动机一直没有完全成熟也是因为采用了技术难度更大的全流量分级燃烧循环和高压补燃循环路线，而且推力上更大，分别达到300吨和250吨。事实上国内民营企业研制的甲烷发动机已经取得了很大进展，技术突破在即。在成本方面，两者都具备可重复使用度，可有效降低火箭成本，但是由于煤油燃烧的结焦和积碳问题，实际可重复使用次数上比甲烷还是要低。因此如果两者在相同运载能力下实现可回收发射，甲烷的成本要比煤油更有优势。2）长期发展上，甲烷的优势更明显，煤油面临更大挑战如果参考美国商业航天发展，Space X作为绝对的行业领导者，它在未来商业航天上有更加远大目标，如深空探索、载人登月、火星移民等。若往返于地火之间，由于火星95%以上是CO2，通过CO2的裂解可以用来制备甲烷，但是却很难制备煤油，如果火箭在发射前还要装备需要返回所需燃料显然效率要低很多。因此甲烷对于航天产业长远发展来讲更具优势，当然目前这些也都是理论可能，我们只能抱有尽量乐观的态度去尝试和探索。 综合看，如果将长短期结合考虑，甲烷路线将更加具有继承性，我们短期的技术投入有助于为未来长期更大推力、更高难度液氧甲烷发动机的研发提供有效支持。从Space X选择看，也一定程度上说明甲烷路线可能更加有效，否则它完全可以延续之前梅林煤油发动机路线继续从燃气发生器循环向全流量分级燃烧循环转变。如果我们再上升到中国和美国商业航天竞争角度，中国在可回收火箭上实现甲烷发动机的突破，未来火箭发射成本可能比现在Space X猎鹰系列（使用梅林 1D液氧煤油发动机）更低，如果延续煤油路线可能只能一直处于追赶阶段。因此，我们认为坚持国产液氧甲烷发动机的研发对中国商业航天发展至关重要，希望在不远将来尽快看到中国企业在甲烷发动机研发上的突破。

火箭企业自研发动机和独立发动机公司间的关系？

• 俄罗斯RD-180液氧煤油发动机至今仍在向美国出售，作为美国宇宙神5号（Atlas-5）和安塔瑞斯号（Antares）火箭一级动力源

• 美国专业火箭发动机公司洛克达因为NASA提供火箭发动机

• 中国航天动力部分有独立的航天四院和六院负责

因此，和航天产业类似的航空产业链中，独立的发动机公司是独立存在的，单独对外提供产品，背后核心原因在于高技术、资源、人员投入的压力，促进了更高效率的产业链分工效应。

独立火箭公司对外提供产品，和下游客户是一对多的关系，因此更容易实现规模化，成本上可以做到更低。而从产业链分工角度讲，中国在商业航天尚处于紧急追赶阶段的时候，充分发挥产业链各环节的分工优势，各环节实现突破有助于行业更快速发展。历史数据表明一款大推力的稳定可靠液体发动机研发投入资金都要达到上亿甚至数亿元，体内一款液体发动机研发时间至少需要8-10年时间，Space X一款发动机研发也需要5年时间，因此完全依赖火箭公司自研发动机在资源、人力分配上可能面临非常大的挑战，而通过有效产业链分工有助于加速中国商业航天的快速发展。

事实上，Space X之所以要自研发动机，核心原因还是当时对外无法采购到低成本、高可靠、可回收的发动机产品，迫不得已才投入大量精力自研。而中国的火箭整体和发动机企业完全可以考虑进行有效的分工配合，实现快速追赶的目标。

从哪些维度来衡量火箭发动机公司优势？

下表列举了目前世界各国及地区主要发动机基本情况，从表中可以看到，从推力水平上中国发动机和国际领先水平还有很大差距，目前立项在研500吨液氧煤油和220吨氢氧发动机将达到世界先进水平，也将为中国登月和空间站建设提供支持。

1）技术参数方面，推力越大、比冲越高、推重比越高证明发动机性能越优越，深度变推能力范围越大更利于可回收技术应用推力越大意味着火箭动力越强，目前众多火箭都可能采用两台以上进行多级并联的形式来提升火箭的整体推力。比冲越高意味着火箭推力所能持续的时间越长，这样有助于将火箭推离更远的距离。推重比是火箭整体推动力和火箭重量的比值，数值越高同样意味着火箭性能越优越，加速效果越好，这一指标除了和发动机推力密切相关外，火箭整体设计同样重要。深度变推力能力范围越大，尤其是向下变推能力越大意味着火箭返回过程中可以更好的进行变推力调节，实现火箭稳定降落。向上变推力大则可以在多级并联情况中，如果单台发动机出现故障，通过调整其他发动机提升推力水平，弥补故障带来的推力损耗，实现火箭到达既定轨道的目标。2）研发阶段上，各部组件完成到完整全系统试车将验证产品性能火箭发动机一般由几大核心部件组成，每一部分可以独立完成，然后组装为整体发动机系统。以燃气发生器循环为例，发动机重点的四大核心部件包括点火器、涡轮泵、推力室和燃气发生器。

      燃气发生器循环示意图                           Space X梅林 1D火箭发动机

在研发过程中燃气发生器、点火器以及推力室需要经过单一部件的点火实验，而涡轮泵研发完成后则需要同其他部件组装后进行系统试车。一般实现全系统试车意味着一款发动机的研发基本完成，后续则需要进行多次、长时间的点火实验来保证发动机的稳定性、可靠性。火箭发动机一般在地面按照参数进行充分的点火试车，则大概率可认为产品达到研发目标、发动机性能稳定、产品成熟，而不一定非要通过发射来进行实验。真正的发射实验更多的是验证发动机和火箭整体之间的配合度、融合度。

3）研发效率上体现技术积累及未来成本水平一款发动机的研发效率可以从资金投入和时间投入两个维度来看，在尽量少的资金投入情况下利用更短的时间完成产品的研发意味着研发效率更高。如果研发过程中出现多次反复、设计修改则会耽误资金、人力和时间，这样将影响未来产品的成本。研发效率越高意味着团队对于技术积累和理解越全面和深入，也可以越快的从产品研发转向商业拓展。前期的研发资金、人力投入越少意味着未来产品的成本水平越低。总体来讲，中国的商业航天大推力液体发动机研发在快速进步，但我们也要看到，中国的技术都还处于研发早期阶段，距离产品成熟并发射上天还有一定路要走。未来在发动机试车台建设和共享（此部分也将是发动机研发中较大的投入）等方面还需要更多政策支持，希望看到更多体制内的基础设施对民营商业航天企业开放。从投资角度上，需要更多的风险投资资金能够进入这一领域支持中国液体发动机的研发。需求方面除了民营之外，参考美国商业航天的发展，未来在政府采购上同样存在巨大空间，目前中国60%的火箭发射任务还在采用YF20发动机，此款发动机所用燃料和推进剂由于存在剧毒而需要被淘汰，因此中国民营商业火箭发动机研发完成也将非常好的满足体制内发射需要。总而言之，从国家政策、投资以及技术研发等多方面，希望不远将来看到中国民营商业火箭发动机能够腾起升空，尽早实现首次发射。