截止2020年3月，Space X已經累計發射了6批次合計360顆Starlink寬帶物聯網星座衛星，這預示著太空空間資源的爭奪已經變得越來越激烈。作為支持航天產業發展的基礎環節，發射一直都被認為是制約行業快速發展的瓶頸。而火箭發射中最重要的組成部分正是動力源泉——發動機。因此本篇作為我們商業航天系列文章中的一部分，將重點分享一些我們對于火箭發動機細分行業的一些思考。基于此，本篇文章我們將重點討論以下幾個核心問題：

• 為什么要關注火箭發動機？

• 火箭發動機的分類，未來技術發展趨勢是什么？

• 如何看待液氧煤油和液氧甲烷技術路線選擇？

• 火箭企業自研發動機和獨立發動機公司間的關系？

• 從哪些維度來衡量火箭發動機公司優勢？

為什么要關注火箭發動機？

除了作為核心的產業鏈戰略環節外，從投資角度來看，發動機細分賽道還在以下幾個方面具備獨特的價值：1）發動機成本占目前火箭整體成本最大，動力部分低成本化是整個行業發展的基礎根據美國聯合發射聯盟（ULA）的統計，火箭的動力部分占總體成本在40%-60%的比例，是整體成本占比最高的部分。尤其是一級發動機，占成本比例超過50%。因此有效地降低動力成本是未來商業航天發展的重要基礎，也是目前限制行業進一步發展的瓶頸。以Space X為代表的航天企業帶動美國商業航天產業快速發展，目前已實現高可靠、可回收發射服務，正是在動力方面實現了顯著的成本降低。

注：United Launch Alliance (ULA,美國聯合發射聯盟)

2）發動機技術壁壘比較高，一旦突破有機會獲取更高超額收益火箭發動機，尤其是液體大推力發動機具有很高的技術壁壘，中國體制內一款液體發動機研發時間至少需要8-10年時間，Space X一款發動機研發也需要至少5年時間，因此完成一款液體發動機研發將建立很高的競爭壁壘，一旦技術實現突破，有機會獲取更高超額收益。3）火箭發動機技術具備應用外溢性，在很多其他領域有更豐富應用潛力無論小型固體火箭發動機還是中大型液體火箭發動機，發動機技術都具有很大的技術外溢性，通過一定改進可以將技術外延到民用等其他領域。固體發動機技術和軍用裝備中導彈技術具有很大共通性，經過改進可以用于導彈的動力源。而液體發動機中一些關鍵閥門、特種泵、燃燒裝置等則和民用相關技術也有非常大的轉化效應。尤其目前一些關鍵低溫泵技術，在運輸、轉運低溫LNG、LPG等液化石油氣上具備非常大應用空間。參考行業數據，一般發動機與衍生民品營收比例為1：2，因此在民用領域，通過對火箭發動機技術改進，有機會拓展更大應用市場。 

火箭發動機的分類，未來技術發展趨勢是什么？

如果按照用途來講，火箭發動機有很多種，本部分我們重點討論大推力火箭發動機，主要用于火箭發射一級動力，它也是技術壁壘最高，亟需實現技術突破的領域。1）固體燃料發動機技術壁壘較低，火箭運載能力較弱，未來中大型火箭仍以液體燃料發動機為主按照燃料推進劑不同，可以分為固體發動機和液體發動機。總體而言，固體燃料發動機技術壁壘較低，對應固體火箭相對運載能力較弱，可以長期儲存，快速響應，發射地點靈活，在軍用領域、自然災害等緊急情況下使用意義重大，特別適用于在軍事沖突滿足軍事現代化對快速響應和小衛星發射的要求。而液體發動機技術難度更大，運載能力更強，發射前期準備時間較長，主要應用于衛星組網、空間站建設、深空探索等領域。

目前中國以及國際主流火箭基本上都以液體火箭為主，液體火箭通過發動機技術的不斷改進可以持續提升火箭的運載能力，并且有效降低單位重量發射成本。

2）液體發動機初期以擠壓式技術為主，但技術路線限制發動機性能提升擠壓式燃燒通過高壓氣瓶持續對燃料和氧化劑進行擠壓，在燃燒室匯合后燃燒來獲得推進動力。但是由于需要額外高壓氣瓶存在，因此在體積上占據很大空間，造成整體火箭空間利用率降低，另外發動機動力依賴于單位時間內可向燃燒室推入的燃料和氧化劑的量，量越大，燃燒越充分，推力越大，而高壓氣瓶所產生的壓力是有上限的，并且持續時間有限，因此理論上很難持續提升推動力。

