2024年金属新材料行业之商业航天专题报告：星辰大海，“材艺”相随

商业航天肩负卫星发射重任

自从 SpaceX提出“星链”(Starlink)计划以来,人们开始意识到低轨卫星(LEO)资源争夺的重要性，商业卫星的发射频次正在显著提升。由于卫星绕地球运行需要轨道和频段资源，国际电信联盟(ITU)提出在轨道和频段资源获取上遵循“先登先占先占永得”的原则，因此轨道和频段是有限且不可再生的战略资源。根据ITU 数据地球低轨卫星总容量约6万颗，目前正在运行的近地卫星则有4800颗。SpaceX的星链计划要在2027年前将4.2万颗卫星送入低轨，这使得近地轨道资源变得越来越抢手,也造就了各国竞争趋于白热化。虽然我国在低轨卫星通信领域起步较晚但发展较快,在星链计划的推动下，商业卫星的发射频次愈发密集，这为商业火箭的需求打下了广阔的增量基础，而我国商业航天公司正成为低轨卫星星座建设的中坚力量。

我国商业航天计划当中，最受关注的无疑是对标Starlink的星座组网计划，其中比较大型的包括“GW星座”以及“G60星座”，两者总数约2万余颗:

“GW星座”又名国网星座,是由中国卫星网络集团主导的互联网近地轨道卫星计划，共规划发射12992颗卫星。GW星座包含两个子星座(GW-A59和GWA2 星座)，目标为形成覆盖全球的互联网卫星星座，未来将推出手机直连卫星通信模式;

“G60星座”又名千帆星座，项目实施主体是上海垣信卫星，2024年8月发射的 18颗卫星为首批组网星。计划在2024年发射108颗卫星形成初步商业服务能力,该项目的第一阶段的目标是在2025年底实现648颗卫星提供区域网络覆盖,第二阶段计划在 2027年完成一期1296颗卫星组网建设，实现全球网络覆盖，第三阶段到 2030年底实现 15000颗卫星提供手机直连多业务融合服务。

1.1商业航天行业政策频频

商业航天是全球新一轮科技革命和产业变革的重要代表技术，由于其具备商业和战略价值，各国纷纷推出了相关规划。欧美等发达国家在航天领域已布局多年，近期美国在《2024年国防部商业航天一体化战略》中提出，需推动商业航天解决方案更有效地融入国家安全太空架构，以协调国防部工作。可见商业航天在国家战略层面具备的地位举足轻重。

我国对于商业航天发展的政策扶持主要起于“十二五”末。2014年国务院首次提出鼓励民间资本参与国家民用空间基础设施建设，指导意见表明了国家支持社会资本参与商业航天发展的立场，发出了支持鼓励商业航天的强烈信号。该意见普遍被业内认为是我国推动商业航天发展的起点性文件，自此改变了由国家主导航天发展的模式,开启了由政府主导和市场推动相结合的新型商业航天发展路径。2023年12月中央经济工作会议提出打造商业航天等若干战略性新型产业，商业航天成为我国新质生产力代表。作为新质生产力的重要方向,“商业航天”也首次被写入我国《2024年政府工作任务》，报告提出需大力推进现代化产业体系建设，加快发展新质生产力，积极培育新兴产业和未来产业,积极打造生物制造、商业航天、低空经济等新增长引擎。

随着多份国家政策和中央经济工作会议的战略部署，多个地方政府陆续出台商业航天发展行动规划和配套政策。在国家规划的牵引下，目前我国已有27个省、直辖市和自治区在“十四五”规划和 2035年远景目标纲要中布局航天产业发展。从政策意图上看,各地方政府主要采取与传统产业结合的方式发展商业航天,利用地区资源、产业基础和科研条件，因地制宜制定政策。从政策要点来看，地方政府积极扶持低成本、批量化的卫星研制。此外，地方政府自身规划大规模星座组网和运营项目，结合地区优势支持不同类型星座建设，接着成立引导基金，以资招商、以业务带动产业发展的思路较为明确，最后是做好基础配套，发布金融、土地、税收等多方面改善营商环境的政策鼓励商业航天企业落地。

1.2全球火箭发射频次加速抬升

全球火箭发射数量在近年来呈快速增长态势,2023年商业发射次数占比已过半据 The Space Report发布的《2023年全球太空活动年度报告》，2023年全球共进行了223次航天发射任务(同比增长19.9%)，发射载荷2911个，全球航天发射次数和载荷发射数量双双打破了发射记录。据统计，2023年全球轨道发射任务中，政府发射78次(占比 35.0%)，11次由商业公司根据与政府签订的合同进行(占比4.9%)商业发射120次(占比53.8%)，其余发射未提及具体划分情况。当前商业发射次数已占据一半以上，随着以 SpaceX为代表的商业航天公司快速推进发射进程，未来该占比仍有持续增加势头。

分国家来看，2023年美国以109次发射占据世界第一，我国67次发射排名第二，俄罗斯以19次发射位居第三，其余实现轨道级发射的国家和地区，发射量均为个位数。中美两国火箭发射数量居前，但商业模式有别。美国在航天发射领域中居于领先地位，发射主要以SpaceX等私营企业为主，SpaceX于2023年发射98次(含星舰组合体2次试飞失利)，平均每3.7天发射一次，打破了2022年发射87次、平均4.2天发射一次的记录。目前我国航天发射仍然以国家队为主，但随着私营企业的快速发展,未来有望接力国家队,承接更多的发射任务。2023年我国共计发射火箭67次，涉及载荷 200余个，其中1个载荷因1次发射失败未能入轨;其中航天科技集团48发，航天科工集团6发，民营火箭企业累计13发。根据斯瑞新材公告，2024年上半年，全球共计火箭发射126次，其中美国73次，中国30次。美国火箭发射数量的背后离不开 Spacex的高频次发射，相比之下，国内商业航天私营企业尚未形成规模化发射，我国在火箭制造规模、火箭可复用技术等多方面均与美国存在一定差距。

