運載火箭產業深度研究報告

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1、運載火箭系統概述

火箭是依靠火箭發動機噴射工質（工作介質）產生的反作用力向前推進的飛行器，按照火箭用途分類主要包含運載火箭及探空火箭兩種。在航天產業中得到較多應用的是運載火箭，運載火箭是能夠將人造衛星、載人飛船、空間站或空間探測器等有效載荷送入預定軌道的航天運輸工具，由單級或多級火箭組成。運載火箭與飛彈儘管在任務目標、氣動布局、結構與規模上存在一定區別，但主要組成的部組件類似，具體包括箭體結構、推進系統、控制系統、飛行測量及安全系統、附加系統等。運載火箭系統的基本組成可如圖 30 所示。

運載火箭整機的主要技術指標為運載能力、入軌精度和可靠性等，其中，運載能力代表了可以送入預定軌道的有效載荷的重量；入軌精度代表了有效載荷實際運行軌道與預定軌道的偏差，是運載火箭控制系統的重要指標；可靠性是衡量火箭系統工作過程中可能出現故障概率的重要指標。以上技術指標在一定程度上代表了人類自主進入太空的能力。而在當前商業航天發展過程中，成本特性以及快速響應特性（發射準備時間）也成為了重要的核心指標，以上各核心指標與運載火箭整機未來發展趨勢也具有不可分割的聯繫，將在 3.4.2 節中詳細分析。

2、運載火箭產業市場現狀

2.1 運載火箭整機市場規模

在航天發射次數方面，近 10 年來，全球及我國的火箭發射次數整體保持上升趨勢（見圖 6），2019 年，全球發射次數合計為 102 次，其中商業發射 78 次，佔比超過 75%。

市場規模方面，衛星發射一直是航天火箭發射的主要下遊應用領域。根據美國衛星工業協會（SIA） 發布的統計數據（見圖 32），全球當前衛星發射市場在每年 45-65 億美元之間波動，僅佔衛星產業總市場的 2%左右，主要原因為儘管當前衛星市場受到組網、星座化的影響而快速增長（詳見 4.2 節），部分衛星星座甚至擁有上萬顆衛星的高密度部署計劃，但受到微小衛星或小衛星佔比的提高，運載火箭也同時在向「一箭多星、星多箭少」的趨勢發展。綜合以上，我們預計，未來全球航天發射的年度總次數在中短期仍將保持在 100-160 次左右，而火箭發射在航天產業市場中的佔比或將維持在 2%左右。

具體到我國火箭發射市場，根據中國與全球衛星發射次數的比例，可以測算得到我國火箭發射市場近年來的變化（見圖 33）。可以發現，2018 年我國衛星發射市場出現了較大幅度的增長，這主要是由於我國「通導遙」衛星星座部署數量及完成度較國際航天強國均具有一定差距，而 2018 年我國衛星部署頻繁，包括北鬥三號系統、鴻雁及虹雲工程的驗證星發射等，導致 2018 年我國衛星發射次數達 39 次，較 2017年增長了 1 倍以上，在世界各國航天發射次數中居首位。但由於 2017 年我國長徵五號遙二火箭發射失利導致多個航天重大工程的發射進度延遲，以及我國一箭多星發射技術逐漸成熟，2019 年我國航天發射次數有所下滑，當前，截至 2020 年 6 月 30 日，我國 2020 年已實現衛星發射 15 次，基於航天科技集團在 2020年計劃發射超 40 次，在我國新冠肺炎疫情防控已經取得階段性成果背景下，我們預計 2020 年全國航天發射將集中在下半年，發射次數有望超過 50 次。

目前，以美國商業航天火箭發射行業龍頭 SpaceX 為代表的商業航天發射企業，憑藉可重複使用火箭等核心技術，在商業發射單位報價等方面形成了強大的競爭力，2018 年 SpaceX 預測其在世界商業發射市場份額將達 60%以上。

