发射服务的整个链条涉及单位与环节众多,是一个复杂的系统工程。整个发射服务链条包括上游火箭零部件制造商提供动力系统、控制系统、火箭箭体等部件给中游的火箭公司(大部分火箭公司会自研动力系统等核心系统),火箭公司为卫星制造商提供发射服务,最终实现在轨交付给卫星运营商。发射环节还涉及到使用发射场资源,火箭及卫星需要购买发射保险等。
运载能力是火箭的核心指标,固体燃料火箭和液体燃料火箭各有优缺点,液氧甲烷发动机是商业火箭发展趋势:固体燃料火箭可以长期储存,快速响应,发射地点灵活,在军用领域、自然灾害等紧急情况下使用意义重大,特别适用于在军事冲突满足军事现代化对快速响应和小卫星发射的要求。液氧甲烷火箭发动机对比偏二甲肼等常规推进剂燃料,无毒、环境友好;对比液氧煤油发动机,液氧甲烷比冲更高、不易结焦,使得发动机复用变得更加现实;虽然液氧液氢比冲最高,但氢燃料相对价格贵,液氧甲烷密度是其6倍、成本只有不到液氢1/30。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。此外,在液氧煤油和液氧液氢方向,国家已经申报大量专利,涉及材料、工艺及产品,民营企业将面临专利壁垒。
俄罗斯、日本、欧洲等应对美国SpaceX商业火箭挑战,纷纷启动液体商业火箭型号的研制任务,并普遍把火箭首飞时间瞄准为2020~2021年。国内商业火箭公司也迅速崛起,逐渐形成不同阵营和梯队。两大阵营:中国长征火箭公司和航天科工火箭公司。另外阵营则是民营火箭公司,包括蓝箭航天、星际荣耀、零壹空间等在内的十几家商业火箭公司。按照目前的火箭研制与发射进展来看,蓝箭航天的液体火箭,星际荣耀、零壹空间等的固体火箭已初步崭露头角,在商业航天领域占有一定优势,属于商业航天的第一梯队。
卫星发射市场增长迅速,中大型液体火箭成为发射缺口亟需的必备补充。2018年,全球航天运输领域的发射活动十分活跃,首次超过100次发射纪录,共执行114次发射任务。中国火箭发射次数39次首次超过美国,位居全球第一。2018年,航天发射市场增长迅速,达到62亿美元,同比增长34%。
低轨卫星与商业火箭发展相辅相成,当前我国卫星发射存在较大缺口,中大型液体火箭成为市场亟需的高效率运载器。首先,当前航天市场,卫星应用更加多元化,以通信、遥感、导航等为代表,不局限于军用,融合行业和消费应用,相应带来更大的卫星需求。其中,低轨卫星系统被认为是最有应用前景的卫星移动通信技术之一,并逐渐成为发射市场的主力需求,其研制周期短、成本低廉、通过星座组网可实现全球覆盖。低轨化、小型化、星座规模扩大带动火箭发射需求急剧上升,倒逼商业化。其次,卫星的频段、轨道等可用资源有限且有优劣之分,供需矛盾日显突出已成为不争的事实,国际规则中卫星频率和轨道资源的主要分配形式为“先申报就可优先使用”的抢占方式,因此各国纷纷抢占卫星频率及轨位,保频占轨意义重大。此外,商业火箭军用化也是实现快速空间响应作战的捷径。
1)在卫星需求端,十四五是中国卫星发射爆发期,中大型液体火箭将是最佳选择。当前我国体制内星座组网行云、鸿雁等先后提上日程,仅已规划的国内国家队和商业队卫星分别就有560和2458颗卫星,我们按照单星质量*星座规模测算,总重量约601吨;欧洲市场也需要发射1354颗,总重量约237吨。从中可看出,2021-2025年是中国卫星发射市场的爆发期;星座轨道都在LEO轨道面;单星质量都在100kg以上。因此行业发展最关键的就是要具备充足的火箭运力供给,考虑到单星质量均在百公斤级以上,而在进行百公斤级卫星的“一箭多星”发射任务上,中大型液体火箭将是最佳选择。