隨著技術的進步，經過改進，通過泵壓的形式則可對燃料和氧化劑進行持續加壓推進，因此發動機技術向泵壓方向轉變。而泵壓式液體發動機又可以進一步分為燃氣發生器循環、高壓補燃循環、全流量分級燃燒循環三大類。 3）燃氣發生器循環，目前民營商業航天主流技術路線通過增加泵來增加燃料和氧化劑進入燃燒室的速率，驅動泵轉動則來源于與其相連的渦輪機，而驅動渦輪機轉動的能源則來自于火箭的小部分燃料。所有燃料和氧化劑在進入燃燒室之前有小部分先進入預燃室，在預燃室燃燒后驅動渦輪機轉動帶動燃料泵和氧泵轉動，進而將燃料和氧化劑泵入燃燒室燃燒。這種液體發動機的驅動方式被稱為燃氣發生器循環。

從上圖我們可以看到，由于燃料充分燃燒會產生3000度以上的高溫，而渦輪機很難耐受如此高的溫度，因此通過調節進入預燃室的氧化劑或者燃料比例可實現不充分燃燒，多余出來廢氣則通過廢氣噴管排出。燃氣發生器循環的不足主要是燃料的利用率有損耗，尤其是不充分燃燒的廢氣直接排除損失了一部分能量，而為了加壓增加渦輪泵的轉速需要更多的燃料進入預燃室，這樣則造成更大的燃料浪費，實驗中轉速到了某一個臨界值，燃氣發生器循環的性能反而下降。因此在此基礎上，通過技術改進則出現了新型循環方式——高壓補燃循環。 4）高壓補燃循環，目前體制內主流技術路線高壓補燃循環核心是將多余的廢氣重新注入燃燒室進行燃燒，實現燃料充分利用。高壓補燃可以帶來燃燒室室壓大大提升，明顯提升發動機推進效率。以煤油為例，高壓補燃循環相比燃氣發生器循環可以將燃燒室室壓提升一倍以上，效果明顯。

高壓補燃循環還不是最高效率的循環方式，目前世界最領先的技術則是全流量分級燃燒，可實現最高的燃燒效率。目前Space X最新的猛禽發動機即采用這一循環方式。

• 富燃預燃室——驅動燃料泵

• 富氧預燃室——驅動氧化劑泵

綜上所述，從技術發展趨勢上看，未來大推力中大型火箭將主要采用液體發動機作為主動力，而液體發動機中不同循環方式帶來的燃料燃燒效率和發動機推力則存在顯著差異，目前商業火箭發動機能實現燃氣發生器循環方式下的發動機研發，例如Space X梅林發動機主要采用液氧煤油推進劑進行燃氣發生器循環。而國家隊則大部分已近實現更高技術壁壘的高壓補燃循環，例如中國的YF100液氧煤油發動機、俄羅斯RD-180液氧煤油發動機、日本LE-9液氫液氧發動機、美國RS-25液氫液氧發動機等。而作為最高技術難度的全流量分級燃燒循環方式，還沒有一款完全成熟發動機實現過火箭發射，目前Space X猛禽發動機已完成全系統點火試車，預計2020年將裝配在星際飛船原型上進行首次試驗發射。 

如何看待液氧煤油和液氧甲烷技術路線選擇？

縱觀全球，航天發動機推進劑選擇過程中大多集中在液氧煤油和液氫液氧兩種推進劑，液氧煤油以俄羅斯（前蘇聯）、中國為主要實踐國家，液氫液氧以美國、日本、歐洲（歐空局）為主要實踐國家或地區。而液氧甲烷在過去幾十年間很少被人們所關注，直到Space X宣布，其未來用于載人登月和火星探索所使用新型猛禽發動機將采用甲烷作為燃料推進劑，至此液氧甲烷路線再次被人們所熟知。不考慮液氫液氧的高成本、高技術壁壘外，我們重點對比一下液氧甲烷和液氧煤油兩種推進劑發動機的優劣勢，由此看未來的技術路線趨勢如何。