反觀國內，根據航天愛好者網披露的中國航天發射記錄，我國 2012 年以來在海外商業航天發射市場方面，火箭發射載荷中包含海外衛星次數合計不超過 20 次，年均不超過 3 次，充分表明了當前我國商業航天發射主要以國內市場為主。我們認為，出現該情況的主要原因有兩方面，一方面是成本問題，由於我國商業航天發射產業目前主要以航天科工集團所屬火箭公司的「快舟」系列以及航天科技集團的「長徵」 系列為主，尚未有進入應用階段的可重複使用火箭型號，發射成本較高（快舟 11 號（2020 年 7 月首飛失利）LEO 軌道發射成本目標為不高於 1 萬美元/kg，長徵 11 號甲運載火箭（預計 2022 年首飛）重視經濟性，預計發射成本達到 1 萬美元/kg，而獵鷹 9 在 2020 年 3 月披露發射成本約為 0.40 萬美元/kg），在國際市場上缺少競爭力；另一方面是技術問題，美國在 2011 年通過了沃爾夫法案，基本全面禁止了中國商業火箭發射的國際合作，導致我國航天產業的國際化和國際交流遭遇了極大的困難，為我國商業航天發射技術的發展和商業推廣都增添了大量阻礙，研發成本及時間成本有所提高，競爭力有所下降。

另外，我國 2020 年長三乙發射印尼衛星失利以及快舟 11 號的發射失利，也將對我國商業航天發射在國際上的品牌產生一定的負面影響。綜合以上考慮，可以推斷我國未來短期內的航天發射市場仍將主要集中於國內衛星發射市場，而未來伴隨成本控制能力較強的民營商業航天發展以及國家隊技術水平的提高， 該情況有望逐漸改變。

衛星按照應用領域可以分為通信衛星、導航衛星、遙感衛星、科學實驗衛星以及技術驗證衛星等，由於衛星發射時實現「一箭多星」時所需的火箭數量既受衛星自身的種類、所處軌道、質量等多因素影響， 同時也受不同火箭可以攜帶的運載能力影響。為實現對我國 2020-2025 年火箭發射次數的需求進行較為合理的測算，我們忽略科學實驗衛星以及技術驗證衛星等商業價值不大的衛星，僅考慮未來即將部署，實用價值較大的通信衛星、導航衛星、遙感衛星，並按照重量將其為大衛星與小衛星（包含微小衛星）兩類進行統計（統計過程詳見 4.2.1.1 節衛星製造市場測算部分），具體結果如表 14 所示。

基於《歐洲諮詢報告》中對 2012-2020 年各類衛星實現「一箭多星」時的衛星發射數量及衛星發射次數的比例，我們對單次火箭發射各類衛星的效率進行了測算（向上取整），忽略當前未統計的衛星部署計劃及發射失敗等情況，2020-2025 年的運載火箭發射次數需求將超過 180 次，具體結果如表 15 所示

考慮到我國每年運載火箭發射次數與美國接近，按照美國衛星工業協會（SIA）發布的 2014-2019 年全球火箭發射單次市場規模的均值（5931.25 萬美元）測算，2020-2025 年的中國火箭發射次數市場合計為108.54-111.51 億美元（約 759.79-780.55 億元），平均每年 18.09-18.58 億美元（約 126.63-130.09億元）。

2.2 運載火箭各分系統市場情況

類似於飛彈，運載火箭也是一個由若干個相互聯繫、相互作用、相互依存的分系統結合而成的複雜系統，其研發生產同樣屬於系統工程。具體各分系統概念及功能見於 3.1 節。參考國外運載火箭發射成本，主要由火箭硬體成本、直接操作成本和間接操作成本組成。如圖 34 所示，火箭硬體成本佔發射成本的 75%，發射操作、推進劑等直接操作成本約佔 15%、行政管理、發射場工程支持與維護等間接操作成本佔 10%。按照上節中的測算，即 2020-2025 年間每年火箭硬體市場規模約為94.97-97.57 億元。

美國政府及軍方發射諸如第三代 GPS 導航定位衛星、軍用偵察衛星以及 X-37B 飛行器、「好奇號」火星探測器等高價值衛星或有效載荷，採用了美國 ULA 公司旗下最具競爭力的運載火箭——宇宙神 5 系列運載火箭，從該系列運載火箭的成本構成（見圖 35）來看，火箭發動機成本佔比達到 36%，其次為箭體結構及電氣系統（此處的電氣系統為廣義的電氣系統，概念包含了 3.1 節提及的運載火箭控制、飛行測量安全系統中的遙測系統、附加系統中的狹義電氣系統等），分別佔比為 28%及 21%。可以發現，以上三大部組件合計佔比達到火箭硬體總成本的 75%，是運載火箭硬體成本的主要構成。

3、運載火箭產業鏈分析

運載火箭研發生產的產業鏈與飛彈武器系統近似，產業鏈上遊主要為工程研製，具體涉及到運載火箭的總體論證、設計（包括運載火箭總體設計與分系統設計）、仿真測試、試驗部分，主要由航天科技、航天科工集團所屬企事業單位以及部分商業火箭企業參與實施，同時部分科研院所、廠及民營企業參與樣件的定製化研製、生產、實驗。

