原創(chuàng) 趙健 甲子光年

中國火箭復(fù)用率的“馬斯克命題”。

作者｜趙健

北京時間3月7日上午，馬斯克的SpaceX在星艦第八次試飛任務(wù)中遭遇失敗，第二級飛船在飛行不到10分鐘后發(fā)生爆炸。

不過，這并非一次完全意義上的失敗。該火箭的第一級助推器又一次實(shí)現(xiàn)發(fā)射塔回收，在降落時由發(fā)射塔上的機(jī)械臂夾住，實(shí)現(xiàn)半空中的捕獲回收。這一堪比科幻電影的火箭回收方式被稱為“筷子夾火箭”。

這并非SpaceX第一次成功實(shí)現(xiàn)“筷子夾火箭”了。2024年10月13日星艦的第五次試飛、2025年1月17日星艦的第七次試飛，都成功實(shí)現(xiàn)了一級火箭的筷子回收。2024年11月20日的星艦第六次試飛，由于關(guān)鍵硬件的自動運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測觸發(fā)問題，第一級火箭的捕獲嘗試被中止。

為什么要關(guān)注“筷子夾火箭”？因?yàn)檫@是當(dāng)前最先進(jìn)的火箭回收方式。馬斯克曾透露，星艦的設(shè)計目標(biāo)是在升空后1小時內(nèi)實(shí)現(xiàn)火箭助推器的再次飛行。

1小時是什么概念？十年前SpaceX獵鷹九號通過“著陸腿”成功實(shí)現(xiàn)了一級火箭回收，但回收后的火箭大約需要50天的準(zhǔn)備才能復(fù)飛。假如利用“筷子夾火箭”的方式能從50天縮短到1小時，理論上可以實(shí)現(xiàn)1200倍的效率提升。

“筷子夾火箭”聽上去很美好，但實(shí)現(xiàn)起來很難，SpaceX是目前唯一成功實(shí)現(xiàn)“筷子夾火箭”方案的火箭公司。

但在大洋此岸的中國，也有人正在沿著馬斯克的腳步追逐SpaceX，試圖復(fù)現(xiàn)“筷子夾火箭”。

火箭專家唐文就是其中一員。

2024年，唐文創(chuàng)立火箭公司「宇石空間」，采用了與SpaceX的星艦相同的火箭制造、發(fā)射與“筷子回收”的技術(shù)路線。換句話說，宇石空間要造的火箭是中國版星艦。

唐文告訴「甲子光年」：“我們造火箭的人有一個說法，火箭要做成像飛機(jī)那樣‘航班化’的交通工具。顯然50天的發(fā)射周期是不可能做到航班化的，而SpaceX用實(shí)際行動證明了‘筷子夾火箭’的方案是可以做到的?！?

被稱為中國版星艦的火箭公司不止一家，其中不乏成立近十年的更加成熟的火箭公司。作為一家剛成立不到一年的初創(chuàng)公司，宇石空間還有入局的機(jī)會嗎？

本文，「甲子光年」專訪了宇石空間創(chuàng)始人、CEO唐文，來回答如何在中國打造一家“筷子夾火箭”的火箭公司。

1.商業(yè)火箭的“兩個元年”

商業(yè)火箭之所以帶有“商業(yè)”二字，是因?yàn)檫@一產(chǎn)品或服務(wù)的價格最終達(dá)到了可以作為商品的較低的階段。在推動火箭進(jìn)入商業(yè)化階段的路上，馬斯克掌舵的SpaceX是毫無疑問的先驅(qū)。

SpaceX成立于2002年，但真正讓商業(yè)火箭達(dá)到臨門一腳的事件，則是十多年之后的2015年。這一年12月，獵鷹九號火箭成功實(shí)現(xiàn)人類史上第一次火箭回收。

在此之前，火箭發(fā)射都是一次性的。由于難度極高，不具備批量化生產(chǎn)的規(guī)模，成本動輒上億甚至數(shù)億美元。到獵鷹九號發(fā)射的時期，單次發(fā)射費(fèi)用已經(jīng)降到約5400萬美元，并且還在持續(xù)降低。

2015年不僅對于SpaceX具有重要意義，在國內(nèi)也可以看作是商業(yè)火箭的第一個元年——誕生元年。

在2015年之前，造火箭一直是國家隊(duì)在做的事情，市場上不存在民營的商業(yè)火箭公司，因?yàn)閴焊筒淮嬖谏虡I(yè)火箭相關(guān)的營業(yè)執(zhí)照的品類。

直到2014年，國務(wù)院發(fā)布指導(dǎo)意見，鼓勵民間資本參與國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，民營企業(yè)才正式涉足火箭研制與發(fā)射。2015年之后，一大批民營火箭公司集中成立，比如星際榮耀、零壹空間、藍(lán)箭航天等等。

但是從2015年到2024年的九年時間里，商業(yè)火箭的市場空間極其有限。2023年全年中國火箭總發(fā)射次數(shù)為67次，而商業(yè)火箭僅13次；2024年，中國火箭總發(fā)射次數(shù)為68次，而商業(yè)火箭僅12次。作為對比，2024年美國SpaceX公司總發(fā)射次數(shù)為138次。中國商業(yè)火箭發(fā)展道阻且長。

火箭發(fā)射的主要場景是衛(wèi)星發(fā)射，客戶絕大部分為體制內(nèi)的衛(wèi)星院所，而衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)份額絕大部分仍為國家隊(duì)所占據(jù)。

