日前，可重復(fù)使用驗證火箭雙曲線二號（代號SQX-2Y）在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點火升空，約1分鐘后，火箭在目標著陸點平穩(wěn)精確著陸。這則消息一傳出，令眾多航天愛好者精神振奮。這是我國首次開展液體火箭全尺寸一子級的垂直起降與重復(fù)使用飛行試驗，也是我國在可重復(fù)使用運載火箭技術(shù)上的重大突破。更值得關(guān)注的是，這標志著我國商業(yè)航天技術(shù)的崛起。

那么，這項飛行試驗任務(wù)的目的是什么？對我國航天科技的發(fā)展有何意義？未來，商業(yè)航天還將為可重復(fù)使用火箭技術(shù)帶來哪些突破？

降低發(fā)射成本關(guān)鍵在于“可重復(fù)使用”

此次發(fā)射之所以引人關(guān)注，在于其為“可重復(fù)使用驗證火箭”。

眾所周知，運載火箭研制復(fù)雜且制造與發(fā)射成本高昂，動輒上億乃至數(shù)億美元，成本問題成為制約航天事業(yè)發(fā)展的主要因素之一。科學家認為，火箭的可重復(fù)使用是降低發(fā)射成本的最重要手段。

可回收火箭的優(yōu)點很多：首先，它可以大幅降低每次發(fā)射的成本，因為不需要每次都制造全新的火箭；其次，可以提高太空任務(wù)的靈活性，譬如將火箭的部件進行替換和升級，以滿足不同的任務(wù)需求；第三，還可以減少對環(huán)境的影響，不必每次都拋棄火箭的殘骸。

火箭實現(xiàn)可重復(fù)使用，需要火箭在完成使命后安全返回地面，經(jīng)檢修后再次投入使用。按照回收方式的不同，可分為傘降回收、垂直回收及帶翼飛回三種。其中，傘降回收不能改變飛行軌跡，返回過程箭體載荷環(huán)境較為惡劣，可能造成一定的沖擊和壓力，著陸精度差，對回收和復(fù)用不利，且受限于降落傘尺寸，難以滿足較大箭體的回收。帶翼飛回目前仍停留在概念設(shè)計階段，即利用自身動力飛回發(fā)射場并水平著陸，這需要對火箭設(shè)計進行改動，可能造成結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、質(zhì)量增加等問題，從而導(dǎo)致運載能力損失較大。而垂直回收能夠有效改善上述問題，不限制降落區(qū)域，通過發(fā)動機多次點火減小飛行載荷、提高著陸精度，同時，其對火箭設(shè)計的改動最小，可回收包括發(fā)動機在內(nèi)的核心部件，在三種回收方式中應(yīng)用價值最高。

火箭的回收主要分為部分可回收和完全可回收兩大類：部分可回收主要是回收火箭的一子級，即最開始工作的子級，實現(xiàn)相對簡單；完全可回收則是回收火箭的全部部件，包括發(fā)動機、燃料等，技術(shù)難度較大，但潛力也更大。

國際上有許多機構(gòu)和企業(yè)都在研發(fā)可重復(fù)使用火箭技術(shù)，其中最為成功的就是美國的SpaceX公司。2015年12月，SpaceX成功發(fā)射了獵鷹9號火箭，并且在火箭升空后10分鐘成功完成第一級火箭回收任務(wù)，從而開創(chuàng)了從太空直接垂直回收火箭的歷史?？芍貜?fù)使用火箭帶來的經(jīng)濟收益是巨大的，獵鷹9號火箭向近地軌道發(fā)射的單次報價為6700萬美元，但燃料費只有20多萬美元。

目前，全球但凡有點航天能力的國家和地區(qū)，包括中國、俄羅斯、印度、歐洲、日本等，都在研制可重復(fù)使用火箭，可惜暫時還沒有誰能比肩SpaceX。

液氧甲烷是可回收火箭推進劑的優(yōu)選

在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射的可重復(fù)使用驗證火箭雙曲線二號，所使用的是一種新型燃料——液氧甲烷。

就像燃油汽車需要添加汽油或柴油、飛機需要添加航空煤油一樣，火箭也需要添加燃料，這種火箭專用燃料被稱為“推進劑”。推進劑在火箭發(fā)動機中快速燃燒，為火箭飛行提供能量，對火箭的性能具有重要影響。

推進劑按照狀態(tài)分為固體推進劑和液體推進劑兩大類。使用固體推進劑的固體火箭發(fā)動機，是小型火箭和導(dǎo)彈的主流動力源。液體火箭發(fā)動機具有高比沖（比沖指1KG推進劑可形成的沖量）、工作時間長、推力可調(diào)節(jié)、可多次啟動及脈沖工作等優(yōu)勢，在大型運載火箭及各類航天器上廣泛應(yīng)用。

