大討論重現？「固液之爭」再審視
——兼論固體火箭商業化的價值和緊迫性
作者 | 《衛星與網絡》李剛
一、歷史大討論再次浮現
（一）追求運力，液體火箭先勝一籌
在火箭技術領域，長期存在著所謂「固液之爭」。也就是固體火箭發動機和液體火箭發動機，哪個更適合作為航天動力？
上世紀七八十年代，曾經有過一場影響深遠的「固液」火箭發動機技術選擇的大討論。
雙方支持者各執一詞。液體派認為，液體發動機的飛彈在運輸時燃料儲箱是空的，總體較輕，運輸車輛的負荷較小，工程上更易實現。至於燃料，在發射場裡加注就可以了。固體派則認為，固體火箭的燃料是在車間裡澆鑄完成的，不需要考慮燃料加注的問題，運輸隊伍精幹，起豎後經過簡單檢測就可以發射。雙方各自強調的優點，正是對方的軟肋，討論一時相持不下。
液體燃料、固液混合燃料、固體燃料宇航運載器的典型代表（由左到右）：土星五號火箭、太空梭、長徵十一號火箭
由於液體燃料具有更高的比衝，對宇航發射來說意味著更高的優越性。而且太空梭助推器的研製和使用實踐證明，超大直徑固體發動機對運輸環節造成的困難確實比較大。其主要癥結在於，固體發動機的燃料是在出廠時已經澆鑄好的，因此運輸時，要把火箭本體和燃料一起裝上平板卡車，小心翼翼地把幾十噸重的龐然大物駛上公路，千裡跋涉前往發射場。但是，卡車和公路的承載能力是相當有限的，這就限制了出廠的固體火箭總體重量，進而限制了火箭的運載能力。用同樣的卡車、同樣的公路運輸液體火箭，只需要運輸一個空殼。到發射場加注燃料之後，就可以成為一枚遠比固體火箭運力強大的發射工具。
於是，在全球範圍內，運載火箭主要使用液體發動機這個技術路線就此確定下來。中國航天先後研製了「偏二甲肼+四氧化二氮」和「液氧+液氫/煤油」兩代發動機，支撐了長徵二、三、四、五、六、七運載火箭，取得了輝煌的成就。
然而就在這個時期，依然有一些固體火箭的型號在研製和使用。其中小型火箭包括美國的飛馬座、金牛座等型號，大型火箭包括日本的M5、艾普斯龍、印度GSLV MARK III助推器等。這些型號，有的是為了滿足小型衛星零星發射需要，有的是為了突破和掌握大直徑固體火箭發動機技術，但都沒有成為世界航天發射市場的主流。
（二）快速響應，液體火箭力不從心
固體發動機就此無緣航天發射市場了嗎？隨著技術的發展和歷史的變遷，這個似乎已有定論的舊話題再次呈現出新的意義。
進入90年代後半程，小衛星開始成為航天業的熱點。在小衛星的概念下，衍生出了微衛星、納衛星、皮衛星等諸多理念。由於這個時期小衛星的實用性有所不足，所有者們尚滿足於耐心等待火箭的搭載機會。
然而，一場突如其來的戰爭改變了這一狀況。9.11事件後，美國發動反恐戰爭，複雜的戰事和日益增加的傷亡，讓美國軍隊在戰術層面上對天基系統產生了前所未有的強烈興趣。各種類型的偵察衛星、通信衛星為美軍提供了巨大的信息優勢，但在旺盛的需求下也暴露出發射流程長、信息處理周期長的弱點，對戰術部隊來說，經常發出「遠水不解近渴」的抱怨。
為此，美國國防部提出的「作戰快速響應航天」（ORS）項目，致力於小型衛星的快速建造和發射。ORS的工作在美國乃至全世界範圍內引發了對小衛星和小火箭的熱潮。
美國國防部「作戰快速響應航天」（ORS）項目相關說明
正是小衛星的興起，讓人們重新把目光聚焦到運力較小的火箭上。
