前行之路素來不缺孤勇者。2015年，藍箭航天的創(chuàng)始人兼CEOO張昌武因為一個“不能踩著前人的腳印把老路再走一遍”的念頭，一手將藍箭航天創(chuàng)立起來。從朱雀二號遙二火箭成為全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭，到朱雀二號遙三運載火箭搭載有效載荷并成功入軌，航天商業(yè)化這條路他一走就是近十年。
不是沒有范本，無論是SpaceXX獵鷹9還是重型獵鷹火箭，都已經(jīng)驗證了航天商業(yè)化的可行性，其核心就是降成本。如今，張昌武和他實驗室里的工程師正在與時間競速，2025年他們要在“走出實驗室的故事”里寫下新篇章——朱雀三號實現(xiàn)首飛。
視線不斷落在可重復(fù)使用
“不能踩著前人的腳印把老路再走一遍，要站在巨人的肩膀邁向高遠。”2015年，張昌武帶著這樣一個信念，開啟了他的尋夢之旅。
在近十年的發(fā)展中，藍箭航天的視線不斷落在可重復(fù)使用火箭上。開端總是艱難的，歷經(jīng)八年時間，2023年7月，朱雀二號遙二火箭成為全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭。但有了第一步，后面的路就好走多了。2023年12月，朱雀二號遙三運載火箭又搭載有效載荷并成功入軌。
“在我看來，中國商業(yè)航天發(fā)展有賴于領(lǐng)域內(nèi)實質(zhì)性的能力提升和技術(shù)突破，對于運載火箭來說，就要能夠在原有航天能力的基礎(chǔ)上繼續(xù)探索無人區(qū)、填補空白建立領(lǐng)先，并對標(biāo)世界一流。”張昌武解釋道。
今年1月，《北京市加快商業(yè)航天創(chuàng)新發(fā)展行動方案（2024—2028年）》正式公布，其中提出，力爭三年內(nèi)完成百公里級亞軌道火箭回收飛行驗證，五年內(nèi)實現(xiàn)可重復(fù)使用火箭入軌回收復(fù)飛，大幅度降低發(fā)射成本。攻關(guān)可重復(fù)使用火箭，無疑已成為北京接下來在商業(yè)航天發(fā)展的重點任務(wù)之一。可重復(fù)使用火箭是相對于“一次性運載火箭”而言的概念，指運載器從地面起飛完成預(yù)定發(fā)射任務(wù)后，全部或部分返回并安全著陸，經(jīng)過檢修維護與燃料加注，可再次執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。
在張昌武看來，“尤其是大運力可重復(fù)使用運載火箭技術(shù)，必須在未來三年實現(xiàn)根本性的突破，中國商業(yè)火箭發(fā)展的真實刻度應(yīng)該是跟可重復(fù)使用火箭的刻度對齊的”。
在富有前瞻性的判斷中，藍箭航天不斷推進可重復(fù)使用火箭的研發(fā)進程，定位為大型可復(fù)用液氧甲烷運載火箭的朱雀三號已計劃于2025年首飛。據(jù)介紹，朱雀三號一子級設(shè)計復(fù)用次數(shù)不少于20次。未來它的發(fā)射價格目標(biāo)是每公斤2萬元，相比目前國內(nèi)民營火箭每公斤約8萬—11萬元的發(fā)射價格大幅降低。
“此前制造火箭的材料主要是鋁合金，但鋁合金用于制造火箭貯箱，需要加工去除大量的原材料，材料利用率比較低。相比之下，不銹鋼直接使用冷軋薄板進行卷焊，可以將材料利用率提升到80%以上，這樣箭上一公斤不銹鋼結(jié)構(gòu)的成本比箭上一公斤鋁合金結(jié)構(gòu)的成本要低兩個數(shù)量級。”藍箭航天技術(shù)戰(zhàn)略部負責(zé)人袁宇在接受采訪時這樣介紹。
袁宇表示，同時，高強度301不銹鋼，其抗拉強度和延伸率都是傳統(tǒng)鋁合金的2—3倍。在低溫（液氧、LNG、液氮、液氫溫度）下，材料的抗拉強度會顯著提升到2000MPa以上，且保留良好的韌性。
性能還是產(chǎn)能?成本！
從利用率到延伸率，不銹鋼的優(yōu)勢顯而易見，但要讓不銹鋼代替鋁合金成為火箭材料，免不了一番取舍。
朱雀三號可復(fù)用火箭型號副總設(shè)計師董鍇在接受北京商報記者采訪時表示，使用不銹鋼也有代價，即重量代價，“不銹鋼的密度約為鋁合金的3倍，箭體太重會壓縮有效載荷，能帶的燃料和貨物就少了”。
發(fā)展可回收運載火箭，其核心目的是降成本。在國外，SpaceX獵鷹9和重型獵鷹火箭已具備重復(fù)使用的能力，大幅降低發(fā)射成本。根據(jù)SpaceX官網(wǎng)發(fā)布的信息，“獵鷹9號”火箭單次發(fā)射成本約3000美元/千克，在此之前，全球商業(yè)航天發(fā)射成本在1萬—2萬美元/千克。