目前，大型液體火箭一般采用的是雙組元推進劑，如液氧煤油、液氧液氫、液氧甲烷等。

其中，液氧煤油具有較高的比沖和成本效益，但也比較容易積碳（指發(fā)動機的燃油未能充分燃燒形成混合物）、結(jié)焦，大家熟知的“胖五”（長征五號）使用的就是這種推進劑。

液氧液氫則具有較高的能量密度和環(huán)保性，能滿足大推力火箭的發(fā)射需求，是長期太空探索任務(wù)的重要選擇之一。美國SpaceX公司的獵鷹9號可回收火箭就使用了液氧液氫推進劑。但由于液氫的密度非常低，需要更大的罐子來裝，所以會明顯增加火箭的自重。

而作為一種新型燃料，液氧甲烷幾乎融合了以上兩種燃料的優(yōu)點，也規(guī)避了它們的大部分缺點，具有良好的性價比，可以用最低的價格，享受到高于液氧煤油的比沖服務(wù)，還有完善的液化天然氣行業(yè)“撐腰”，不用發(fā)愁存儲的問題。更重要的是，液氧甲烷幾乎沒有積碳的問題，大大增加了修復(fù)和保養(yǎng)的便利。原本，火箭發(fā)動機是“一次性”的，只要能正常點火完成發(fā)射任務(wù)就會被丟棄，但要想讓火箭能夠回收并重復(fù)使用，就必須解決發(fā)動機的積碳問題。

因此，液氧甲烷推進劑憑借無毒環(huán)保、高可靠、高性能、低成本、易操作、可重復(fù)使用等特點，成為了新一代運載火箭技術(shù)的主要發(fā)展方向，近年來許多國家都在進行相關(guān)研究。SpaceX公司開發(fā)的大型運載火箭“星艦”和美國相對論空間公司的全球首款3D打印火箭“人族1號”采用的都是液氧甲烷發(fā)動機，只不過在今年早些時候的試飛中均未能成功入軌。

從另外一個角度來說，甲烷有在外星球原位生產(chǎn)的潛力。舉個例子，如果想讓火箭從火星返回地球，就必須在火星生產(chǎn)燃料，而火星正好富含水和二氧化碳，容易合成甲烷。所以，考慮到未來的火星開發(fā)計劃，液氧甲烷是最優(yōu)的燃料選擇。

我國踏入商業(yè)航天快車道助力研發(fā)突破

此次發(fā)射的可重復(fù)使用驗證火箭雙曲線二號由北京星際榮耀空間科技股份有限公司自主研發(fā)，它采用3.35米全尺寸箭體直徑，全長約17米，裝配自主研發(fā)的焦點一號深度變推力液氧甲烷發(fā)動機，試驗飛行高度178.42米、飛行時間50.82秒、著陸位置精度約1.68米、著陸速度為每秒0.025米、著陸姿態(tài)角約0.18度、滾動角約4度，高精度圓滿完成了飛行試驗任務(wù)。

此次飛行試驗驗證了星際榮耀重復(fù)使用液體火箭一子級總體方案、連續(xù)變推力液氧甲烷動力系統(tǒng)方案，以及火箭著陸段垂直軟著陸導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制方案的正確性。同時，也驗證了液氧甲烷火箭加注、發(fā)射、回收及后處理流程的正確性與協(xié)調(diào)性，獲取了重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù)核心試驗數(shù)據(jù)，為正在研發(fā)的中大型可重復(fù)使用運載火箭雙曲線三號提供了有力的技術(shù)支撐。

目前，我國深耕液氧甲烷發(fā)動機科研領(lǐng)域的商業(yè)航天企業(yè)，除了北京星際榮耀之外，還有北京藍箭、北京九州云箭、北京宇航推進等，并已各自取得具有代表性的科研成果。其中，全球首枚成功入軌的液氧甲烷火箭——今年7月12日發(fā)射的“朱雀二號”，就是由我國民營航天企業(yè)藍箭航天空間科技股份有限公司自主研制的。

從全國范圍來看，商業(yè)航天恰逢快速發(fā)展的蓬勃時代，那么，我們?yōu)槭裁匆罅Πl(fā)展商業(yè)航天？它真的能在國家航天事業(yè)中發(fā)揮積極作用嗎？

