就像船用于海上運(yùn)輸，汽車(chē)用于地面運(yùn)輸，飛機(jī)用于空中運(yùn)輸一樣，火箭也屬于一種運(yùn)輸工具，其通行區(qū)域在太空，也就是我們通常說(shuō)的航天。
和海洋運(yùn)輸業(yè)、陸路運(yùn)輸、航空貨運(yùn)不同的是，航天的產(chǎn)業(yè)化才剛剛起步。
在商業(yè)航天興起之前，航天以科研主導(dǎo)的國(guó)家任務(wù)、不計(jì)成本地追求技術(shù)先進(jìn)性為主，發(fā)射的航天器多服務(wù)于科研、軍事需要。發(fā)射頻次不高，根據(jù)衛(wèi)星等航天器的發(fā)射需要，從“打包裝車(chē)”（將衛(wèi)星裝進(jìn)火箭整流罩）、“運(yùn)輸路線安排”（發(fā)射軌道選擇）、“監(jiān)控配送”（衛(wèi)星在軌測(cè)控與交付）基本都可以定制完成。
隨著以低軌衛(wèi)星星座（主要是遙感、通信）為代表的商業(yè)航天興起，快速增長(zhǎng)的批量化發(fā)射需求牽引之下，對(duì)火箭的運(yùn)載能力、發(fā)射頻次、發(fā)射成本就提出了更高要求，推動(dòng)航天發(fā)射服務(wù)向類(lèi)似“航班化”服務(wù)的方向發(fā)展。大運(yùn)力、高頻次、低成本就成為航天發(fā)射領(lǐng)域的主要發(fā)展目標(biāo)。因此，相關(guān)供應(yīng)鏈體系就從過(guò)去為滿(mǎn)足特定發(fā)射需求而進(jìn)行的定制化生產(chǎn)，向著更加通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化的方向演進(jìn)。
這就好比面對(duì)日益增長(zhǎng)的通勤需求時(shí)，我們需要批量投產(chǎn)公交大巴和開(kāi)發(fā)公交路線，而不是去研制動(dòng)能更強(qiáng)勁的超跑。當(dāng)然，這僅僅指的是商業(yè)航天，在軍事和科研領(lǐng)域，對(duì)尖端技術(shù)的追求是永恒不變的主題。
具體來(lái)說(shuō)，為了最大可能以較低成本實(shí)現(xiàn)向太空批量“運(yùn)輸”衛(wèi)星星座的需求，一方面需要在現(xiàn)有條件下提升整體效率，另一方面需要增加大運(yùn)力火箭的研發(fā)投產(chǎn)，以及可復(fù)用火箭技術(shù)的創(chuàng)新迭代。
一、效率上，主要通過(guò)優(yōu)化發(fā)射流程、縮短火箭研制周期、星箭適配標(biāo)準(zhǔn)化這幾個(gè)方面來(lái)改進(jìn)。
發(fā)射模式和流程優(yōu)化
“拼車(chē)”式共享發(fā)射（一箭多星）相比多次單獨(dú)發(fā)射而言，毫無(wú)疑問(wèn)可以顯著地降低成本，對(duì)于火箭運(yùn)載能力余量及發(fā)射場(chǎng)地設(shè)備、發(fā)射窗口的利用率更高，能夠有效加快衛(wèi)星部署的速度。但是不是一箭多星數(shù)量越多越好呢？這個(gè)要根據(jù)發(fā)射任務(wù)來(lái)定，實(shí)施上的技術(shù)難度主要看發(fā)射衛(wèi)星總重量和多星布設(shè)軌道要求，另外也受到衛(wèi)星接口標(biāo)準(zhǔn)是否統(tǒng)一的影響。
航天發(fā)射前，需要對(duì)發(fā)射場(chǎng)地進(jìn)行準(zhǔn)備，組裝和檢查衛(wèi)星、火箭，還有加注火箭推進(jìn)劑等。衛(wèi)星出廠測(cè)試、運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射場(chǎng)、裝進(jìn)火箭整流罩、火箭運(yùn)輸安裝到發(fā)射臺(tái)等一系列動(dòng)作都會(huì)消耗時(shí)間，各環(huán)節(jié)之間間隔越大整個(gè)準(zhǔn)備周期越長(zhǎng)。所以目前國(guó)內(nèi)外航天發(fā)射場(chǎng)逐步在向集傳統(tǒng)發(fā)射測(cè)試保障與火箭、衛(wèi)星研發(fā)生產(chǎn)于一體的“發(fā)射綜合體”轉(zhuǎn)型，旨在減少各部件轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，增強(qiáng)各環(huán)節(jié)之間的綜合協(xié)調(diào)，以極大縮短發(fā)射準(zhǔn)備周期。目前海南文昌、山東海陽(yáng)、甘肅酒泉等都在以發(fā)射場(chǎng)為中心吸引關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)積聚發(fā)展。