從國際航天的視角來看，小衛星在近20年裡取得的進展，遠遠超過了小型火箭，特別是立方星標準的提出，給一大批大學、科研機構提供了清晰的框架，讓涉及衛星系統規劃、研製、發射服務和運營的各方能夠在相同的技術標準框架下交流與合作。從1999年立方星標準的提出到2020年1月，已經有超過1200顆立方星入軌，每年發射的立方星數量都高速遞增。
維基百科統計的2003~2018年累計發射立方星數量
但快速發射火箭的研製卻步履艱難。在美國ORS計劃下一共使用過三種火箭，其中包括獵鷹一號、軌道科學公司的米諾陶火箭和夏威夷大學的「超級思迪比」。然而現在獵鷹一號已經下馬，「超級思迪比」僅發射了一次，就以失敗告終，至於米諾陶火箭，我們下文再表。總的來說，ORS的快速發射的努力並不成功。
為了解決問題，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）從2016年開始組織「快速發射競賽」，在經歷了多次坎坷之後，最後只剩下一家叫阿斯特的公司還在努力，然而這家公司也沒有取得成功，競賽最終在2020年初宣告流產。目前，西方世界已經投入使用，並且具有快速發射潛力的，只有紐西蘭人彼得•貝克發明的電子火箭，貝克曾經希望電子火箭能夠每72小時發射一次，但目前還遠未實現。2019年，「電子火箭」僅發射了6次；2020年截止12月15日，也只發射了7次。
其中的原因也很簡單，就在於這些火箭多數都採用液體燃料。
以「快速發射競賽」為例，液體火箭天然就有發射準備時間長的問題。DARPA給快速發射競賽提出的要求是，提前兩周通知發射位置。參賽者要在兩個星期的時間裡，把火箭和支援保障設施拉到指定發射地點，完成燃料加注、星箭對接、綜合測試等一系列工作，最終成功發射。阿斯特公司曾想盡辦法壓縮準備流程，但在3月2日發射前的最後一刻，發現箭上GNC系統不正常，只能放棄。
如果是採用固體發動機的運載火箭，情況就會有很大改變。在極限情況下，固體火箭可以裝好衛星、做好一切準備，接到發射要求後，在不超過一個小時內起飛。如果用來發射衛星，考慮到衛星的準備時間和空域使用的協調，把準備時間放寬到一個星期也是可以接受的。
如此簡單的道理，美國人難道不明白嗎？事實上，只是做不到而已。
（三）固體運載火箭，美國為什麼興趣不大
為何如此，原因並不複雜。
冷戰結束後，美國的「侏儒」飛彈下馬、「和平保衛者」飛彈停產撤編。曾經參與上述飛彈研製的幾家企業紛紛被收購，研發和產能嚴重萎縮，情況最嚴重的專業領域就是固體發動機。最終，美國只剩下一家能夠生產大直徑固體發動機的企業，就是諾斯羅普•格魯曼。大直徑固體發動機的客戶只剩下了太空梭助推器、米諾陶火箭、飛馬座火箭、地基反導攔截器等幾個有限型號。以米諾陶火箭為例，從1994年到現在，一直保持著低速的生產和發射頻率，最活躍的2011年也只發射了5次。當太空梭退役後，情況更是雪上加霜。
美國要想把產業基礎恢復起來，絕不是那麼容易的事情。美國空軍在為下一代洲際飛彈合同招標時，經過幾輪競標，決賽時只剩下了諾格公司和波音公司，但就在最後關頭，波音居然退出了，原因是波音也沒有大型固體發動機產能，就算波音拿下了合同，也要向諾格購買發動機，與其為別人做嫁衣裳，不如放手。幾乎同時，美國空軍還開展了新一輪「漸進一次性運載器（EELV）」（2019年3月已改名為"國家安全航天發射"，NSSL）的競標，有三個競爭者的三個型號系列進入決賽，分別是ULA的「火神-半人馬座」、太空探索技術公司的獵鷹九號和諾格公司的「歐米伽M」。前兩者都是液體火箭，唯有第三種是固體火箭。然而當諾格公司獲得美國國防部下一代洲際飛彈研製合同、拿到一千多億美元訂單之後，立刻心滿意足，終止了「歐米伽M」研製。也就是說，美國的固體火箭產業只能滿足一個方向的需求，不是運載火箭就是洲際飛彈。這也解釋了，美國的商業航天企業為什麼很少討論固體火箭解決方案。