从火箭制造国家来看，2023年全球10个国家制造的火箭在13个国家的发射场发射，较2022年相比，更多的国家加入到火箭制造与发射行列。2023年中美两国全球火箭制造产量最高，分别为116枚和67枚(分别同比+33.3%/+4.7%)，全球占比分别为52%和30%,合计占比82%,延续了近年来中美火箭制造产量明显高于其他国家的态势。

纵观国内火箭发射市场的发展进程，自2014年国家政策放开民营商业航天的限制起,民营火箭制造企业如雨后春笋般涌现,商业航天行业正从单一的国家领导模式向多元化、市场化的商业模式转变。目前大部分火箭仍然由体制内的航天企业发射未来中国的商业航天发展模式也将与美国有所区别。我们判断，随着各企业发射任务的压力逐步增大，以及对星网盈利性要求的逐步提高，商业航天反应快、周期短、性价比高的优势有望逐一体现。

1.3火箭制造环节具备发展潜力

火箭可按照级数分为单级火箭和多级火箭，目前相对成熟的箭型和在研火箭基本为多级火箭。火箭制造环节中，火箭发动机和贮箱的价值量较高，据中国数字科学馆统计，两者在一子级和二子级中的价值量占比之和分别达到77.9%和58.1%，其他成本还包括电气设备、火工品线路管路、燃料等。

火箭的载荷、经济性、可靠性及使用寿命都取决于生产制造环节，火箭设计参数的不断提升及成本的下降与材料及工艺的应用密不可分。液体火箭中具备高价值量的部分包含①整流罩、②贮箱、③发动机、④其他结构件及零部件等，我们在下图中对国内火箭制造各环节所应用的相关材料、工艺及研发制造企业进行了梳理:

整流罩:整流罩通常位于火箭的顶部，用于保护卫星等有效载荷顺利进入太空，可以为航天器等有效载荷提供良好环境，保护其内部所搭载的载荷在大气层内飞行时免受气流、热环境等有害因素的影响。出于空气动力学方面的考虑，大部分整流罩都由高强度、轻质、耐高温，且无线电透波性强的材料制成，包括碳纤维复合材料、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(PMI)等。国内的火箭整流罩生产参与企业除了航天一院703所、航天八院等院所外，还包括爱思达航天、超捷股份、航天神坤等民营生产企业;

贮箱:火箭贮箱作为推进器关键结构，占据了箭体60%的质量，储存液体推进剂的同时还承担着大部分的结构载荷，是决定运载火箭性能的关键。贮箱材料不仅需要具备一系列优异的力学性能，还要能够在恶劣条件下表现出高可靠性和高耐久性,其发展的趋势主要包括结构轻量化、强度和模量的提高、工作寿命的延长。轻质高强铝合金(包括猎鹰9号采用的铝锂合金)为当前主流的贮箱结构材料，而SpaceX的星舰采用的奥氏体不锈钢贮箱、处于研发阶段的复合材料贮箱也有望成为未来的发展趋势。工艺方面，目前传统热焊接工艺是贮箱加工的主流方案，而电弧增材、搅拌摩擦焊等工艺则可能成为下一代贮箱生产中的重要工艺。我国火箭贮箱生产及加工企业包括九天行歌、寰宇航天、超捷股份、融速科技等;

发动机:运载火箭对主发动机的要求包括大推力、高比冲、高推重比、高可靠、低成本等。这些要求高且相互矛盾的指标，决定了发动机以用尽材料极限性能的极端参数运行，在较小结构空间实现高水平能量剧烈释放与转化的工作特点。①材料方面，可重复使用液体火箭发动机推力室身部一般由高导热的铜合金内壁，以及镍基合金外壁连接而成。此外，在发动机燃烧室及涡轮叶片上应用热障涂层则有助于提高涡轮前温度和延长叶片使用寿命。②工艺方面，可重复使用发动机生产环节涉及的工艺包括高温合金和钛合金的精密铸造成形技术，以及在发动机壳体等精密构件中使用的增材制造技术，在泵叶轮和涡轮盘等旋转关键零件中使用的热等静压技术等。我国液体火箭发动机铜合金推力室内壁生产企业主要包括斯瑞新材，高温合金铸件生产企业主要包括钢研高纳，热障涂层供应企业包括华秦科技、新劲钢等，具备增材制造服务及设备产能的企业包括铂力特、华曙高科等，具备热等静压工艺的企业包括钢研昊普、欧中科技等;

其他结构件及零部件等:除了上述部件外，火箭还包括各类阀门、管路、着陆腿等其他零部件，涉及到的材料包括碳纤维、铝合金、不锈钢、橡胶、碳纤维复合材料等，相关上市企业包括超捷股份、光威复材、盛帮股份等。

1.4三大技术趋势推动新材料及工艺应用

通过观察目前 Space 主流火箭型号“猎鹰系列”和“星舰系列”的运行情况，可以发现，无论是火箭回收次数的不断增加、发动机迭代下载荷提升还是火箭推进剂应用层面，SpaceX的发展路径都可以作为商业航天的榜样来加以学习。下面我们将通过分析火箭技术的发展现状，从火箭的可复用运载技术发展、发动机推力的提升以及液体火箭发动机的应用趋势出发，来讨论未来新材料与新工艺的应用变革趋势。

1.4.1可复用火箭降本优势显著，普及度持续提升

垂直起降重复使用运载火箭具有降低发射成本、解决落区安全等优势，SpaceX凭借对猎鹰9号第一子级的回收复用，其火箭发射成本优势在世界范围内已大幅领先。2010年首飞的猎鹰9号火箭近地轨道运力约10吨，在研制阶段就把载荷的单位发射价格锚定至 3000美元/千克，由此拉开了火箭发射降本的序幕。当前猎鹰9号能将22.8吨载荷送入近地轨道，复用猎鹰9号火箭的单位发射价格可降低至1000美元/千克以下这让其他可复用火箭的单位发射价格难以匹敌。此外，SpaceX设计的具备超大载荷的全复用火箭“星舰”瞄准了更低的单位发射成本，马斯克宜称，星舰的发射成本远低于大多数火箭，单次发射成本未来将降低到200万美元，每公斤有效载荷的发射成本有望降低至 20美元内。据航天科工三院306所消息，目前在仅回收第一子级的情况下，重复使用1次，单位载荷发射价格可降低25.9%;重复使用2次可降低36.3%。如果第二子级也可回收并重复使用，单位载荷发射价格在重复使用10次时可降低至初始成本的10%，复用技术对火箭发射成本的节约有着十分可观的前景。