在發(fā)射操作上，火箭測(cè)發(fā)效率主要受發(fā)射臺(tái)及附屬設(shè)施技術(shù)準(zhǔn)備和運(yùn)行操作周期影響。這方面的優(yōu)化主要是根據(jù)不斷迭代的新型火箭特點(diǎn)，基于“三平”（火箭水平運(yùn)轉(zhuǎn)、水平總裝、水平測(cè)試）和“三垂”（火箭垂直運(yùn)轉(zhuǎn)、垂直總裝、垂直測(cè)試）模式做適應(yīng)性改進(jìn)。
發(fā)射流程優(yōu)化的直接效果，我們從長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)的發(fā)射體驗(yàn)即可看出，測(cè)發(fā)天數(shù)從早期的38天降低到25天，整個(gè)測(cè)發(fā)周期縮短了34%。
另外，由于發(fā)射任務(wù)密度快速增加，原有發(fā)射流程機(jī)制下的人工資源趨于緊張，發(fā)射質(zhì)量控制壓力較大。因此，我國(guó)航天發(fā)射領(lǐng)域正不斷實(shí)施流程的精細(xì)化管理，同時(shí)數(shù)字化、智能化系統(tǒng)應(yīng)用逐步覆蓋到航天發(fā)射的完整生命周期。包括發(fā)射場(chǎng)智慧化、發(fā)射設(shè)施設(shè)備自動(dòng)化管控、無(wú)人化遠(yuǎn)距離測(cè)發(fā)技術(shù)、射后快速恢復(fù)等等。
其中太原衛(wèi)星發(fā)射中心新建成并于2022年投入使用的9A工位，是我國(guó)首個(gè)智慧發(fā)射場(chǎng)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)地面各設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集和整合分析，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)態(tài)勢(shì)感知和全過(guò)程智能管控，從火箭加注到發(fā)射過(guò)程遠(yuǎn)程操控和無(wú)人值守，大大提升了發(fā)射效率和發(fā)射指揮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性，單發(fā)任務(wù)流程從30天縮短到14天。
火箭研制周期
為滿(mǎn)足商業(yè)航天需求，火箭研發(fā)在構(gòu)型設(shè)計(jì)、生產(chǎn)裝配上也在快速發(fā)生變化。
適應(yīng)衛(wèi)星小型化和高密度、高頻次低軌星座發(fā)射為主的市場(chǎng)趨勢(shì)，不是單純的火箭運(yùn)力越大越好，而是有限成本范圍內(nèi)能夠適配多種發(fā)射需求、能夠承載更大質(zhì)量載荷，從而有機(jī)會(huì)接到更多發(fā)射任務(wù)的火箭，才有大規(guī)模組批生產(chǎn)的機(jī)會(huì)，進(jìn)一步降低成本。當(dāng)然，最好還能回收重復(fù)利用，真正像航班一樣飛個(gè)來(lái)回。
因此，在火箭研制上，一是結(jié)合數(shù)字化、智能化技術(shù)，縮短研發(fā)生產(chǎn)測(cè)試周期；二是提高火箭結(jié)構(gòu)效率，為箭體減重的同時(shí)增加運(yùn)載能力；三是通過(guò)模塊化、組合化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)適配，為標(biāo)準(zhǔn)化批量組產(chǎn)形成基礎(chǔ)；四是傳統(tǒng)火箭可復(fù)用能力挖掘和基于組合動(dòng)力的新型火箭技術(shù)研發(fā)并重。
根據(jù)網(wǎng)上的消息，SpaceX火箭三個(gè)月可以完成一支火箭的生產(chǎn)，這個(gè)數(shù)據(jù)不知是否屬實(shí)。國(guó)內(nèi)對(duì)標(biāo)的商業(yè)航天火箭生產(chǎn)周期也暫無(wú)相應(yīng)數(shù)據(jù)，無(wú)法詳細(xì)對(duì)照。按理說(shuō)，作為工業(yè)大國(guó)，“中國(guó)速度”和低成本、高可靠的中國(guó)制造在全球有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，無(wú)論造船業(yè)、汽車(chē)業(yè)（包括新能源汽車(chē)領(lǐng)域）還是航空工業(yè)我們都已經(jīng)在國(guó)際市場(chǎng)上確立了領(lǐng)先地位，更何況曾經(jīng)用算盤(pán)都能造出原子彈，沒(méi)道理在邁向世界經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)進(jìn)程中，在商業(yè)航天領(lǐng)域趕不上對(duì)手。