產業鏈中遊主要以運載火箭研製定型後的試樣設計、生產製造及模型總裝為主，其可按照元器件配套加工生產、分系統（部組件）集成、模型集成進行產業鏈的再次細分。其中，元器件配套加工生產及分系統（部組件）由航天科技、航天科工、中國電科等軍工集團所屬企事業單位及民營企業參與，總裝集成主要由航天科技、航天科工集團所屬總裝廠以及部分商業運載火箭企業參與。

產業鏈下遊主要為運載火箭的飛行試驗及應用發射，由運載火箭總體設計單位主要負責運抵發射場，同時航天測控網相關單位也要參與進火箭的正式發射過程。

具體運載火箭研製產業鏈及各部分相關的上市公司可如圖 36 所示。

4、運載火箭系統技術發展趨勢

4.1 總體技術發展趨勢

與種類繁多的飛彈整機相比，運載火箭整機方面的技術發展趨勢更為明確，2017 年 11 月中國運載火箭技術研究院發布了《2017-2045 年航天運輸系統發展路線圖》，系統規劃了航天運輸系統的能力建設前景與發展藍圖。

根據路線圖中的規劃，到 2020 年，長徵系列主流運載火箭達到國際一流水平，同時面向全球提供多樣化的商業發射服務。其中，低成本中型運載火箭長徵八號實現首飛，在役火箭實施智能化改造，商業固體運載火箭與液體運載火箭可為用戶提供「太空順風車」、「太空班車」及「VIP 專車」等商業發射服務。2025 年前後，可重複使用的亞軌道運載器研製成功，亞軌道太空旅遊成為現實。同時，空射運載火箭將快速發射能力提升到小時級，智能化低溫上面級投入使用，運載火箭將有力支撐空間重大基礎設施建設、空間站運營維護、無人月球科考站建設，商業航天建成集地面體驗、商業發射、太空旅遊、軌道服務為一體的系統體系。

具體來看，從近年來我國運載火箭整機的研製發展方向上看，運載火箭當前的發展趨勢主要為無毒、無汙染、低成本、高可靠、大推力、適應性強、安全性好等。除此以外，未來伴隨航天發射任務多樣化的需求，運載火箭發射快響應也將成為重要的技術發展趨勢。

在總裝技術方面，由於運載火箭總裝一般為先將除動力系統以外的各分系統的設備、儀器、閥門、導管、電纜及零部件裝入相應部段後，再進行各部段和發動機的對接，當前裝配以手工操作為主，因此柔性、數位化自動裝配技術是運載火箭總裝的發展方向，同時相關文獻也總結裡了我國航天裝備總裝技術發展路徑圖（見圖 37）

參考近 30 年來，美俄歐日等主要航天國家，按照模塊化、通用化、系列化的發展思路，研製的宇宙神 5、德爾它 4、安加拉、阿里安 5、H-2A 等主力運載火箭，成功率均都達到 95%以上，部分超過 97%，表明當前各航天大國主力運載火箭的可靠性已達到較高水平。然而隨著航天發射市場競爭程度日漸激烈，以上主力火箭的發射價格大部分超過了 1 億美元，對下遊航天發射市場的拓展產生了較大不利影響。目前，

國外航天研發機構和商業公司紛紛提出了新一代大型主力運載火箭的研製計劃，都把降低發射成本作為一個主要的目標，如 SpaceX 通過可重複使用火箭降低成本、軌道 ATK 計劃進一步優化「飛馬座」XL 空射運載火箭的發射價格等，在我國商業航天發射仍處於較早期的階段，我們認為，我國無論是航天央企、其他國企還是民營商業航天企業均會將在保證發射成功率前提下，降低成本都將成為最重要的發展重點之一。

4.2 重點分系統技術發展趨勢

如 3.4.1 節中分析，運載火箭作為複雜系統工程的產品，其整機的性能發展趨勢主要為無毒、無汙染、低成本、高可靠、大推力、適應性強、安全性好、發射快響應、數位化以及智能化等，其中低成本是商業航天發射領域考慮的最主要因素之一。以上整機發展趨勢對以運載火箭產業鏈中上遊的各分系統（部組件）、元器件（零部件）的發展趨勢產生了重要影響，本節將主要針對幾個運載火箭成本主要構成，且與資本市場相關性較強的部分部組件及元器件進行深入的技術發展趨勢及投資機會分析。具體包括箭體結構中的運載火箭材料及相關加工工藝、推進系統、以控制系統中的制導系統及其附加系統中的電氣系統。