猎鹰9号作为目前最成熟的可回收式中型运载火箭，拥有多发并联、垂直回收多次使用等优势，是世界上第一款具有轨道运输能力的可重复使用火箭。拆分结构来看，主要由一子级、中间级、二子级和整流罩四个部件组成。在每次回收后往往会对火箭各部位进行一定的升级改进，每次改进的目标都是为了提升火箭的运载能力和重复使用能力，我们可从其中窥见材料升级和工艺改进的端倪。

我国在重复使用运载火箭方面的发展进程较美国虽有一定差距，但航天科技集团和民营商业航天公司也都相继提出了垂直起降重复使用运载火箭方案，目前也正在开展相关技术验证和重复使用液体火箭发动机的研制。目前我国在研的可回收火箭处于垂直起降(VTVL)试验阶段，已有多型火箭及验证箭完成了可回收试验。2024年6月 23日，航天科技八院进行了我国第一次可回收火箭10公里级VTVL试验，高度达到了 12公里的平流层。随后，在2024年9月11日，民营企业蓝箭航天的朱雀三号VTVL-1试验箭圆满完成10公里级 VTVL试验。通常火箭在 10 公里左右的高度会经历最大动压，此时火箭受力情况最为复杂，对姿控系统的考验也最大，是可回收火箭的重要试验。我国民商企业的下一代火箭的研发方向基本为可重复使用，目前国内已有多型可回收火箭在研，近年将陆续发射，推动我国火箭的可复用技术发展进程。

重复使用运载火箭技术作为我国商用火箭科研大方向，材料应用、制造工艺和控制系统的更新迭代将成为提升火箭回收可靠性的核心。我们认为，火箭可复用趋势在对材料提出较高性能要求的同时提高了整体价值量，建议关注以下材料及工艺:特种铜合金材料的应用解决了发动机推力室内壁对耐高温和高热传导等性能的需求②热障涂层帮助提高了热端部件的耐温极限;③增材制造、热等静压等工艺的应用实现了部件的一体化成形，在减少工序、提高可靠性的同时实现了轻量化。

1.4.2发动机迭代以实现更高的载荷

星座发射亟需更大载荷的火箭。近年来，SpaceX发布了雄心勃勃的星链计划，出于商业竞争和发展安全等多方面因素考虑，国内也发布了GW星座和G60星座的低轨卫星集群发射目标。根据ITU的规则，星座需在规定时间内完成组网，这意味着在短时间内需要将大量的卫星发射进入轨道，这就需要更大载荷的火箭。此外，为了实现 SpaceX单位载荷成本快速降低的目标，使用超大载荷的火箭来降低平均发射成本也就成为了重要选项。

大推力发动机与火箭并联技术两大绝技助力大载荷火箭。从上图可以看出，近年来国内外火箭的载荷均有所提升，国内箭型如蓝箭航天的朱雀一号到朱雀二号，运力提升接近20倍。SpaceX重点打造的猎鹰系列和星舰系列大运载火箭具备较高的运载能力，遥遥领先于其他火箭公司。我们认为主要是因为其主流箭体兼具大推力的发动机以及多并联的宽口径火箭构型--以星舰为例，其使用的猛禽3液氧甲烷发动机推力可达 280吨，同时星舰还具备 33台猛禽发动机的并联。有了这两项绝技，星舰才得以成为一台真正的推力猛兽。此外，猎鹰系列火箭也多采用大推力发动机及并联火箭形态:

1)发动机的推力进步缓慢，导致火箭载荷提升受限。根据统计，液体火箭发动机的推力提升较为缓慢,SpaceX于2005年推出的Merlin1A单发海平面推力为33.1吨，而 2018年推出的Merlin 1D+为77.2吨。可以看出经过十年的迭代更新，梅林系列发动机的推力仅增长一倍，发动机的推力提升是一个相对艰难和缓慢的过程。

2)在火箭载荷需求提升与火箭发动机推力提升缓慢的矛盾之下,燃烧室温度的提升和更多组发动机并联工作成为了商业航天火箭公司主要考虑的解决方案。这其中便涉及到更多新材料、新工艺和新结构的应用:

燃烧室温度提升:燃烧室核心温度的提升将显著改善发动机的燃烧效率，进而提升发动机推重比。而随着可回收火箭的出现,发动机的单机价值量更高带来更耐高温、高导热的材料以及更复杂的工艺如增材制造、热等静压等;

宽口径多并联火箭:宽口径火箭的背景下，多台发动机并联成为可能，而宽口径多并联的商业航天火箭势必需要更大口径的贮箱系统，战略航天多采用4450mm的贮箱口径，而随着更宽口径的贮箱要求变多，对焊接工艺有了更高的要求，使用传统熔焊工艺容易形成面外变形甚至出现失稳变形，进而影响后续绝热材料与外壁的贴合和装配，因此目前行业内已经有部分公司采用其他焊接方法来加工贮箱,将立式装焊与搅拌摩擦焊相结合,从而减少了焊接变形，提高了加工效率。

1.4.3液体火箭发动机发展迅速

火箭的技术路线较为多样化，目前各国火箭技术路线发展仍处于多路线并进的局面。根据推进剂形态的不同，目前主流的火箭可分为液体推进剂火箭、固体推进剂火前:

固体火箭:采用固态物质作为推进剂，较常用的固体推进剂是由氧化剂、燃料和轻金属等组成的复合推进剂。固体火箭发动机由固体推进剂药柱、燃烧室壳体、喷管和点火装置组成。由于固体推进剂无需贮存和输送，推进剂可贮存在发动机燃烧室内,因此发射响应时间较快且技术简单;但其短板也同样突出，即比冲较小、推力无法调节等;