還是那句話(huà)，如果起步不算晚、條件并不差的情況下停步不前給對(duì)手一個(gè)長(zhǎng)達(dá)5年的窗口期，造成當(dāng)下的戰(zhàn)略被動(dòng)，那一定是哪里出了問(wèn)題（國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展情況小結(jié)；中國(guó)版星鏈來(lái)了，能趕上SpaceX嗎？（十）｜挑戰(zhàn)究竟來(lái)自哪里？）。
星箭協(xié)調(diào)與衛(wèi)星接口的標(biāo)準(zhǔn)化
星箭協(xié)調(diào)是火箭發(fā)射至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是指在火箭發(fā)射前，對(duì)火箭和衛(wèi)星之間的接口、分離機(jī)制、電氣連接等進(jìn)行精確匹配和調(diào)整的過(guò)程。星箭協(xié)調(diào)對(duì)于確保發(fā)射過(guò)程的穩(wěn)定性、以及衛(wèi)星在預(yù)定軌道上的成功部署都至關(guān)重要，關(guān)系到發(fā)射任務(wù)的成功與否，還直接影響到衛(wèi)星的使用壽命和性能。
星箭接口包括機(jī)械接口、電氣接口、電磁環(huán)境接口、力學(xué)環(huán)境接口、熱環(huán)境接口等。顯然多任務(wù)適配的“標(biāo)準(zhǔn)火箭”，會(huì)面臨衛(wèi)星接口是否統(tǒng)一的問(wèn)題。據(jù)網(wǎng)上查詢(xún)消息，我國(guó)衛(wèi)星和火箭制造商通常遵循如下標(biāo)準(zhǔn)：
中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）或國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)（GJB）中關(guān)于衛(wèi)星、運(yùn)載火箭和地面系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
中國(guó)航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（QJ）。
ISO 12222中關(guān)于空間系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
另外查到的幾個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：
中國(guó)航天科技集團(tuán)公司主編的我國(guó)首項(xiàng)國(guó)際航天標(biāo)準(zhǔn)——ISO15862《SC/LV Flight Environments Telemetry Data Processing》，于2009年正式頒布，2013年獲得中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。
2019年公示的全國(guó)宇航技術(shù)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口上報(bào)并執(zhí)行的《星箭接口要求文件》，由航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所起草。
中國(guó)宇航協(xié)會(huì)2020年推出的《固體運(yùn)載火箭與航天器接口要求》，主要起草單位是北京宇航系統(tǒng)工程研究所。
尚未有明確消息顯示哪些接口標(biāo)準(zhǔn)是必須強(qiáng)制執(zhí)行的，目前從市場(chǎng)看這塊是沒(méi)有形成統(tǒng)一的。這種標(biāo)準(zhǔn)的分散化現(xiàn)狀無(wú)疑也對(duì)航天效率產(chǎn)生影響。當(dāng)然，另一個(gè)方向是火箭設(shè)計(jì)將星箭接口“百搭化”，但商業(yè)航天起步階段，發(fā)展日新月異，全產(chǎn)業(yè)鏈整體協(xié)調(diào)、統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)總歸是更有利也更高效的解決方式。
二、大運(yùn)力火箭的研發(fā)投產(chǎn)，以及可復(fù)用技術(shù)的創(chuàng)新迭代