4.2.1 箭體結構分系統（材料製造及加工）

運載火箭的箭體結構是火箭的主體。主要包括整流罩、級間段、尾段等部段，而液體運載火箭還包括壓力容器部件即推進劑貯箱等。其中，貯箱主要採用鋁合金材料。推進劑貯箱的成形工藝主要包括鈑金成形工藝、拼焊工藝以及銑削工藝。整流罩、級間段、尾段等幹部段結構大多採用鋁合金鉚接結構、整體鑄造後機加結構或複合材料夾芯結構，主要涉及到的成形工藝包括鉚接、鑄造、鈑金成形、熱壓罐固化等工藝。

箭體結構生產成本主要取決於材料、工裝模具、人工工時以及設備損耗等其他費用。以某型固體運載火箭為例，其箭體結構成本構成如圖 38 及圖 39 所示。可以看出，在單發生產時的情況下箭體結構主要成本取決於人工工時、原材料以及模具工裝的成本。而在系列定型後，大批量運載火箭生產時生產線等固定資產投資佔比將達到箭體結構成本的一半，材料成本及人工工時費用將下降至 15%。由於我國運載火箭當前仍以單發生產為主，未來有望轉入大批量商業運載火箭生產，因此，目前材料成本及工時費用（受加工工藝影響）等仍是箭體結構的主要成本構成。

目前，普通高性能金屬材料仍是航天結構材料的重要組成部分，但其應用已基本接近技術的極限，隨著航天飛行器迫切的減重需求，具有優異力學性能的輕質結構材料，尤其是以鋁合金、鎂合金、鈦合金及複合材料等材料為代表的輕質結構材料成為航空航天研究的熱點。

輕質合金結構材料方面，涉及到的技術發展重點包括超高強鋁合金，在力學性能的大幅度提升造成相應的塑性降低、淬透性差、淬火殘餘應力大、機加工難度大等一系列問題；耐高溫高強鎂合金中，工業化變形鎂合金總體強度水平不高、塑性較差，大尺寸結構件抗拉強度和延伸率有待提高，高強耐熱變形鎂合金大尺寸鑄錠的熔鑄技術和加工成型技術有待提高、鎂合金結構件全生命周期防護技術；大多耐高溫高強鈦合金工程化應用水平不成熟。

輕質複合材料方面，發展趨勢為提高結構複合材料的耐高溫性能、力學性能，掌握耐高溫樹脂基結構成型技術，降低製造成本，形成具有自主智慧財產權的結構複合材料體系。

4.2.2 推進系統

火箭推進系統是產生火箭推進力的系統，是火箭中最重要的分系統之一。火箭推進系統主要包括主動力系統、輔助動力系統及增壓輸送系統三部分，我們著重分析主動力系統，即為運載火箭提供飛行主推力的發動機系統。目前，運載火箭主動力系統主要採用火箭發動機，具體可分為固體火箭發動機以及液體火箭發動機。總體來看，發展大型、重型運載火箭及可重複使用火箭是一個國家邁向航天強國的必然途徑，大推力、低成本、高可靠和使用維護方便是動力系統的重點發展方向，同時，在高可靠的基礎上實現低成本是重中之重。

① 固體火箭發動機

固體火箭發動機方面，目前，運載火箭固體火箭發動機主要為大型（大推力）固體火箭發動機，其技術發展趨勢類似於飛彈大型固體火箭發動機發展趨勢，詳情可見 2.4.2.3 節。

② 液體火箭發動機

液體火箭發動機方面。由於我國新一代中型運載火箭和重型運載火箭對大推力液氧／煤油發動機和液氫／液氧發動機提出了新的研製需求，對比衝、推力、推質比等性能的需求有所提升，還需要具備推力調節、故障診斷等功能，並大幅優化使用維護條件，因此需要發動機大範圍節流技術；同時需要對現有液氧／煤油發動機和液氫／液氧發動機改進，以便將為新一代火箭適應未來任務提供強有力支撐；加大對具有系統結構簡單、組件相互獨立性好、研製周期短、研製費用低等優點的開式循環液氧／煤油發動機的相關研究。

③ 航天推進系統其他技術發展方向（可重複使用、核動力、電推進）

針對航天推進系統還有其他技術發展趨勢，中短期來看，包括具有良好的機動性、靈活性，可實現快速進入空間的先進空射動力系統技術，遠期來看還包括：比衝可達千秒量級，推力可達百噸量級，可在發射後半年內載人登陸火星，是可預見的未來太空探索的首選推進系統的核熱推進系統；使用起來類似液體推進劑，可有效提高使用維護性的凝膠推進系統；低成本、無毒、無汙染、高可靠、使用維護方便的可重複使用火箭發動機，特別是液氧/甲烷推進劑組合的可重複使用火箭發動機，是可重複使用火箭發動機的重要發展方向之一。