如果列舉兩者的差異和優劣勢，有非常多的維度可進行對比，上表簡要列舉部分指標的對比情況。綜合而言，甲烷和煤油各有優劣，性能參數方面差別不大，對中國商業航天而言，我們可以從兩個角度來看待對兩者的選擇——1）短期發展上，兩者任何一個有突破都將具備非常大價值，對商業航天發展至關重要中國商業航天發展還處于比較早期階段，我們和美國商業航天之間還存在很大差距，尤其是在低成本可重復使用運載火箭層面，因此短期看，無論是甲烷還是煤油，只要技術有所突破，那么對于我們實現可回收的低成本運載火箭都將具備很大價值。在技術方面，煤油的技術成熟度確實比甲烷要更完善，很多參數、指標、性能都有更豐富的數據參考，并且體制內的技術外溢性更好。但另一層面來看，如果采用燃氣發生器循環，且初期不追求過大推力（超過100噸以上），甲烷的技術難度實際要比我們想象簡單，Space X和藍色起源的兩款甲烷發動機一直沒有完全成熟也是因為采用了技術難度更大的全流量分級燃燒循環和高壓補燃循環路線，而且推力上更大，分別達到300噸和250噸。事實上國內民營企業研制的甲烷發動機已經取得了很大進展，技術突破在即。在成本方面，兩者都具備可重復使用度，可有效降低火箭成本，但是由于煤油燃燒的結焦和積碳問題，實際可重復使用次數上比甲烷還是要低。因此如果兩者在相同運載能力下實現可回收發射，甲烷的成本要比煤油更有優勢。2）長期發展上，甲烷的優勢更明顯，煤油面臨更大挑戰如果參考美國商業航天發展，Space X作為絕對的行業領導者，它在未來商業航天上有更加遠大目標，如深空探索、載人登月、火星移民等。若往返于地火之間，由于火星95%以上是CO2，通過CO2的裂解可以用來制備甲烷，但是卻很難制備煤油，如果火箭在發射前還要裝備需要返回所需燃料顯然效率要低很多。因此甲烷對于航天產業長遠發展來講更具優勢，當然目前這些也都是理論可能，我們只能抱有盡量樂觀的態度去嘗試和探索。 綜合看，如果將長短期結合考慮，甲烷路線將更加具有繼承性，我們短期的技術投入有助于為未來長期更大推力、更高難度液氧甲烷發動機的研發提供有效支持。從Space X選擇看，也一定程度上說明甲烷路線可能更加有效，否則它完全可以延續之前梅林煤油發動機路線繼續從燃氣發生器循環向全流量分級燃燒循環轉變。如果我們再上升到中國和美國商業航天競爭角度，中國在可回收火箭上實現甲烷發動機的突破，未來火箭發射成本可能比現在Space X獵鷹系列（使用梅林 1D液氧煤油發動機）更低，如果延續煤油路線可能只能一直處于追趕階段。因此，我們認為堅持國產液氧甲烷發動機的研發對中國商業航天發展至關重要，希望在不遠將來盡快看到中國企業在甲烷發動機研發上的突破。

火箭企業自研發動機和獨立發動機公司間的關系？

• 俄羅斯RD-180液氧煤油發動機至今仍在向美國出售，作為美國宇宙神5號（Atlas-5）和安塔瑞斯號（Antares）火箭一級動力源

• 美國專業火箭發動機公司洛克達因為NASA提供火箭發動機

• 中國航天動力部分有獨立的航天四院和六院負責

因此，和航天產業類似的航空產業鏈中，獨立的發動機公司是獨立存在的，單獨對外提供產品，背后核心原因在于高技術、資源、人員投入的壓力，促進了更高效率的產業鏈分工效應。

獨立火箭公司對外提供產品，和下游客戶是一對多的關系，因此更容易實現規模化，成本上可以做到更低。而從產業鏈分工角度講，中國在商業航天尚處于緊急追趕階段的時候，充分發揮產業鏈各環節的分工優勢，各環節實現突破有助于行業更快速發展。歷史數據表明一款大推力的穩定可靠液體發動機研發投入資金都要達到上億甚至數億元，體內一款液體發動機研發時間至少需要8-10年時間，Space X一款發動機研發也需要5年時間，因此完全依賴火箭公司自研發動機在資源、人力分配上可能面臨非常大的挑戰，而通過有效產業鏈分工有助于加速中國商業航天的快速發展。