2)在火箭供给层面,当前卫星发射存在较大缺口,中大型液体火箭作为最高效的运载器将面临需求激增。剔除国家队历年发射中政府军方发射性质的发射后,每年用于商业发射的最大运力为40吨,仅完成现阶段已经公开的国家队+商业队卫星工程就需要15年时间。且低轨卫星在轨生命周期短,一旦开始组网,卫星公司为了尽快实现服务能力,就必须尽可能在最短的折旧期内,把所有的卫星打上去。所以,最佳发射窗口周期将集中在未来5-7年内。若按照7年的履约周期,每年也会有46吨的运力缺口,则每年需要12发LEO运力在4吨的中型火箭来匹配。而事实上,并不是所有国家队箭型都适合打低轨组网,实际的供给运力会更少;再考虑到欧洲、中东等国际市场的发射需求以及正在规划的中国其他卫星工程,中大型火箭的需求预计达到25-40发,民营公司火箭可以成为运力上的必备补充,中大型火箭需求将大幅增长。
因此2020年-2027年是全球低轨卫星密集组网、竞争最激烈的时期,也是火箭公司的黄金窗口期。面对商业火箭这样一个全球性竞争市场,谁能在这个时间段内最早推出能满足市场需求的中大型液体箭型,谁就能最早吃到市场和政策红利,谁才能真正脱颖而出。
多视角下看国内商业火箭公司发展:
1)人员专业配置来看,运载火箭研制所需的人才及专业配置要求非常高,相关专业子条线覆盖了从设计、研发、测试到总装的全流程超20个子系统,人员专业配置的背后其实火箭人才的竞争。目前看,蓝箭航天各专业子条线齐备,已覆盖从设计、研发、测试到总装的全流程,专业配置优势突出;成立早、研制进度快、技术路线坚定、内部稳定的公司,在人才配置上将具备先发和领先优势,而人才优势一旦建立将自然愈发巩固,难以被轻易赶超。
2)从产品角度看,固体小火箭未来竞争激烈,中大型液体火箭需要及早卡位并争取身位优势。商业固体燃料火箭产品运载能力基本集中在近地轨道300kg左右,主要瞄准商业微纳卫星组网和小卫星补网市场,未来符合该运力的箭型将有十几型,面临的竞争将非常激烈。目前民营火箭公司中研发中大型火箭的仅蓝箭航天一家公司,其选择液氧甲烷发动机作为主攻方向且进展最快,80t液氧甲烷火箭发动机“天鹊”(TQ-12)于2019年5月17日全系统试车成功。“天鹊”发动机由蓝箭航天自主研发,是世界上第三型大推力液氧甲烷发动机。同时,专注于动力系统研制的九州云箭、宇航推进等分系统公司也在快速突进液氧甲烷发动机的开发。
国内民营火箭公司产业化与商业化的前提:建立起火箭研制生产的核心保障能力和优质的供应链体系。
1)火箭研制生产保障能力,主要指自主可控的两个基础设施:试车台和总装厂。试车台是火箭发动机必不可少的生产试验设施,从时间保障、研发成本和技术机密等三个因素来看,拥有自主可控的试车台是非常必要甚至是唯一选择。总装厂是运载火箭和发动机进行大规模商业化生产的基础保障,没有总装厂的企业,研制和生产将存在极大的脱节风险。如果民营火箭公司试车台和总装厂二者都没有,意味着距离真正的技术迭代和产业化商业化阶段,还有很长的一段路要走。
2)商业航天和民营火箭所需的优质供应链,是一个全新的工业生态系统。商业航天的优质供应链,需要通过创新性地引入原先航天领域以外的供应商,进行新产业、新技术和新工艺的深度跨界融合,(比如全三维数字化设计、3D打印、机器人激光焊接、数字化弯管等先进技术和工艺),最终实现产品质量和生产效率显著提升,从而打造全新的航天工业生态系统。
因此,民营火箭公司,从初创阶段走向产业化、商业化阶段的前提是:必须具备自主可控的试车台和总装厂等研制生产保障设施,以及优质和创新性的供应链体系,二者缺一不可。
风险提示:供应链和研制生产保障能力出现瓶颈、运载火箭发射失利风险、商业卫星星座建设不达预期、商业发射服务订单不达预期。
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