張昌武認為，美國商業(yè)航天的發(fā)展歷程已經(jīng)驗證了航天是可以商業(yè)化的，是蘊含著巨大的經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿Φ模彩悄軌虼龠M科技創(chuàng)新、科技突破的一大利器。但在國內(nèi)，要實現(xiàn)可重復(fù)使用火箭的目標(biāo)，則還需要探索攻關(guān)新的材料、結(jié)構(gòu)和控制方法等難題。
在材料與結(jié)構(gòu)方面，藍箭航天將目光投向了不銹鋼。據(jù)悉，朱雀三號貯箱，即運載火箭裝推進劑和氧化劑的儲罐，其結(jié)構(gòu)采用高強度不銹鋼材料，發(fā)射成本相較一次性使用火箭可降低80%—90%。
在這樣的代價之下，當(dāng)前階段，藍箭航天仍舊選擇使用不銹鋼，核心的邏輯是“性能換產(chǎn)能”，“犧牲了一部分在運載方面的性能，以換取成本低、制造簡單的優(yōu)勢”。
“藍箭的發(fā)動機產(chǎn)能很高，而貯箱等結(jié)構(gòu)使用鋁合金作為材料產(chǎn)能可能會受到供應(yīng)商限制。因此，選擇不銹鋼這種廣泛應(yīng)用于民間的工藝和材料，可以解決產(chǎn)能匹配問題，并大幅降低成本。”董鍇表示。
而且，隨著可重復(fù)使用火箭的發(fā)展，不銹鋼的優(yōu)勢也在逐步擴大。據(jù)董鍇介紹，由于重量代價的存在，過去的一次性火箭中，不銹鋼的優(yōu)勢還沒有那么大，但可回收火箭使結(jié)構(gòu)重量在整個運載能力中所占比重降低。當(dāng)前，藍箭內(nèi)部也在努力減少重量代價，通過研究國內(nèi)外的材料和焊接工藝，爭取讓使用在火箭上的不銹鋼更輕薄。
在董鍇看來，不同的火箭單位會根據(jù)自身需求作出取舍，一些單位可能會堅持使用鋁合金，為追求性能而“不惜一切代價”，而藍箭航天想確保的，則是在有限資金內(nèi)進行更多次的可回收科學(xué)實驗，“對于資金有限的商業(yè)企業(yè)來說，如何在有限的資金內(nèi)進行更多次的實驗是一個核心問題。因此，我們愿意使用產(chǎn)能高、成本低的材料來進行工作”。
從百米級到百公里級
“當(dāng)前，商業(yè)航天發(fā)展迎來了重大的窗口期和機遇期，也決定這個階段行業(yè)和企業(yè)需要更加地冷靜和務(wù)實，需要更加地扎實和嚴格。應(yīng)該說國家從政策和資源層面對商業(yè)航天有了系統(tǒng)性的指引和保障，接下來就需要企業(yè)做好自己交付成績。”張昌武如是說。
近年來，藍箭航天便不斷給出亮眼的成績。通過研制朱雀二號，藍箭航天已經(jīng)攻克了一次性使用中型液體運載火箭技術(shù)；朱雀三號則將使其攻克部分重復(fù)使用技術(shù)這個大難關(guān)。“火箭技術(shù)的發(fā)展沒有捷徑，唯有踏踏實實地、一步一個腳印地走，從百米級到公里級，再到百公里級。”袁宇表示。
今年6月，藍箭航天將實施朱雀三號一子級垂直起降回收試驗的10公里級驗證飛行。“這將是中國火箭回收技術(shù)的一個新高度，屆時我們將成為行業(yè)內(nèi)第一個摸到10公里門檻的企業(yè)。”袁宇說。
此外，董鍇指出，從技術(shù)的角度來講，對于可回收火箭來說，幾個關(guān)鍵步驟是必不可少的，包括發(fā)動機調(diào)節(jié)控制算法和幾個特殊動作。“在10公里飛行中，將遇到這些動作：空中啟動、柵格舵啟動的聯(lián)合控制展開，速度達到一定程度，氣動控制、聯(lián)合控制、二次啟動都是必不可少的動作。對于藍箭來說，在10公里飛行中完成這些關(guān)鍵動作后，下一步就是入軌。”
對于在商業(yè)航天領(lǐng)域如何提升新質(zhì)生產(chǎn)力，張昌武表示，科技創(chuàng)新是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的核心要素，商業(yè)航天同樣是以技術(shù)、模式創(chuàng)新引領(lǐng)的行業(yè)，本身就是一種新質(zhì)生產(chǎn)力，是一種新產(chǎn)業(yè)、新能力、新可能。
“新質(zhì)生產(chǎn)力，首先是創(chuàng)新，對于運載火箭來說，要能夠在原有航天能力的基礎(chǔ)上繼續(xù)探索無人區(qū)、填補空白建立領(lǐng)先，并對標(biāo)世界一流。”張昌武說。