液体火箭:采用液体推进剂，推进剂主流方案为液氧/煤油与液氧/甲烷。液体火箭发动机由推力室、推进剂输送系统和发动机控制系统等组成。由于液体推进剂活性比较强，不容易存储，一般在使用前才进行加注，这会拉长火箭的发射周期:但由于液体推进剂燃烧时效率更高，因此液体火箭发动机比冲较大,在相同的载荷下,液体火箭较固体火箭具备更强的运载能力。此外液体火箭发动机也更易进行启动、关机及调节推力，还具备使用寿命长、造价较低等优势，是目前应用最广泛的火箭发动机。

不同的推进剂方案需要性能各异的贮箱材料应用来贴合。通过观察SpaceX在猎鹰与星舰系列上的贮箱材料应用情况，可以发现猎鹰9号主要采用铝合金材料，而星舰则采用了不锈钢材料。行业内对此有多种解释，但有一种说法颇具说服力:在使用煤油作为推进剂时，贮箱对温度的需求不高，因此采用液氧煤油发动机的猎鹰9号只需采用铝合金作为贮箱的主要材料即可;而在使用液体甲烷作为主推进剂之后，贮箱的温度最低将低至零下80℃左右,不锈钢材料在低温环境下力学性能等方面较铝合金有较大的优势，加工方式也较为简单，且星舰大推力的特性可以很有效的克服不锈钢密度较大的缺陷，因此星舰的贮箱材料采用了不锈钢。综合考虑发动机推力和贮箱性能等因素，我们判断未来可能会有更多的液体甲烷火箭贮箱采用不锈钢材料。

1.4.4 小结

综上所述，在火箭的可复用运载技术持续发展、发动机推力持续提升和液体火箭发动机的应用趋势下，相关的材料和工艺需求变化值得关注:①可复用火箭的应用在一定程度上降低了材料的易耗属性，但可复用技术对材料应用提出了更高的要求，因此相关材料和工艺也具备了更高的壁垒和价值;②大推力火箭对发动机的燃烧室温度以及宽口径火箭提出了要求，因此传统焊接工艺或将发生变革;③液体火箭中推进剂的不同也会带来贮箱材料的应用区别。在上述背景下，火箭制造环节有望随下游市场天花板的抬升而迎来新的发展契机，以下我们将对商业航天产业所涉及到的部分典型新材料和新工艺展开进一步剖析。

新材料助力发动机性能提升

在本文的第一章节中，我们重点提到了火箭需要一颗强大的心脏，航天发动机对于火箭发射的可靠度有着不言而喻的重要性。而发动机燃烧效率最核心的要素就是发动机燃烧室的升温比，燃烧室温度越高，燃烧越充分，推力越大。因此商业航天火箭发动机所需的材料中，最核心的就是耐高温材料，在本节中我们将重点介绍发动机用铜合金材料以及热障涂层材料的应用现况，并对未来市场空间作出展望。

2.1推力室内壁用铜合金持续迭代

2.1.1推力室内壁选材条件苛刻

推力室是决定液体火箭发动机工作可靠性的重要核心部件之一。液体火箭发动机一般由推力室、推进剂供应系统、发动机控制系统组成，核心部件包括推力室、涡轮泵、燃气发生器、火药启动器、各种阀门和调节器、机架等。其中，液体火箭推力室由推进剂喷嘴、燃烧室、喷管组件等部件组成，是将液体推进剂的化学能转变成推进力的重要组件，推进剂通过喷注器注入燃烧室，经雾化，蒸发，混合和燃烧产生高温高压燃气，以高速从喷管中冲出而产生推力。

推力室内壁材料需在高温下长期服役，材料内外两侧分别是高温燃气环境和低温冷却环境，且使用的燃料和助燃剂具有腐蚀性，在高温高压及高速燃气冲蚀下对材料的腐蚀极其严重。如此极端的工作环境对材料提出了多方面的要求:①燃烧室内壁温度超过 1000℃，喉部燃烧温度高达3500℃，这要求推力室内壁材料具有良好的耐高温性、热导率,将火箭发射过程中燃料燃烧的热量导出,以确保发动机正常工作。若无法将热量导出，则会引起材料过热、过烧，引起材料塑性、冲击韧性、疲劳及耐高温燃气腐蚀性能急剧下降,从而导致部件失效。②燃烧室内压力可达 200大气压(约20MPa)，故对结构材料的组织稳定性、机械稳定性提出了要求;③液体推进剂具有氧化性或腐蚀性，叠加高温高压及高速燃气的冲蚀也会对材料造成侵蚀，因此材料需具备抗高温氧化、燃气冲蚀性能;④材料的热疲劳极限循环寿命是影响材料重复使用的重要因素，因此材料还需具备较高的低周热疲劳性能。

根据上述要求，火箭推力室内壁材料需具备较好的综合性能，而非满足单一条件即可。以下几类材料性能可拿来进行类比:考虑到需在高温下具有较高强度的材料例如y"增强的镍基合金，在室温下屈服强度和抗拉强度较高，但较难满足导热条件。纯铜材料在高温下具有较高的电导率、热导率，但是其抗拉强度相对较低。氧化物弥散强化合金(ODS)具有较好的组织稳定性，其强度很高，但塑性很差。、钼基合金,具有较高的熔点和耐高温特性,但是这些合金密度极高,考虑到发射成本和条件,其在火箭上的应用较为受限。

2.1.2铜合金材料持续更替

海外对航天应用材料的研究和实践起步较早，欧美等在火箭发动机内壁材料方面研究较为广泛。氢氧发动机因其比冲性能高、燃烧稳定性好及绿色环保等优点，直是国内外运载火箭动力系统发展的重点。早在20世纪70年代，美国国家航空航天局(NASA)便针对氢氧火箭发动机开展了无氧铜、铜锆合金和银锆铜合金三种内壁材料的圆柱形推力室低周热疲劳试验。热试结果表明，三种内壁材料中银锆铜合金的抗拉强度和屈服强度虽略低于铜锆合金，但其高温强度与导热率和铜锆合金接近，是无氧铜的2倍多;同时银锆铜合金在三者中具有最好的循环寿命，其热疲劳循环次数是铜锆合金的 1.6 倍。