太空探索技術公司如今是西方商業發射市場上的領頭羊。獵鷹九號和重型獵鷹的成功，在國際航天界掀起了一片跟風的潮流。幾乎所有人都在討論重型火箭、液氧甲烷發動機和可重複使用的話題。
然而，火箭畢竟是一種用來實施發射服務的工具，滿足用戶的需求才有其最根本的存在意義。在很多情況下，用戶需要一種發射準備時間短，可以靈活選點機動發射的火箭。這正是美國國防高級研究計劃局快速發射挑戰賽的初衷。然而，由於固體火箭供應能力的缺失，美國人在快速響應發射方面的努力迄今未能有實質性的進展。而液體火箭無論怎麼壓縮製造和準備流程，在響應速度方面也是絕不可能和固體火箭相提並論的。
美國做不到，中國能不能做到呢？
二、中國固體火箭的優勢和機遇
由於在大直徑固體火箭發動機研製上的長期投入，中國固體運載火箭正處在一個非常有利的態勢下：固體火箭的產能已經建立起來並且運轉良好，服務於生產線的管理者、設計師、工藝師、工人技師隊伍完整；主要分系統和關鍵元器件供應鏈完整而強大，質量合格、成本可控。用這些成熟的技術和產能研製不同等級的固體運載火箭，提供快速發射服務，正是商業航天的題中應有之義。
這種思路的第一批成果，就是已經發射了多次的長徵十一號火箭、快舟一號火箭和新研製的「捷龍」系列火箭。其中，長徵十一號火箭於12月10日剛剛進行了第十一次的發射，全部十一次發射均獲得成功。該火箭還開創了中國海上發射火箭的新領域，並且承攬了國際發射業務。
2020年9月15日，長徵十一號進行了第二次海上發射，取得圓滿成功
固體火箭在快速發射上的應用價值，簡單說就是隨時發射、隨處發射，以下簡稱「兩隨」。「兩隨」給發射服務商和衛星運營方帶來的好處有兩個。
首先是可以做到「火箭等衛星」，在軍用領域，固體火箭可以實施類似於美國國防部「快速響應航天」的發射；在民用領域，固體火箭可以對大型星座等重要空間基礎設施進行應急補網發射、時間敏感性自然現象的應急科學探測發射、災害處理衛星的應急發射等。這給衛星運營者帶來的優勢是極為顯著的。
其次就是可以自由地選擇發射窗口、自由地選擇發射位置，具有遠遠超過液體火箭的優勢。從理論上說，只要解決了空域使用和落區安全的問題，固體火箭可以在荒灘、戈壁、大海上起飛，暑假期間租用學校體育場發射也不是不可想像的。
這一切，都是馬斯克那條技術路線所不能做到的。
就此而言，用中國自己的資源，開發自己的固體火箭，做好中國自己的商業航天發射服務，建立一個具有強大國內國際競爭力的產業生態，是創業者們的現實選擇，也是歷史責任。
三、大力發展商業固體火箭一舉多得
雖然我們已經有了優秀的長徵十一號，但是國內固體火箭的製造能力卻遠遠沒有「吃飽」，巨大投資形成的資產和積累起來的技術成果，還沒有實現自己的商業價值。而解決大型固體火箭的商業化問題，將形成一個多贏的局面。
第一，國家投入巨資形成的固體火箭產能，可以轉變成產生經濟效益的發動機。
