运载火箭分为固、液两种,液体火箭是主流趋势
运载火箭分为固体燃料火箭和液体燃料火箭,主要区别在于动力装置。液体火箭优势在于运载能力上具有更高的比冲和显著的运力优势且发动机可重复使用,固体火箭优势在于响应速度更快,燃料技术难度较低、成本较低,但固体燃料一旦点燃就难以关闭或重启发动机,大幅限制了二级火箭的变轨和一级火箭的回收能力,降低了火箭的商业价值。另一方面,未来可复用技术将集中在重型和主力大中型火箭,以实现重复使用效益的最大化。因此随着卫星组网对大运载能力需求的增加,大推力、可复用液体火箭将成为商业航天的主流。
资料来源:中国运载火箭技术研究院、《火箭贮箱结构材料应用及发展现状》(李雨等)、国际太空公众号、《商业运载火箭主发动机技术发展现状分析与展望》(朱仰招等)、 《2023年中国火箭行业概览》(头豹)、《长征六号丙运载火箭特点及技术创新》(丁秀峰等)、国海证券研究所
运载火箭成本构成:发动机价值量最高
运载火箭成本构成:以猎鹰9号火箭为例,全新的运载火箭成本总计4500万美元,其中一子级3000万美元、二子级1000万美元、整流罩等500万美元。
运载火箭的硬件成本主要包括发动机、箭体结构、电气设备、阀门机构、火工品、推进剂等。无论是一级还是二级,发动机和箭体结构均是硬件成本的主体,据《猎鹰-9运载火箭发射成本研究》(朱雄峰等),一子级中发动机占比超50%、箭体结构占比23.5%;二子级中成本占比最高的为箭体结构(29.5%),其次是发动机(28.6%)。进一步考虑复用火箭成本,由于一子级可以回收复用,因此只有维修成本约25万美元,二子级制造成本1000万美元,整流罩、推进剂等其他成本475万美元,复用火箭成本总计1500万美元。
资料来源:《猎鹰-9运载火箭发射成本研究》(朱雄峰等)、《新基建与高质量发展研究》(孙克强等)、创业邦、国海证券研究所
目前我国与美国在火箭发射运力和发射成本上仍有较大差距,提升运力、降低成本是我国商业火箭公司主要发展方向。
发射成本指发射1kg载荷到指定轨道的成本,通常采用火箭成本与最大运载能力的比值来表征。 据美国国家航空航天局艾姆斯研究中心统计数据,当前运载火箭近地轨道发射成本在1-10万元/kg,不同火箭发射成本差距较大,其中猎鹰-9系列的“猎鹰重型”近地轨道发射成本约0.9万元/kg,是世界上现役运载火箭中唯一一型近地轨道发射成本低于1.0万元/kg的运载火箭;据《新基建与高质量发展研究》(孙克强等),我国快舟系列近地轨道发射成本约1万美元/kg(折合人民币7.3万元/kg)。当前我国运载火箭的LEO运力和平均发射成本同美国差距明显,未来有较大优化空间,提升运力、降低成本是我国火箭企业发展的重要方向。
资料来源:《猎鹰-9运载火箭发射成本研究》(朱雄峰等)、《新基建与高质量发展研究》(孙克强等)、创业邦、国海证券研究所
我国商业航天发射场建设加速
卫星发射服务参与者包括火箭公司、发射服务提供方、发射场和保险公司。发射服务提供方一方面与卫星发射需求的公司对接,承揽国内外商业发射订单,另一方面同时对接火箭公司、发射场与保险公司。火箭公司主要负责运载火箭研制、发射任务分析、运载火箭技术接口协调等。发射场主要负责对发射活动进行计划和排期等。目前相关政策规定第三者责任险必须购买,而发射及在轨保险往往会作为卫星发射全套解决方案中的一部分,共同提供给卫星公司。
海南商业航天发射场及卫星超级工厂加快建设,我国商业航天运力有望显著提升、实现“百箭千星”,并推动产业链上下游协同发展。
海南商业航天发射场:海南商业航天发射场是我国首个商业航天发射场,于2022年7月开工建设,至2024年6月竣工,启用“双工位”发射体系。据文昌国际航天科普营公众号,目前单工位设计年度发射能力16发,发射效率与国际主流商业发射场比肩;同时,发射场二期项目(3号、4号液体火箭发射工位)也于今年1月正式开工,预计2026年底完工,建成后发射场年总发射能力将达到60发以上,有效缓解我国商业航天发射场资源供不应求局面。当前我国各大发射中心已有超过10个商业发射工位投入使用或在建,发射效率的提升将向商业航天产业链上下游传导——对于火箭企业,高频发射意味着技术迭代加速,可更快验证新型发动机、可回收技术等;对于卫星公司,密集的“太空班车”将降低单次发射成本,推动星座大规模部署;对测控、保险、数据服务等配套产业而言,相关公司也将随业务量增长实现规模化升级。
文昌卫星超级工厂:据海南日报公众号,卫星超级工厂及星箭产业园采用“1+1+8”架构,由一个卫星超级工厂、一个试验检测中心和八个核心单机研制中心组成,其中卫星超级工厂是目前亚洲在建的最大卫星超级工厂,预计总投资约10.91亿元。该工厂计划于2025年6月正式投产,紧邻文昌航天发射场和海南商业航天发射场,可实现卫星“出厂即发射”,大幅降低物流成本和潜在风险。项目竣工后可形成年产千星的批产能力。