银锆铜合金(NARIO-Z)因其优异的低周热疲劳寿命而被应用于多款可重复使用液体火箭发动机推力室内壁。NARIOy-Z为含3%Ag和0.5%Zr的银锆铜合金，由美国洛克达因公司开发，其兼具高导热性和高强度，既具有铜合金的高导热性，又因A8、Zr 合金元素的添加而改善了其高温强度,因此可专门用来制造推力室内壁及具有类似性能要求的部件。银锆铜合金在多款典型的可重复使用液体火箭发动机推力室内壁中均有应用:美国的梅林1C/1D发动机、SSME、RS-68/A、欧空局的火神系列发动机、日本的LE系列发动机等均采用了银锆铜合金作为内壁材料。

弥散强化型铜铬铌合金为最新一代火箭发动机推力室内壁材料。随着合金制备方法的多样化，美国NASA在2005年推出了一种弥散沉淀强化型新材料--铜铬铌合金(GRCop-84)。铜铬铌合金中的Cr和 Nb能形成具有耐高温、高硬度的 CrzNb相,在超过 1600℃时仍然稳定,这使得铜铬铌合金不仅有较好的高温稳定性和热导率还具有非常好的高温抗氧化性、室温/高温强度、及抗蠕变、抗热腐蚀等能力。

除了上述材料外，学术界和产业界也都在持续探索特种铜合金材料的各个分支以寻找契合推力室应用需求的新材料，其中铬锆铜合金因优异的力学性能和导热性而在近年来得到了落地应用。随着对铜合金材料的研究推进，人们发现铬锆铜合金(CuCrZr)不仅具有优良的综合力学性能和物理性能，还具有高强度、高导电率、良好的塑性、高效的热传导性和冷却效果，贴合火箭发动机零部件应用需求。日本将自研的铬锆铜合金用于H2火箭发动机中，我国部分商业航天民营企业在近年来也开始采用铬锆铜推力室内壁方案，主要由于铭锆铜合金优越的热导率和强度以及较低的热膨胀系数能够契合发动机材料应用需求。

2.1.3行业准入壁垒较高，发展前景广阔

铜合金材料的制备及推力室内壁产品的生产均处于火箭发动机产业链上游。铜合金推力室内壁主要由耐高温高导热铜合金材料的设计&制备、3D打印或锻造旋压、精密加工及组装焊接等产业环节构成，具备较高的技术壁垒。由于推力室内壁产品的生产需具备工艺技术成熟、质量性能可靠、供应链的稳定保证、可持续发展等特点，因此该环节也具备较高的市场准入条件。海外对推力室用铜合金材料研发及生产环节参与度较高的企业主要包括美国NASA、法国铜合金集团(LebronzeAalloys)等国内参与者主要为斯瑞新材:

美国 NASA是世界上最权威的航空航天科研机构。作为美国联邦政府的行政性科研机构，NASA 负责制定、实施美国的太空计划，并开展航空科学暨太空科学的研究。NASA具备完善的航天发动机及材料研究中心，自上世纪起便引领了火箭发动机用铜合金牌号的更新迭代，其在特种铜合金材料研发领域占据先行者地位;

当前国内液体火箭发动机推力室产品主要供应商为中国航天科技集团、中国航天科工集团等国营企业,优先供应深空探测、载人航天等重大国家太空项目的需求但仍难以满足未来商业航天发展的需要。斯瑞新材作为火箭推力室内壁行业的民营龙头企业,拥有高强高导铜合金制造的核心技术和关键装备,具备为客户提供规模化、性能优异的推力室内壁产品的能力。

我国商业航天产业尚处于初期发展阶段，产业链供应尚未充分发展，铜合金推力室内壁产品的技术成熟度和产能规模仍有大幅提升空间。由于先前我国火箭研发制造目标一般为满足运载火箭的一次性使用，国内重复使用运载技术较美国仍有较大差距。随着越来越多的民营商业航天企业开启了VTVL回收试验进程，未来国内火箭发射也将步入可重复使用时代，与之相对应的是应用材料性能要求的大幅提升。在此背景下，铜合金推力室内壁的产品成熟度需通过材料的产学研用及生产工艺的改进完善来提升，填补国内外材料代差刻不容缓。国内以铜铬铌材料为代表的推力室内壁产品需求量有望随火箭应用材料需求的推进而迎来从0到1的增长，相关企业需突破产能瓶颈以满足下游市场的快速扩容。

2.1.4市场空间测算

对于全球火箭发动机用铜合金组件市场需求，我们可根据卫星发射需求量、单台发动机对应卫星载荷、发动机可复用次数及铜合金组件价值量来推算铜合金组件市场空间。我们对 2025-2030年期间商业航天领域中铜合金组件产品的应用场景做出以下假设条件:

根据中航证券军工组队我们预计，在悲观、中性、乐观情况下，2025-2030年国内卫星发射需求量分别为6307、8410、10512颗，海外卫星发射需求量分别为 41000、45000、49000颗;

假设单台发动机对应的卫星载荷数量均为2颗;

鉴于我国火箭可复用技术尚未成熟，发动机复用次数暂时不计入考虑;假设海外发动机复用次数为15次;

国内火箭发动机以锆铜、铬锆铜材料为主，假设单台发动机中铜合金组件价值量约为 40万元/套;国外火箭发动机以铜铬铌、铬锆铜材料为主，由于铜铬铌材料具备更高的价值量，我们假设单台发动机中铜合金组件价值量约为120万元/套;

根据以上假设条件计算得出，2025-2030年期间全球商业航天领域铜合金市场空间在不同情境假设下分别为29.0、34.8、40.6亿元。

2.2热障涂层应用前景广阔

2.2.1基本介绍及历史沿革

随着航天技术的不断发展，航天发动机开始向着更高推重比、更高燃料使用效率发展，尤其是近两年可回收火箭概念的提出，航天发动机的使用寿命也成为了重要议题。为实现上述目的，更高的燃烧温度和二次加力燃烧室的使用将成为重要的发展方向。为了保证部件在高温环境下长时间稳定工作，通常的做法是采用耐1000℃以上高温的高温合金作为主材料，由于一般涡轮的温度高达2200K，因此只能通过在部件内开设导气通道，通过再生冷却的方式将温度降低到极限使用温度以下，目前受到镍基高温合金熔点限制，燃烧室和二次加力燃烧室的温度提高越来越困难。为解决这一难题，美国国家航空航天局于20世纪50年代提出了热障涂层(TBCs)概念。