要提升火箭運(yùn)載能力，除了優(yōu)化結(jié)構(gòu)減輕自重以外，還有就是優(yōu)化級(jí)間比以增加推進(jìn)劑量、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、使用新材料減輕箭體重量等。可復(fù)用技術(shù)能夠顯著降低成本，提高發(fā)射頻率，相當(dāng)于間接提升火箭運(yùn)載能力。
火箭一般是兩級(jí)或三級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)是最大的部分，一般占據(jù)火箭箭體重量的70%左右，其作用主要是推進(jìn)劑燃燒后整級(jí)拋棄，將二、三級(jí)和載荷進(jìn)行加速。級(jí)間比指的是第i級(jí)火箭質(zhì)量與第i+1級(jí)火箭質(zhì)量的比值，這個(gè)比值是影響火箭理想速度的重要參數(shù)。優(yōu)化級(jí)間比可以在保持火箭構(gòu)型不變的情況下，增加推進(jìn)劑的加注量，從而提高火箭的運(yùn)載能力。
提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和比沖是提升火箭運(yùn)載能力的重要環(huán)節(jié)。例如，長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭上使用了首次研制的膨脹循環(huán)動(dòng)力方式氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，這是目前國(guó)際上比沖性能最高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。俄羅斯新型中型火箭聯(lián)盟5火箭一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)RD-171MV推力超過(guò)800噸，是世界上推力最大的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，據(jù)稱(chēng)還可以重復(fù)使用10～15次。而世界上推力最大的整體式固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是由航天科技集團(tuán)四院自主研制的，推力500噸，2021年試車(chē)成功，2023年開(kāi)始面向商業(yè)航天發(fā)布相關(guān)產(chǎn)品。我國(guó)推力最大的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是航天六院自主研制的500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)推力最大的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是土星五號(hào)F-1（推力680噸），SpaceX猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)后推力為280噸，其主要優(yōu)勢(shì)是良好的可復(fù)用性，按馬斯克的說(shuō)法，“一臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)可以飛行1000次左右”。
在新材料應(yīng)用上，2021年，航天一院先后成功研制出我國(guó)首個(gè)3.35米直徑鋁鋰合金貯箱工程樣機(jī)、復(fù)合材料貯箱原理樣機(jī)。其中3.35米直徑鋁鋰合金火箭貯箱與當(dāng)前國(guó)際主流鋁銅合金貯箱相比，強(qiáng)度提升30%左右，同等條件下結(jié)構(gòu)減重15%以上。
比較有意思的是，一直以來(lái)貯箱材料都是5A06（鋁鎂系）→2A14（鋁銅系）→2219（鋁銅系）→2195（鋁鋰系）→復(fù)合材料，但馬斯克又一次不走尋常路，2019年曾經(jīng)透露星艦和超重火箭改為不銹鋼作為貯箱材料。不銹鋼的性能顯然無(wú)法與鋁鋰合金相比，價(jià)格上，相比135美元一公斤的復(fù)合碳纖維，3美元一公斤的不銹鋼成本簡(jiǎn)直就是白菜價(jià)。并且不銹鋼易于加工，按照業(yè)內(nèi)相關(guān)人員的分析，馬斯克的策略重在低成本快速迭代《洞穴之外|不銹鋼和鋁合金，你選哪個(gè)？》。
這再次驗(yàn)證了我們之前的分析，馬斯克的手法其實(shí)就是以大量低成本低性能的星鏈衛(wèi)星搞衛(wèi)星版“人海戰(zhàn)術(shù)”，走別人的路讓別人無(wú)路可走，快速用星鏈將軌道資源占滿(mǎn)以后，不論你技術(shù)多先進(jìn)都沒(méi)機(jī)會(huì)了。