從概念上來講，商業(yè)航天是指按市場規(guī)則配置技術(shù)、資金、人才等資源要素，以盈利為目的、獨立的非政府航天活動，涵蓋衛(wèi)星制造、發(fā)射服務(wù)、衛(wèi)星運營及應(yīng)用、地面設(shè)備制造與服務(wù)、太空旅游、太空資源開發(fā)等多個領(lǐng)域。商業(yè)航天具有市場驅(qū)動性，其蓬勃發(fā)展將引發(fā)巨大的經(jīng)濟規(guī)模鏈式效應(yīng)，對于細分航天市場和社會組織分工有重要意義，但同時必須受國際規(guī)則、國家法律的約束，其發(fā)展必須符合保障國家安全和公共安全的要求。

1980年3月，世界第一家商業(yè)航天發(fā)射服務(wù)公司歐洲阿里安空間公司成立，它的幕后支持者是歐洲航天局（ESA）。美國指了個方向，歐洲開了個頭，商業(yè)航天發(fā)射的賽道上慢慢就熱鬧起來。

1990年4月，美國休斯公司率先使用中國火箭發(fā)射“亞洲一號”衛(wèi)星，使世界了解到中國火箭的實力。以此為起點，長征三號、長征二號捆綁式、長征二號丙、長征三號乙等運載火箭成功打入國際市場。到了2015年，我國航天邁出了由政府主導(dǎo)向商業(yè)化轉(zhuǎn)變的重要步伐。當年，國家發(fā)改委、財政部、國防科工局等部門聯(lián)合發(fā)布了《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025年）》，明確鼓勵民營企業(yè)發(fā)展商業(yè)航天，開啟了我國航天由單一政府主導(dǎo)向政府主導(dǎo)與市場推動相結(jié)合的轉(zhuǎn)變進程。

因此，業(yè)界普遍認為，2015年為中國商業(yè)航天元年。據(jù)統(tǒng)計，2015年及以后成立的商業(yè)航天企業(yè)約占國內(nèi)商業(yè)航天企業(yè)總數(shù)的76%，雖然2015年以前也成立了一些商業(yè)航天企業(yè)，但不成體系和規(guī)模。時至今日，衛(wèi)星制造、衛(wèi)星運營、火箭研制和發(fā)射、地面測控、試驗服務(wù)等產(chǎn)業(yè)鏈已培育了一批具有較強競爭力的優(yōu)勢商業(yè)航天企業(yè)。其中，長光衛(wèi)星的吉林一號衛(wèi)星星座已發(fā)射百余顆涵蓋高分辨率、大幅寬、視頻、多光譜等系列的高性能光學遙感衛(wèi)星，為農(nóng)林、水利、環(huán)保、交通、自然資源、城市建設(shè)等14個領(lǐng)域開展150余項類別的精準服務(wù)；2019年，星際榮耀的雙曲線一號火箭實現(xiàn)了我國民營商業(yè)航天運載火箭首次成功發(fā)射并高精度入軌，以及首次一箭多星發(fā)射入軌；今年，藍箭航天的朱雀二號火箭搶先于SpaceX，成為全球首枚入軌成功的液氧甲烷火箭，標志著我國運載火箭在新型低成本液體推進劑應(yīng)用方面取得重大突破……

從技術(shù)不斷創(chuàng)新，到產(chǎn)品不斷迭代，商業(yè)航天的目標就是可以根據(jù)客戶需求，實現(xiàn)靈活訂制，成為“國家隊”的補充。未來最理想的航天體系應(yīng)該是多元化、可持續(xù)發(fā)展的體系，商業(yè)航天和國家航天兩條腿走路，互為助力，共同推動航天事業(yè)的發(fā)展。

商業(yè)航天仍面臨諸多挑戰(zhàn)

商業(yè)航天的崛起對于航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和人類對太空的探索都具有重要意義，國外商業(yè)航天自由、迅速地發(fā)展，帶動了大量技術(shù)創(chuàng)新突破，取得了前所未有的成就。但在這個新開辟的疆域里，由于沒有成熟的商業(yè)模式和全球化規(guī)則體系約束，也涌現(xiàn)出了無序競爭和安全隱患等新問題。

首先，打破了舊壟斷，卻形成了新壟斷。根據(jù)《華爾街日報》的報道，自2022年起，進入美國發(fā)射場88%的客戶都選擇了SpaceX的火箭發(fā)射服務(wù)，而之前最可靠的俄羅斯聯(lián)盟號火箭由于俄烏沖突被束之高閣，這使得SpaceX公司幾乎對商業(yè)發(fā)射市場實現(xiàn)了全面壟斷。長期以來，歐洲航天局都在爭取和美國航空航天局（NASA）“劃清界限”，以保護歐洲的衛(wèi)星和伽利略系統(tǒng)的獨立性，然而，俄烏沖突和阿麗亞娜6號的難產(chǎn)使歐盟目前沒有任何可以稱得上一流的重型運載火箭。近日，歐洲航天局與SpaceX簽署協(xié)議，將依靠獵鷹9號火箭發(fā)射4顆伽利略衛(wèi)星，這是伽利略衛(wèi)星史上首次被運離歐洲本土到美國發(fā)射，這也意味著SpaceX在國際航天領(lǐng)域的壟斷能力進一步提高。

