2022年火箭发动机行业市场现状及未来趋势研究分析 液氧甲烷或将是长期趋势

1. 固、液之争，满足市场所需才是根本

在火箭技术领域，长期存在着所谓的“固液之争”，即固体火箭和液体火箭，哪个更适合 航天发射。早在上世纪七八十年代，就曾经有过一场影响深远的大讨论。液体派认为，液 体发动机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， 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，起竖后经过简单检测就可以发射。双方支持者各执一词，各 自强调的优点正是对方的软肋，一时相持不下。

图：固体火箭与液体火箭对比示意图

运载能力上，液体火箭具有更高的比冲，运力优势显著。从航天飞机助推器的研制经验来 看，超大直径固体发动机对运输环节造成的困难很难克服，卡车和公路的承载能力限制了 固体火箭总体重量，从而限制了固体火箭的运载能力。中大型固体火箭的研制目前存在诸 多难以突破的技术难关，包括大型分段对接、大尺寸柔性喷管设计与制造、压力振动抑制、 推力偏差控制、高性能碳纤维材料等。液体火箭具有更高的比冲，用于航天发射运力优势 显著，而且用同样的卡车、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 后，便成为远比固体火箭运力强大的发射工具。因此，我们认为，中大型固体火箭研制短 期难以突破，随着卫星组网对大运力的需求快速增加，液体火箭将成为商业航天主流箭型。

响应速度上，固体火箭无需加注，发射周期明显短于液体火箭。固体火箭单位发射价格不 具备绝对优势，但其具有可长期储存、快速响应、发射地点灵活等特点。以美国国防部高 级研究计划局 DARPA 组织的“快速发射竞赛”为例，DARPA 要求参赛者要在两个星期 内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。采用液体火箭的阿斯特曾想尽办法压缩准备流程，但最终由于时 间仓促导致箭上 GNC 系统不正常，挑战失败。如果换作固体火箭则大为不同，即使考虑 卫星准备时间和空域使用协调等因素，一个星期内也可完成。而液体火箭加注燃料费时， 无论怎么压缩制造和准备流程，响应速度也比不上固体火箭。故而，我们认为，固体火箭 响应速度更快，更适用于军事现代化对快速响应和卫星补网发射。

运载火箭是航天发射的主要工具，满足市场需求才是其存在的根本。纵观全球火箭型号， 除中国外，世界各国主流火箭均为液体火箭。商业航天发射要求成本尽可能低，固体火箭 单位发射价格不具备绝对优势，但其具有可长期储存、快速响应、发射地点灵活等特点， 在军用领域、自然灾害等紧急情况下具有重要意义，非常契合军事快速响应和卫星补网发 射的需求。随着卫星小型化和大规模组网发射，综合考虑技术研发风险等因素，我们认为， 短期开发固体火箭、长期主攻中大型液体火箭是国内民营火箭公司可行的产品布局方案。

2. 液氧甲烷综合优势突出，或为未来发展方向

火箭发动机价值量占比过半，发动机能否满足重复使用是技术路径选择的重要考量。在一 次性使用运载火箭成本构成中，发动机约占总成本的 54.3%，箭体结构约占总成本的 23.6%，电气系统约占 8%，阀门管路及执行机构约占 8.1%，点火、级间分离等火工品约 占 5.3%，推进剂成本约占 0.7%。作为火箭中价值最高的部分，发动机能否满足重复使用 需求是火箭回收的前提条件，而火箭回收是商业航天降低成本的必由之路。因此，我们认 为，发动机是否满足重复使用将决定能否实现火箭回收，是民营火箭公司技术路径选择的 重要考量。

液氧液氢、液氧甲烷、液氧煤油 3 种低温推进剂均满足发动机重复使用基本需求，国外已 有阶段性成果。SpaceX（未上市）采用液氧煤油推进剂的梅林发动机已经成功实现多次 飞行回收，重复使用发动机先驱 SSME 发动机则使用了液氧液氢推进剂，而同样使用液氧 液氢推进剂的 BE-3 和ＲL10 发动机也得以成功回收。目前国际上对于液氧甲烷发动机还 没有研制成功飞行的先例，但研制历程已达几十年，NASA 将 RS-18 改造为月球着陆器下 降级液氧甲烷发动机，并开展了高空模拟试车和推进剂在月球表面的长期贮存模拟试验研 究。

液氧液氢制造、贮存成本高，液氧煤油易结焦、难复用，两种推进剂均无法满足“物美价 廉”的商业需求。液氧液氢发动机由于性能高、可检测维修、推进剂洁净无结焦、返航后 易处理、推重比高、燃烧稳定性好等易于实现重复使用，其重复使用性最佳，但推进剂制 造、贮存成本高；液氧煤油发动机成本低、推重比高，但由于煤油易结焦，自蒸发能力最 差，返航后处理复杂、复用困难。

液氧甲烷发动机成本低、性能适中、结焦少、与液氧沸点接近，商业航天需要在成本和性 能之间获取平衡，液氧甲烷发动机将是商业趋势。作为一种被广泛使用的清洁能源，甲烷 燃烧热值高，资源丰富，与液氧温度相近，可以设计成共底贮箱以降低结构质量和复杂度。 液氧甲烷推进剂比冲性能介于液氧液氢推进剂和液氧煤油推进剂之间，密度比冲较高，能 有效提高火箭运载能力。在所有烃类燃料组合中，液氧甲烷发动机自洁净性较好，是最不 容易结焦和积碳的，利于回收可重复使用。

目前科学家们已经在诸如火星、土卫六等星球上发现存在液体甲烷“海洋”，如果未来开 展星际航行，或可直接从目标星球获取液体甲烷作为燃料。目前，美国 SpaceX（未上市） 和蓝色起源（未上市）积极开展液氧甲烷发动机的研制工作，其发动机型号分别为“猛禽” 和 BE-4，国内则有蓝箭航天（未上市）的“天鹊”80t。我们认为，液氧甲烷火箭推进剂 综合优势突出，液氧甲烷发动机或为民营火箭公司未来一致选择。

图：SpaceX“猛禽”液氧甲烷发动机

液氧甲烷发动机研制难度大，借用液氧煤油发动机组件或为可行路径。液氧甲烷发动机潜 力最大、综合性能最佳，但却要面临发动机从无到有的研制现状。以 SpaceX“猛禽”发 动机采用全流量分级燃烧循环为例，该发动机设置富燃预燃室和富氧预燃室两个预燃室， 除了需要克服富燃循环存在的结焦问题，还需要研制出能承受超高压强的特种合金以驱动 富氧预燃室液氧泵，迄今为止还没有任何一台液氧甲烷发动机实现入轨。我国的液氧液氢、 液氧煤油发动机均在 CZ-3A 系列火箭和新一代火箭发射中成功参加了飞行，而液氧甲烷发 动机尚在研制过程中，目前仅完成了全系统试车。俄罗斯则以液氧煤油发动机 RD0110MD 和液氧液氢发动机 KVD-1 作为演示样机，研究发现液氧煤油发动机 70%～80% 的组件可借用于液氧甲烷发动机的研制，因此，我们认为，民营火箭公司可以在液氧煤油 发动机的研制基础上，通过逐步改造完善，最终研制出可复用的液氧甲烷发动机。

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