在可預見的將來，國內外中小衛星發射市場依然會保持繁榮，是值得投入的市場。據我們在學術領域的調查發現，有志於空間輻射環境研究、微重力研究、空間生命科學研究、空間材料科學研究等領域的大學、研究機構相當多，他們的需求已經催生了日益繁榮的立方星市場，隨之而來的就是對發射服務的需求。這種需求對發射的時效性要求很高，小型科研項目的周期往往在1~3年，攻讀學位的周期往往是碩士30個月、博士40個月，也就是說，學者們要用一定的時間來完成立項或者立題、理論研究和設計、樣機製造和調試，飛行試驗之後還需要時間來完成數據分析和結論，最後還需要時間來撰寫論文和發表，如果是攻讀學位，前期還要有理論課學習的時間。留給發射和在軌飛行的時間是很緊張的，假如學者們需要等上半年、一年甚至更久才有機會發射，能不能按時結題、畢業都是個很大的問題。
第二，固體火箭商業化，也能增加國內發射服務供應，為商業小衛星星座提供更多的入軌機會。
目前，國內商業航天市場上已經出現了大量的小衛星創業者。這些企業同樣需要按照自己的商業計劃書及時發射，假如讓他們苦等發射機會，星座建設進程達不到預期，或許就會錯失用戶市場，進而失去資本的支持。
第三、固體火箭並不局限於小型火箭，在有關技術突破之後，固體火箭同樣可以開發出大推力、大運載能力的型號。
太空梭的固體助推器就是最典型的案例。其他發射服務商同樣可以通過技術進步來開發大型固體火箭，承擔大型載荷發射、一箭多星發射等任務。國內已經有機構正在朝這個方向努力，例如北京中科宇航探索技術有限公司（簡稱「中科宇航」）研製中的兩型火箭。
中科宇航發布的中科一號（ZK-1）及中科二號（ZK-2）火箭，低軌道運載能力達到2~4噸。
四、固體火箭商業化時不我待
為了充分利用中國在固體火箭發動機製造能力方面的潛力，在長徵十一號、快舟和「捷龍」火箭之外，我們需要有更多中國企業站出來，充當產業龍頭，更加充分地把固體火箭的產能和科學、商業領域的需求對接起來，在市場和技術兩個問題上起到建立者和培育者的作用，創造出屬於中國自己的商業發射產業生態，進而為商業航天大產業生態的建設和航天產業國際化起到推動作用。
這正是中科宇航正在實施的戰略，這家混合所有制企業打算充分調動中國科學院系統在機械、電子、計算機、控制、光電、雷達等多個領域的科研能力，跨系統協調固體發動機研製相關單位的資源，開發一系列快速發射的固體火箭，為科學界和商業界提供穩定、可靠、及時的發射服務。
中科宇航擁有一個熟悉業務和流程的團隊，董事長楊毅強，曾擔任長徵十一號首任總指揮，對跨系統合作和總體協調相當嫻熟。此外，固體戰略飛彈研發相關企業在商業代工方面採取了非常開放的態度，一些民營火箭公司前期發射活動就在商業代工框架下，得到了體制內企業的有力支持，因此，中科宇航的戰略是具有可操作性的。
現在的問題是中科宇航研發的速度夠不夠快，能不能抓住固體火箭科研生產能力的巔峰期，順勢而為，把產業生態建立起來。按照中科宇航的計劃，其正在研製的中科一號（ZK-1）火箭系列能夠達到2~3噸的500千米近地軌道運載能力，中科二號正在瞄準500千米近地軌道4噸運載能力的方向前進。2021年，中科一號的第一枚火箭就要試飛。對這個時間表，我們還是有理由抱著樂觀態度的。
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