而在此之前，洛克希德·馬丁公司和波音公司兩大軍工巨頭合資組建的聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）在美國航天發(fā)射市場長期把持壟斷地位，一直滿足于“改進型一次性運載火箭”，缺乏開拓精神，成本降不下來、技術(shù)提不上去，發(fā)射報價高昂。美國航空航天局為打破聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的壟斷，對SpaceX給予資金和技術(shù)支持。自馬斯克拋出“星鏈”計劃和“星艦”計劃兩個新產(chǎn)品后，SpaceX開始逆風翻盤。SpaceX之所以能迅速刺穿傳統(tǒng)航天巨頭的市場護盾，主要原因是手握低價長矛。馬斯克革新生產(chǎn)技術(shù)環(huán)節(jié)，建設(shè)流水線衛(wèi)星工廠，堅持研發(fā)可重復(fù)使用火箭，大大降低了制造成本。SpaceX拿到第一筆訂單后僅僅1年，其簽訂的商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射訂單量就占據(jù)國際商業(yè)航天發(fā)射市場的45%。截至北京時間今年11月4日，SpaceX發(fā)射的衛(wèi)星約有5005顆在軌運行，占據(jù)全球在軌運行衛(wèi)星總數(shù)的大半江山。

如今，當年的“屠龍少年”已然變成新的“巨龍”，新的制衡力量又在何方？航天業(yè)、投資界的眾多專家對此表達了深深的擔憂。建立一個萬物生長、百花爭艷、公平公正的多元化市場，方為可持續(xù)發(fā)展之計。

其次，“野蠻生長”的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座暗藏太空碰撞風險、頻軌資源枯竭與搶占、空間碎片、光學污染等一系列問題。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的本意是“提供全球覆蓋、天地一體的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)”，但因其天生可用于軍事、國防的優(yōu)異性能，演變成了卷入國家、政府背景的一場角逐。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球計劃中的衛(wèi)星數(shù)量已超5.7萬顆，其中SpaceX的“星鏈”計劃就有4.2萬顆衛(wèi)星，而太空可容納的衛(wèi)星總量不過6萬顆。密集運行的衛(wèi)星會帶來更多的碰撞風險，形成更多空間碎片，更不用提那些不受控制的失效衛(wèi)星。不難看出，加強基于國際通用規(guī)則的太空交通管制、建立更為公平合理的頻軌分配與保護新規(guī)則、確保太空活動的安全和可持續(xù)發(fā)展，已成為亟待解決的一大難題。

發(fā)表在《自然·天文學》的一項新研究發(fā)現(xiàn)，多達6%的哈勃觀測結(jié)果被星鏈衛(wèi)星留下的軌跡破壞了。天文觀測需要一個黑暗而純凈的天空，以觀測和研究宇宙中的各種現(xiàn)象。然而，密布在地球周邊的低軌衛(wèi)星形成的耀眼光帶，成為眾多天文觀測器難以避開的“光污染”，影響了天文觀測的質(zhì)量和準確性。許多天文學家對此提出批評和抗議，并正在積極尋求解決方案。

盡管現(xiàn)階段存在著這樣或那樣的問題，但毋庸置疑的是，大力發(fā)展商業(yè)航天已成為各國的基本共識，以可重復(fù)火箭發(fā)射、低軌互聯(lián)網(wǎng)星座、太空旅游等為熱點的商業(yè)航天活動將不斷取得新進展。

相比之下，我國商業(yè)航天的發(fā)展仍處于初級階段，其發(fā)展既面臨新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機遇，又面臨愈加激烈的國際競爭環(huán)境，以及政策、人才、技術(shù)、資金等要素支撐不足等問題的挑戰(zhàn)。在我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年（2021—2025年）規(guī)劃中，星際探測、重型火箭等空天科技首次出現(xiàn)在“強化國家戰(zhàn)略科技力量”的內(nèi)容中。作為航天領(lǐng)域的新生力量，商業(yè)航天在政策扶持和社會資源的助推下，必將成為推動我國航天及高科技產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐，承載著為建設(shè)航天強國注入新鮮動能的厚望。

（作者單位：中國科學院文獻情報中心）