事實上，Space X之所以要自研發動機，核心原因還是當時對外無法采購到低成本、高可靠、可回收的發動機產品，迫不得已才投入大量精力自研。而中國的火箭整體和發動機企業完全可以考慮進行有效的分工配合，實現快速追趕的目標。

從哪些維度來衡量火箭發動機公司優勢？

下表列舉了目前世界各國及地區主要發動機基本情況，從表中可以看到，從推力水平上中國發動機和國際領先水平還有很大差距，目前立項在研500噸液氧煤油和220噸氫氧發動機將達到世界先進水平，也將為中國登月和空間站建設提供支持。

1）技術參數方面，推力越大、比沖越高、推重比越高證明發動機性能越優越，深度變推能力范圍越大更利于可回收技術應用推力越大意味著火箭動力越強，目前眾多火箭都可能采用兩臺以上進行多級并聯的形式來提升火箭的整體推力。比沖越高意味著火箭推力所能持續的時間越長，這樣有助于將火箭推離更遠的距離。推重比是火箭整體推動力和火箭重量的比值，數值越高同樣意味著火箭性能越優越，加速效果越好，這一指標除了和發動機推力密切相關外，火箭整體設計同樣重要。深度變推力能力范圍越大，尤其是向下變推能力越大意味著火箭返回過程中可以更好的進行變推力調節，實現火箭穩定降落。向上變推力大則可以在多級并聯情況中，如果單臺發動機出現故障，通過調整其他發動機提升推力水平，彌補故障帶來的推力損耗，實現火箭到達既定軌道的目標。2）研發階段上，各部組件完成到完整全系統試車將驗證產品性能火箭發動機一般由幾大核心部件組成，每一部分可以獨立完成，然后組裝為整體發動機系統。以燃氣發生器循環為例，發動機重點的四大核心部件包括點火器、渦輪泵、推力室和燃氣發生器。

      燃氣發生器循環示意圖                           Space X梅林 1D火箭發動機

在研發過程中燃氣發生器、點火器以及推力室需要經過單一部件的點火實驗，而渦輪泵研發完成后則需要同其他部件組裝后進行系統試車。一般實現全系統試車意味著一款發動機的研發基本完成，后續則需要進行多次、長時間的點火實驗來保證發動機的穩定性、可靠性。火箭發動機一般在地面按照參數進行充分的點火試車，則大概率可認為產品達到研發目標、發動機性能穩定、產品成熟，而不一定非要通過發射來進行實驗。真正的發射實驗更多的是驗證發動機和火箭整體之間的配合度、融合度。

3）研發效率上體現技術積累及未來成本水平一款發動機的研發效率可以從資金投入和時間投入兩個維度來看，在盡量少的資金投入情況下利用更短的時間完成產品的研發意味著研發效率更高。如果研發過程中出現多次反復、設計修改則會耽誤資金、人力和時間，這樣將影響未來產品的成本。研發效率越高意味著團隊對于技術積累和理解越全面和深入，也可以越快的從產品研發轉向商業拓展。前期的研發資金、人力投入越少意味著未來產品的成本水平越低。總體來講，中國的商業航天大推力液體發動機研發在快速進步，但我們也要看到，中國的技術都還處于研發早期階段，距離產品成熟并發射上天還有一定路要走。未來在發動機試車臺建設和共享（此部分也將是發動機研發中較大的投入）等方面還需要更多政策支持，希望看到更多體制內的基礎設施對民營商業航天企業開放。從投資角度上，需要更多的風險投資資金能夠進入這一領域支持中國液體發動機的研發。需求方面除了民營之外，參考美國商業航天的發展，未來在政府采購上同樣存在巨大空間，目前中國60%的火箭發射任務還在采用YF20發動機，此款發動機所用燃料和推進劑由于存在劇毒而需要被淘汰，因此中國民營商業火箭發動機研發完成也將非常好的滿足體制內發射需要。總而言之，從國家政策、投資以及技術研發等多方面，希望不遠將來看到中國民營商業火箭發動機能夠騰起升空，盡早實現首次發射。