热障涂层是指将具有高耐热性、高抗腐蚀性以及低导热率的陶瓷材料以涂层的形式覆盖在热端部件表面的一种热防护技术。作为一种复杂的多层涂层，可以在一定程度上阻止燃气温度向基体材料传递，降低基体工作温度，从而保障热端部件在高温环境的稳定运行。传统的热障涂层主要包括了四个部分:镍基高温合金基材、金属黏结层、顶部陶瓷层以及在高温环境中生长的热生长氧化物层。其中镍基高温合金基材是主要的基础材料,承担应力;金属黏结层作为顶部陶瓷层和高温合金基底的中间层,不仅能提高基底材料与顶部面漆之间的结合能力，还能保护基底不被氧化;顶部陶瓷层起到隔热以及防腐蚀的作用。目前氧化钇稳定氧化锆(YSZ)因其优异的隔热性能较高的热膨胀系数与断裂韧性，150um 的涂层最高可以提供170℃的降温效果，因此成为使用最为广泛的热障涂层陶瓷顶层材料。

热障涂层的提出和发展建立在航空工业对于“更快、更高、更强”的要求上:1)起源:热障涂层的研究起源于20世纪40年代未至50年代初，首次应用是60年代美国国家航空航天局(NASA)将热障涂层应用于试验机型X-15的发动机喷管和燃烧室。2)发展:70年代后期，在J75发动机燃烧室应用的等离子喷涂热障涂层标志着第一代涂层的诞生。20世纪80年代,美国普惠公司成功研发的第二代等离子喷涂(PS)热障涂层 PWA264首先在IT9D发动机的涡轮中应用。随后普惠公司使用第三代热障涂层PWA266采用的是低压等离子喷涂技术,这一代热障涂层将涡轮叶片的耐温极限提升了 150K左右。3)高:20世纪，各国都在积极研究热障涂层的设计和制备，并大量应用于发动机热端部件中，进入21世纪，热障涂层的工艺逐步成熟并广泛应用，美国几乎大部分民用、军用发动机都使用了热障涂层技术。

2.2.2工艺路线多元，三大技术趋势明显

热障涂层的制备主要是将颗粒状的金属或陶瓷材料熔化后均匀的覆盖在基体表面形成具有隔热特性的涂层。目前已有的热障涂层制备技术包括激光重熔(LR)、化学气相沉积(CVD)、等离子喷涂(PS)和电子東物理气相沉积(EB-PVD)等方法，综合来看，等离子喷涂和电子束物理沉积综合性能最高，目前使用最为广泛。

等离子喷涂(PS)应用于热障涂层制备始于20世纪50年代末，其工作原理是利用等离子弧发生器(喷枪)将通入喷嘴内的气体加热电离,形成高温高速的等离子流,等离子流将粉末加热到熔化的状态，然后通过高速焰流喷射到预处理件表面，快速凝固后形成热障涂层。等离子喷涂主要分为大气等离子喷涂技术(APS)和低压等离子喷涂技术(VPS)，其中APS应用陶瓷层的制备，而VPS主要制备黏结层。等离子喷涂具有喷涂用料适用范围广、致密度和强度高等特点，因此是所有热喷涂工艺中适用性最广的喷涂方法。

电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)是在真空状态下，以聚焦的高能电子束为热源将金属或陶瓷材料置于水冷坩埚中加热熔化至蒸发，然后在偏转磁场的作用下将气相的涂层材料沉积在基体上形成的热障涂层。EB-PVD蒸发速率高，几乎可以蒸发所有物质，且其沉积得到的涂层与基体的结合力比较好。相比于APS涂层，EB-PVD涂层的柱状晶体结构具有更高的应变容限、涂层更加致密且有更高的结合力，从而具有更高的热循环寿命、更好的抗氧化和抗热腐蚀性能，但其成本较高。

近年来，随着科研人员对热障涂层的研究逐步深入以及下游应用行业对于热障涂层的性能要求发生变化，热障涂层整体呈现出三大趋势:

结构/功能一体化:热障涂层的应用目前正在从简单的在热端部件表面进行喷涂和固化向结构/功能一体化的热障涂层部件转化，这意味着从部件层面，部件的结构设计的重构以及喷涂工艺的颠覆。但目前热障涂层的喷涂仍然受制于喷头的角度、工艺的难度以及产业链分工等多方面影响。未来，随着设计端更加一体化、更加复杂化的设计要求出现,从部件制造到涂层制造的一体化企业出现，热障涂层的结构/功能一体化将成为可能;

硅基非氧化物陶瓷逐步应用:在发动机燃烧室温度要求逐步提高的情况下，热端部件表面温度将达到 1400℃以上，这大大超高了现有镍基高温合金的耐温极限因此硅基非氧化物陶瓷成为研究重点。区别于传统的氧化物陶瓷，硅基陶瓷具有耐高温、热导率高、耐化学腐蚀等特点，因此被应用于高温热端部件中:

环境障涂层崛起:发动机工作环境中，硅基陶瓷的表面稳定性恶化严重，因此环境障涂层成为重要的解决方案。环境障碍涂层与热障涂层并不冲突，热障涂层的主要功能是降低基材的温度，而环境障涂层的主要功能是提高基材在高温下抵抗熔盐和水分侵蚀，提高陶瓷基复材的高温稳定性和耐久性。随着可复用火箭的技术进步，商业航天对火箭发动机的使用寿命提出了更高的要求,因此环境障涂层的需求将逐步提高。

2.2.3未来市场需求旺盛

根据产业调研，目前热障涂层主要应用于航空发动机的涡轮叶片等反复使用的热端部件上，而战略航天则由于价格高昂、一次性使用等特点，使用热障涂层的必要性和经济性不足而主要是用于空间站和货运飞船，例如天舟四号的大面积复杂部位、前舱门舷窗玻璃等部位。