4.2.3 制導系統

類似於飛彈制導系統，運載火箭控制系統中的制導系統是由測量、控制裝置和箭載計算機等組成。其功用是測量和計算火箭的位置、速度、加速度、軌道參數等，與預先裝定的參數比較，形成制導指令。考慮到中國長徵火箭系列的制導系統一般採用慣性制導，而控制裝置及箭載計算機主要為軍工央企相關企事業單位為參與主體，相關投資標的較少。

具體到慣性制導方面，我國運載火箭主要採用雷射慣性測量單元和光纖慣性測量單元互為主備份，測量箭體轉動角速率、平移加速度。光纖速率陀螺和橫法向加速度計組合正用於火箭穩定系統和姿態控制系統，測量箭體的偏航、俯仰和滾動角速度，以及箭體線加速度和姿態信息。目前，宇航用慣性技術的發展趨勢集中在如何進一步提高慣性儀表和系統的精度；實現慣性儀表和系統的高可靠、長壽命、長期免標定；以及實現輕質化、低功耗和低成本。

4.2.3 電氣系統

運載火箭電氣系統主要負責實現飛行過程及地面測試過程中的導航制導控制、參數測量、遙測遙控、供配電管理以及故障診斷功能，是運載火箭的重要組成部分之一。目前運載火箭整機對電氣系統的研製需求可以分解為大結構尺寸對輕量化需求、大功率負載對能源需求、全天候無依託測控需求、高智能的飛行故障適應性需求以及子級獨立應用/測試需求。

綜合國內外的技術發展差距和火箭發展需求，後續運載火箭電氣系統發展主要瞄準集成化、輕質化、智能化、便捷化發展方向。涉及到的相關技術包括綜合電子類技術（模塊化集成技術、高速實時總線技術、分時分區作業系統）、輕質化技術（光纖互聯技術、箭地無線供電、無線傳感技術以及高壓供電體制）、多電火箭技術（電靜壓伺服機構及流體動力電源技術）、智能化技術（智能測試技術及智能控制技術）以及便捷化技術（遠程異地實時交互、子級獨立測試、高碼率天基測控及推進劑液位測量技術）等。

5、運載火箭產業投資機會分析

綜合以上分析，關於運載火箭產業投資，我們有如下判斷及建議：

（1） 在當前「一箭多星」發射技術的日益成熟背景下，我們測算出中國未來運載火箭產業的市場規模將處於每年 128 億元左右，由於運載火箭產業需要前期大量的研發投入以及生產線的固定資產投資，因此我們判斷，航天發射市場規模或難以同時承載以航天科工所屬火箭公司和航天科技集團所屬運載火箭研究院等為代表的商業航天「國家隊」，以及眾多民營商業航天發射企業。考慮到大量民營商業航天發射企業的運載火箭所用元器件、部組件均需要採購自航天央企所屬的相關單位，我們預計，運載火箭市場整體將由以航天科工、航天科技所屬商業航天企業（如航天科工火箭及長城火箭）以及少數民營商業航天公司龍頭佔據、大量的民營商業航天發射企業或將會在競爭過程中被整合或淘汰。

（2） 當前業務包含火箭設計為主業的上市公司僅為航天科技集團所屬中天火箭（主要為探空火箭），類似於飛彈產業，建議關注在運載火箭領域具有深厚技術積澱的航天科工及航天科技集團相關科研院所、廠的資產證券化。

（3） 在運載火箭中，發動機、箭體結構及相關加工工藝、控制系統中的制導系統及其附加系統中的電氣系統是運載火箭成本的主要構成。其中，動力系統方面，上市公司包括中天火箭，建議關注航天科工六院、航天科技四院、航天科技六院相關資產證券化情況，以及部分擁有先進動力系統技術且具有良好成本控制能力的民營商業航天公司；箭體結構方面，上市公司包括光威復材及中簡科技等，建議重點關注擁有 3.4.2.1 節相關航天用先進材料製造加工技術的標的；電氣系統方面，上市公司包括航天電子及中天火箭等，建議重點關注航天軍工央企所屬相關上市公司以及與航天央企相關單位存在穩定供應關係的相關項目標的。

（報告觀點屬於原作者，僅供參考。報告來源：中航證券）

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