我国部分在用/在建火箭发射场及工位统计(截至2025年3月12日)
液体火箭技术重点发展方向
液体燃料类型趋势:液氧甲烷。液氧甲烷火箭发动机具有理论比冲高、冷却性能好、不易结焦积碳、后处理快速便捷等多种优势,适宜于作为可重复使用运载火箭的主动力,实现快速、可靠、低成本进出空间和大规模航天应用。各航天大国都在积极开展可重复使用液氧甲烷火箭发动机的工程研制,典型代表猛禽发动机、BE-4 发动机和普罗米修斯发动机,中国航天推进技术研究院和多家商业航天机构也正在进行液氧甲烷火箭发动机研制。
新技术趋势:3D打印:为降低火箭成本,火箭制造厂商尝试寻求新的技术路径,而3D打印技术正逐渐应用于火箭发动机生产中,较大程度降低了发动机的生产成本、缩短了研制周期。
重复使用是未来商业运载火箭低成本发展的重要方向。一枚运载火箭的硬件成本占每次发射总成本的80%以上,尤其是发动机占据了绝大部分成本。发动机能否实现重复使用,是决定火箭回收和降低发射成本的关键因素。回收火箭维护后重复使用可降低发射成本,以猎鹰-9运载火箭为例,全新火箭在一次使用情况下总成本为4500万美元,在复用情况下一子级不需额外投入,仅需投入二子级和整流罩等,因此随着复用次数增加,其总体平均成本逐渐降低。
火箭可回收技术分为三种:垂直起降回收、升力式水平飞回、伞降回收。相比于其他回收形式,垂直起降回收对地面场地及保障要求更低、对火箭运载效率影响更小、火箭回收技术可行性更加可靠和稳定,商业应用价值更高,是当前火箭回收的最主流方式。
卫星发射服务主要是运载火箭的制造,“国家队”有航天科技集团、航天科工集团,民企第一梯队有星河动力、中科宇航、星际荣耀和蓝箭航天等。具体而言,与运载火箭结构件相关的上市民营企业有斯瑞新材/宝钛股份/博云新材(发动机原材料)、超捷股份(整流罩、贮箱等)、铂力特/华曙高科(火箭零部件打印工艺)、钢研高纳(其他结构件)、航天电器(高端连接器)、高华科技(火箭发射传感器)、九丰能源(甲烷燃料);国内有不少从事运载火箭整箭制造的民企,但目前均未上市,包括星河动力、蓝箭航天、星际荣耀、零壹空间等。
资料来源:iFinD、斯瑞新材公司公告、高华科技公司公告、《2022年中国商业航天发展白皮书》(创业邦)、各公司官网、国海证券研究所
中游卫星地面设备包括地面站和终端设备
卫星地面设备制造分为地面站及终端设备两部分。地面站负责发送和接收卫星信号,并对卫星网络进行管理,通常也称为地球站。
分类:地面站根据其是否可以移动的属性,分为固定站、可搬移站(静中通车载站便携站、背负站)、移动站(动中通车载站/船载站/机载站)等站型。
p 构成:典型的地球站主要由天线及伺服跟踪分系统、射频分系统、调制解调分系统、用户业务接入分系统、管理控制分系统及供配电分系统组成(许多卫星通信设备厂商在同一个设备中集成了调制解调、业务接入及管理控制功能,一般称这类设备为信道终端设备或卫星通信终端)。
资料来源:《卫星通信技术》(张洪太等)、《新基建与高质量发展研究》(孙克强等)、陕西维萨特科技公司官网、国海证券研究所
天线及伺服跟踪分系统:由天线、馈电、驱动、跟踪等设备组成,实现对卫星的高精度跟踪及无线信号的发射与接收功能。
射频分系统:主要由发射子系统和接收子系统组成。发射子系统由上变频器和功率放大器组成,功能是将调制器输出的中频信号调制到卫星通信使用的射频频段,并将信号进行功率放大,放大后的信号通过天线辐射到卫星。接收子系统由低噪声放大器和下变频器组成,功能是将天线接收的微弱射频信号进行低噪声放大,再变频到中频,变频后的信号送后端解调器进行解调。
调制解调分系统:由若干调制解调器组成。调制器将数字化后的用户业务数据进行信道纠错编码和数字载波调制,变频为满足卫星信道传输要求的中频信号;解调器完成输入中频信号的解调和译码,输出数字化的用户业务数据。目前一般将调制器和解调器进行一体化设计。
用户业务接入分系统:主要实现语音、图像等模拟业务的数字化(一般称为信源编解码),接口协议处理,多业务复分接,业务调度与接入控制等功能。
管理控制分系统:实现对地球站各设备的参数配置和工作状态的监视;在组网应用的情况下,还需要通过网管信道和中心站网管中心进行管理控制信息的交互(如信道分配信息等)。
供配电分系统:为地球站各设备提供所需的电能。
资料来源:《卫星通信技术》(张洪太等)、《新基建与高质量发展研究》(孙克强等)、陕西维萨特科技公司官网、国海证券研究所
卫星终端设备厂商有盟升电子/金信诺/星网宇达/七一二(终端设备)、海格通信/华力创通(终端设备及芯片)、铖昌科技/国博电子(通信芯片)等。
卫星地面站组件相关厂商有信维通信/盛路通信(终端天线)、创意信息(馈电基带)、雷科防务(地面站测控分系统)等。
来源:战略产业新研究
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