2.3小结

火箭发动机作为对航天器对抗地心引力的核心，其推力的递增是火箭载荷提升的先决要素,而热端材料的极限性能高度是发动机能否持续提升燃烧效率和推力的关键。特种铜合金材料凭借其优异的力学性能，超越了一众材料，成为了最贴合燃烧室长期服役要求的合金。铜合金材料的选代升级也逐步满足了现代先进火箭发动机对可复用性能的要求。随着未来火箭发动机向大推力方向不断发展，燃烧室温度的提升将进一步催生具备高温稳定性和高热导率的铜铬铌合金材料的应用，走在材料应用前沿的相关研发制造企业和方案应用者将把握火箭发动机性能跃进的机遇。热障涂层有望助力火箭发动机进一步突破温度的限制，也保护了组件不受高温侵蚀，符合火箭回收利用理念。当前热障涂层的应用范围也逐步从热端部件表面向结构/功能一体化来转化，这意味着部件结构设计的重构以及喷涂工艺的颠覆。相信随着我国商业航天产业的崛起上游材料端有望受益于产业增量带来的牛鞭效应，从而站上更大的舞台。

制造需求引领新工艺变迁

除了涉及到新材料的应用外，商业航天领域中新工艺的应用对零部件的力学性能影响也不可或缺。由于商业航天在商业模式、需求结构等方面与战略航天的定位截然不同，因此对于供应链的需求也完全不同，前者更倾向于在达到性能要求的同时，努力提高性价比、载荷比。结合产业现况，我们将在本节对增材制造和热等静压工艺的应用情况作出分析。

3.1增材制造的应用不可或缺

在此前我们发布的深度报告《金属增材制造行业深度:新时代新工艺，先军后民踏上新征程》中，我们重点提及了增材制造在航天领域的应用前景。商业航天作为增材制造的重点应用领域，能对部件进行轻量化改进并降低加工成本，从而提升单发火箭的载荷和性价比。此外，商业航天尚不成熟的供应链体系和紧迫的发射任务导致其对于短流程制造工艺更为青睐，这也给予了增材制造技术更多的应用空间。

3.1.1三类主要参与者

增材制造的技术路线较多,目前在航天领域中应用较多的工艺包括激光铺粉、激光送粉以及电弧送丝，他们其中大部分都是传统战略航天和军用航空的供应商，根据他们的业务特点，我们将其分为三类:

1)产业链现有参与者:根据产业链参与度，铂力特、飞而康、钢研极光、华曙高科以及威拉里等企业，已经参与到商业航天火箭产业链中。涉及环节包括原材料供应、打印设备制造以及提供打印服务，部分企业已涉足其中多个环节。通过深度参与到下游火箭公司部件的设计、制造中，这些企业在相关领域的收入已经实现了一定规模发展迅速;

2)进入预研阶段的企业:铺粉工艺目前已经被火箭发动机制造企业接受，并深度参与到上游零部件的制造中。但送粉以及送丝等技术路线尚未在商业航天领域中铺开应用，融速科技、英尼格玛、抚顺东工等电弧送丝工艺为主的企业在该领域的应用主要以产品预研为主。随着增材制造在火箭封头、贮箱等部件接受度的提升，未来电弧送丝技术也有望在火箭制造环节中崭露头角;

3)有潜力的企业:近年来随着航天市场的蓬勃发展,部分为军工体系配套的公司也在商业航天领域跃跃欲试，如鑫精合、苏州倍丰等。相信随着行业规模的扩大，该部分企业也有望随着商业航天领域规模的扩大而一同成长。

3.1.2多元需求带来广阔空间

近年来民用航天的兴起带动了航天产业的全面繁荣，金属3D打印完美符合了航天产业多品种、小批量、整体化、轻量化、低成本等需求，在卫星、火箭、发动机多个领域存在较大的增长空间。未来增材制造工艺势必成为商业航天产业中主流加工技术，甚至是某些产品的唯一加工技术:

1)增材制造实现卫星结构减重:2019年8月17日，千乘一号01星作为主星搭载捷龙一号遥一火箭升空，卫星发射入轨圆满成功。千乘一号是目前国际上尺寸最大的增材制造整星结构，使用轻量化的三维点阵结构完成设计，通过铝合金增材制造技术一体化制备，整星历时14个月完成研制，重量65公斤。与传统卫星相比，传统卫星结构承载比20%左右，整星频率70Hz，千乘一号01星结构承载比15%,整星频率110Hz。该卫星采用铂力特的BLT-S600设备打印，内部采用点阵化结构，零件最小特征仅0.5mm，由于整体轮廓尺寸较大，因此整星内有超过100万个点阵结构特征。通过宏细观一体化优化方法设计的千乘一号考虑了整体工艺约束和整星装配约束，实现了点阵材料细观构型和连接结构的创新设计。目前该设计方法已经用于卫星整星结构、相变储能热控结构与有效载荷支架结构，相较于传统的制造工艺，实现了结构减重 30-60%;

2)火箭零部件需要增材制造:近年来，随着星链计划的推出以及行业内对航天的重视度提高，火箭发射将朝着高频次方向发展,因此加工的时效性成为了近年来产业的关注重点。传统火箭制造由载荷、制导、推进和结构四个主要系统构成，多年来一直依靠大型工厂、固定工具、复杂供应链以及大量成熟的产业工人，在2年或者更长的时间内完成制造。而如今商业火箭零部件生产商囿于投资久期、发展历史、风险承担能力等因素，难以套用传统火箭的制造体系。3D打印凭借无库存、柔性生产、快速制造、性能优异等优点，完美符合了他们的诉求，在小批量的情况下，成本较重新培育传统供应链具备更大优势，因此 3D打印几乎成为商业火箭零部件加工的必选路线;

3)火箭发动机:以SLM(激光选区熔化)为代表的技术正在逐步渗透，如火箭推力室的喷注器、燃烧室以及推力室喷管等部件均有应用。目前火箭发动机公司为了提高核心燃烧室耐温性、提升燃料的燃烧效率，采用再生冷却方法制造发动机内壁。再生冷却是一种提升发动机燃烧效率的工艺，推进剂直接流过推力室内外壁的冷却套，在吸收燃烧室热量的同时实现了推进剂的预热，这既降低了燃烧室温度,又实现了更高的燃烧效率,因此愈发受到重视。使用钎焊方法来制造再生冷却系统成本高、良率低，而3D打印的火箭推力室部件能生产带内流道的薄壁结构，从而实现结构功能一体化，有效解决了再生冷却系统加工困难的问题。火箭发动机燃烧室温度提升推动了再生冷却的需求，带动了内流道设计的兴起，而3D打印可以在成本更低的情况下更快的加工出内流道，因此成为了火箭发动机推力室部件的重要成型工艺。

