就像船用于海上运输,汽车用于地面运输,飞机用于空中运输一样,火箭也属于一种运输工具,其通行区域在太空,也就是我们通常说的航天。和海洋运输业、陆路运输、航空货运不同的是,航天的产业化才刚刚起步。
在商业航天兴起之前,航天以科研主导的国家任务、不计成本地追求技术先进性为主,发射的航天器多服务于科研、军事需要。发射频次不高,根据卫星等航天器的发射需要,从“打包装车”(将卫星装进火箭整流罩)、“运输路线安排”(发射轨道选择)、“监控配送”(卫星在轨测控与交付)基本都可以定制完成。随着以低轨卫星星座(主要是遥感、通信)为代表的商业航天兴起,快速增长的批量化发射需求牵引之下,对火箭的运载能力、发射频次、发射成本就提出了更高要求,推动航天发射服务向类似“航班化”服务的方向发展。大运力、高频次、低成本就成为航天发射领域的主要发展目标。因此,相关供应链体系就从过去为满足特定发射需求而进行的定制化生产,向着更加通用化、标准化和产业化的方向演进。这就好比面对日益增长的通勤需求时,我们需要批量投产公交大巴和开发公交路线,而不是去研制动能更强劲的超跑。当然,这仅仅指的是商业航天,在军事和科研领域,对尖端技术的追求是永恒不变的主题。
具体来说,为了最大可能以较低成本实现向太空批量“运输”卫星星座的需求,一方面需要在现有条件下提升整体效率,另一方面需要增加大运力火箭的研发投产,以及可复用火箭技术的创新迭代。效率上,主要通过优化发射流程、缩短火箭研制周期、星箭适配标准化这几个方面来改进。“拼车”式共享发射(一箭多星)相比多次单独发射而言,毫无疑问可以显著地降低成本,对于火箭运载能力余量及发射场地设备、发射窗口的利用率更高,能够有效加快卫星部署的速度。但是不是一箭多星数量越多越好呢?这个要根据发射任务来定,实施上的技术难度主要看发射卫星总重量和多星布设轨道要求,另外也受到卫星接口标准是否统一的影响。航天发射前,需要对发射场地进行准备,组装和检查卫星、火箭,还有加注火箭推进剂等。卫星出厂测试、运输到发射场、装进火箭整流罩、火箭运输安装到发射台等一系列动作都会消耗时间,各环节之间间隔越大整个准备周期越长。所以目前国内外航天发射场逐步在向集传统发射测试保障与火箭、卫星研发生产于一体的“发射综合体”转型,旨在减少各部件转运时间,增强各环节之间的综合协调,以极大缩短发射准备周期。目前海南文昌、山东海阳、甘肃酒泉等都在以发射场为中心吸引关联产业积聚发展。在发射操作上,火箭测发效率主要受发射台及附属设施技术准备和运行操作周期影响。这方面的优化主要是根据不断迭代的新型火箭特点,基于“三平”(火箭水平运转、水平总装、水平测试)和“三垂”(火箭垂直运转、垂直总装、垂直测试)模式做适应性改进。发射流程优化的直接效果,我们从长征七号运载火箭在海南文昌航天发射场的发射体验即可看出,测发天数从早期的38天降低到25天,整个测发周期缩短了34%。另外,由于发射任务密度快速增加,原有发射流程机制下的人工资源趋于紧张,发射质量控制压力较大。因此,我国航天发射领域正不断实施流程的精细化管理,同时数字化、智能化系统应用逐步覆盖到航天发射的完整生命周期。包括发射场智慧化、发射设施设备自动化管控、无人化远距离测发技术、射后快速恢复等等。其中太原卫星发射中心新建成并于2022年投入使用的9A工位,是我国首个智慧发射场,运用物联网和大数据技术对地面各设施进行统一数据采集和整合分析,实现全系统态势感知和全过程智能管控,从火箭加注到发射过程远程操控和无人值守,大大提升了发射效率和发射指挥系统的稳定性、安全性,单发任务流程从30天缩短到14天。为满足商业航天需求,火箭研发在构型设计、生产装配上也在快速发生变化。适应卫星小型化和高密度、高频次低轨星座发射为主的市场趋势,不是单纯的火箭运力越大越好,而是有限成本范围内能够适配多种发射需求、能够承载更大质量载荷,从而有机会接到更多发射任务的火箭,才有大规模组批生产的机会,进一步降低成本。当然,最好还能回收重复利用,真正像航班一样飞个来回。因此,在火箭研制上,一是结合数字化、智能化技术,缩短研发生产测试周期;二是提高火箭结构效率,为箭体减重的同时增加运载能力;三是通过模块化、组合化设计,实现多任务适配,为标准化批量组产形成基础;四是传统火箭可复用能力挖掘和基于组合动力的新型火箭技术研发并重。根据网上的消息,SpaceX火箭三个月可以完成一支火箭的生产,这个数据不知是否属实。国内对标的商业航天火箭生产周期也暂无相应数据,无法详细对照。按理说,作为工业大国,“中国速度”和低成本、高可靠的中国制造在全球有独特优势,无论造船业、汽车业(包括新能源汽车领域)还是航空工业我们都已经在国际市场上确立了领先地位,更何况曾经用算盘都能造出原子弹,没道理在迈向世界经济强国进程中,在商业航天领域赶不上对手。星箭协调是火箭发射至关重要的一个环节,是指在火箭发射前,对火箭和卫星之间的接口、分离机制、电气连接等进行精确匹配和调整的过程。星箭协调对于确保发射过程的稳定性、以及卫星在预定轨道上的成功部署都至关重要,关系到发射任务的成功与否,还直接影响到卫星的使用寿命和性能。星箭接口包括机械接口、电气接口、电磁环境接口、力学环境接口、热环境接口等。显然多任务适配的“标准火箭”,会面临卫星接口是否统一的问题。据网上查询消息,我国卫星和火箭制造商通常遵循如下标准:- 中国国家标准(GB)或国家军用标准(GJB)中关于卫星、运载火箭和地面系统的相关标准。
- ISO 12222中关于空间系统接口设计的国际标准。
- 中国航天科技集团公司主编的我国首项国际航天标准——ISO15862《SC/LV Flight Environments Telemetry Data Processing》,于2009年正式颁布,2013年获得中国标准创新贡献奖。
- 2019年公示的全国宇航技术及其应用标准化技术委员会归口上报并执行的《星箭接口要求文件》,由航天标准化研究所起草。
- 中国宇航协会2020年推出的《固体运载火箭与航天器接口要求》,主要起草单位是北京宇航系统工程研究所。
尚未有明确消息显示哪些接口标准是必须强制执行的,目前从市场看这块是没有形成统一的。这种标准的分散化现状无疑也对航天效率产生影响。当然,另一个方向是火箭设计将星箭接口“百搭化”,但商业航天起步阶段,发展日新月异,全产业链整体协调、统一接口标准总归是更有利也更高效的解决方式。