3.1.3低成本大尺寸成为未来发展趋势

增材制造成为火箭发动机制造不可或缺的技术:基于上文，增材制造在火箭中尤其是发动机生产环节的应用范围较广。尤其是在再生冷却系统中，核心设计在于发动机推力室的冷却流道:一方面发动机尺寸较大、壁厚较薄，以便于推进剂的充分预热;另一方面，流道需要气液密封性好，内部结构复杂。这样复杂的需求使用传统工艺只能通过钎焊流道来实现，而采用增材制造工艺可以轻易实现流道的一体成型，这加速了设计的迭代以及发动机性能的提升。

低成本大尺寸成为下阶段目标:下个阶段来看，商业航天对于低成本、大尺寸增材制造部件的需求有望提升。一方面，商业航天更加密集的发射任务以及降本增效的需求使得打印部件的服务企业急需通过工艺改进来实现降本。另一方面，越来越多的部件开始采用增材制造工艺，其中不乏如贮箱、封头等大尺寸部件需要使用送丝工艺制造等案例。未来商业航天的制造工艺或将分为使用低成本、大尺寸以及高效率的送丝工艺用以制造火箭箭体,以及高精度及高复杂性的铺粉工艺用于制造发动机部件等。

3.2热等静压未来或将大放异彩

热等静压最初主要应用于航空领域，在涡轮盘成型以及粉末冶金成型领域发挥了重要作用。由于可复用技术尚未成熟，因此热等静压部件价值量偏高始终限制着其在航天领域的铺开应用。与增材制造类似，随着可复用技术的推广和商业航天主机厂对于高价值、高性能以及高可靠性的商业航天部件需求愈发旺盛，我们判断未来热等静压无论是作为部件成型抑或是热处理环节，都将在商业航天领域大放异彩。

3.2.1成型工艺复杂，有效提升部件性能

热等静压(HIP)近净成型技术是几十年来发展起来的新型成形技术。该技术以热等静压设备为基础，通过将粉末加热到一定温度，在高温高压下实现粉未材料的致密和成型。该技术和铸造类似，首先是根据产品结构设计制造包套，再通过各种包套形成类似产品形状的空腔，然后将粉末装入空腔中，经过弧焊接后形成密闭空间，通过预留的除气管将密闭空间抽真空，在一定的真空度内进行封焊，然后热等静压处理。高温高压后的粉末经历了粒子重排、塑性变形和扩散蠕变后完全致密，实现了构件成型，然后采取机加或化学方式将包套去除，即可得到热等静压构件。

热等静压提升了部件的力学性能。近年来热等静压需求的另一方向，来自于增材制造后端热处理需求。由于增材制造快速成型过程中输入能量不均匀会导致部件存在未融合孔隙，形成一定程度的缺陷。通过热等静压等热处理后，合金组织将部分马氏体组织进一步分解,并且因为高压实现了B晶形态的改变,使得工件内部组织结构更加均匀，能够提高合金的致密度，从而带来更好的力学性能。

3.2.2欧美较为领先，中企奋起直追

热等静压设备呈现出欧美领先，国内奋起直追的局面。瑞士的著名热等静压企业ABB 相关技术储备处于世界领先地位，而我国钢研院主要是从1972年开始研究热等静压技术，目前其子公司钢研昊普最新的产品HIPEX1850主要技术指标已经达到了国际领先水平。此外，还有中航工业川西机器、欧中科技、宁波江丰等多个公司先后研发出热等静压设备。整体来看，由于我国热等静压设备发展起步较晚、国内航空数据积累较少等因素，我国相关技术与欧美差距仍存。

粉末成型方面，我国已取得较大进展。在近年来航空航天旺盛的需求驱动下，北京航材院、航天材料与工艺研究所、中科院研究所以及华中科技大学等科研院校，安吉精铸、天工国际、钢研高纳以及应流股份等企业纷纷投入资源，目前已制成的钛合金热等静压件已经与传统锻件力学性能相当，并且具有较高的精度;

3.2.3可复用技术推动热等静压需求增长

目前热等静压技术主要应用领域包括航空航天、燃气轮机等。尤其在航空领域热等静压在航空发动机涡轮盘、压缩机外壳等部件的生产中已得到了成熟应用，粉末热等静压可以实现部件致密化，大大提升涡轮盘等部件的寿命。下图是英国罗罗公司通过热等静压生产的钛合金发动机压缩机外罩，通过计算机模拟和热等静压，实现了部件的高性能、高效率制造。

航天领域热等静压方兴未艾。反观传统战略航天领域，热等静压的应用却并不如意，主要应用热等静压成型一些致密碳质结构件，如火箭的舵面和固体火箭发动机的喷管喉衬等。分析原因,我们认为主要是航天领域受制于热等静压部件的价值量较高传统航天由于无法回收，因此热等静压制件的普及率并不高。随着国内商业航天可复用技术持续推进，且传统战略航天的供应链体系与当前的航天商业化趋势并不兼容在此背景下热等静压流程短的优势将得到凸显。我们预计，热等静压技术潜在的应用包括火箭发动机喉衬、涡轮盘以及各类动转子等对转动性和致密度要求较高的部件热等静压在商业航天产业链中的应用面有望持续扩大。

3.3 小结

商业航天最关键的问题是经济性，可复用技术的出现帮助降低了成本，同时较高的载荷也对更高性能的部件提出了要求，这有利于新工艺的拓展应用。增材制造在卫星结构、火箭箭体以及发动机部件中均有应用，而该工艺制造的发动机再生冷却体系极大的提升了燃烧效率，已经成为发动机不可或缺的核心工艺。热等静压工艺目前在航天领域应用较少，相信在可复用技术持续推进的背景下，未来应用有望扩大。与此同时，上述两项工艺又具备短流程的优势，顺应了商业航天对火箭部件快速生产的需求。

编辑：火腿肠