唐文告訴「甲子光年」：“商業(yè)火箭公司的市場定位主要還是國家隊(duì)的補(bǔ)充，技術(shù)與供應(yīng)鏈也多來源于國家隊(duì)，火箭價格相比于國家隊(duì)并沒有明顯的優(yōu)勢。”

但2023年，市場發(fā)生變化，唐文稱這一年為商業(yè)航天的第二個元年——商業(yè)化元年。

這一年，星網(wǎng)集團(tuán)的GW星座計劃和垣信衛(wèi)星的千帆星座計劃，總規(guī)模近三萬顆衛(wèi)星正式開始衛(wèi)星組網(wǎng)布局，這兩大衛(wèi)星集團(tuán)為商業(yè)火箭公司提供了最可觸達(dá)且最清晰的市場需求。

圖片來源央視新聞

唐文算了一筆賬：單顆衛(wèi)星重量按500kg計算，發(fā)射價格按照4萬元/kg估計，這兩大星座計劃帶來的增量市場達(dá)5600億元，年均發(fā)射次數(shù)將達(dá)到約500次，平均每天會發(fā)射1.4次左右。而且衛(wèi)星的壽命為5～7年，衛(wèi)星的更新迭代會持續(xù)帶來組網(wǎng)需求。

然而，既有的商業(yè)火箭是無法滿足這一市場新需求的，一是來自于火箭運(yùn)力的技術(shù)因素，二是來自于火箭發(fā)射的價格因素。

技術(shù)層面，過去幾乎所有的商業(yè)火箭都是運(yùn)力較小的火箭——一般有效載荷為300公斤，最高也不過一噸左右，但是衛(wèi)星組網(wǎng)對于火箭運(yùn)力的要求不低于6.5噸。要想提高運(yùn)力，只能造更大的火箭。

價格層面，唐文認(rèn)為“低成本是商業(yè)航天發(fā)展第一要義”。降價的最主要方式是火箭的可重復(fù)利用，而回收是實(shí)現(xiàn)該目的最有效的手段。

唐文告訴「甲子光年」，在此背景下，低成本、可快速復(fù)用的4米以上直徑火箭為商業(yè)航天發(fā)展的必然選擇。因?yàn)橹挥?米級，才具備足夠大的運(yùn)力；只有重復(fù)使用，才能把成本降低，滿足星座客戶的發(fā)射需要。

從2023年開始，各家商業(yè)火箭公司紛紛布局4米級重復(fù)使用火箭，新箭首飛時間預(yù)計在2025～2026年。唐文預(yù)測，到2028年，星座客戶每年200~500次發(fā)射規(guī)模足夠容納5家商業(yè)火箭公司。

唐文也在2024年成立了「宇石空間」，成為商業(yè)火箭創(chuàng)業(yè)大軍的一員。

2.降低火箭發(fā)射成本的終極方案

在商業(yè)航天領(lǐng)域，SpaceX摸著石頭過河，而其他公司摸著SpaceX過河。SpaceX幾乎憑借一己之力，將火箭發(fā)射的天價成本一降再降。

從SpaceX造火箭的歷史來看，降低成本的最核心工藝有三個：箭體結(jié)構(gòu)、動力燃料與回收方式。

首先看箭體結(jié)構(gòu)。在SpaceX的星艦之前，幾乎所有造火箭的材料都是鋁合金，而馬斯克第一個提出將不銹鋼引入商業(yè)火箭領(lǐng)域。

唐文告訴「甲子光年」：“其實(shí)上個世紀(jì)四五十年代，最早的一批火箭就用過不銹鋼作為箭體材料。但當(dāng)時的火箭都是一次性發(fā)射，因此設(shè)計箭體結(jié)構(gòu)時會追求更輕的箭體重量，使得在相同的動力下盡可能提高有效載荷的重量。鋁合金雖然比不銹鋼的成本更高，但當(dāng)時造火箭的都是國家隊(duì)，對成本并不敏感。”

但馬斯克是一個商人，對成本極其敏感。

如果做火箭回收，箭體高速返回地面時會與大氣產(chǎn)生劇烈摩擦，使得箭體溫度急劇升高，這對于箭體材料的強(qiáng)度提出了更高的要求。相比鋁合金，不銹鋼的熔點(diǎn)更高，具有更高的高溫強(qiáng)度極限，因此有更優(yōu)異的耐氣動加熱和耐氣動作用力的能力。這是馬斯克選擇不銹鋼的原因。

但是不銹鋼重量更重，是否會影響火箭的載重？單一的材料參數(shù)對比的確是這樣，但把箭體作為一個系統(tǒng)工程對對比就不會了。

以獵鷹9號與星艦作為對比。在火箭回收時，采用了鋁合金箭體的獵鷹9號為了防止箭體溫度過高，需要額外給火箭點(diǎn)火以降低降落速度，這消耗了大約20噸燃料，從而降低了大約20%的運(yùn)力。而采用了不銹鋼箭體的星艦，不銹鋼的強(qiáng)度可直接高速穿越大氣層，在回收時全程無需額外點(diǎn)火來降低速度。而且，由于不銹鋼的耐熱性更高，相比鋁合金可以降低隔熱層的厚度，以此減輕火箭整體的重量。

這樣一來，原本在重量上并無優(yōu)勢的不銹鋼，反而通過節(jié)省額外點(diǎn)火的燃料以及降低隔熱層的重量，使得火箭整體的運(yùn)力比鋁合金箭體更大。

唐文經(jīng)過估算，得出的成本對比是：一子級回收的4米級火箭，鋁合金火箭運(yùn)力相比不銹鋼火箭損失約1/5，差不多是6000萬元；二子級回收的10米級火箭，鋁合金火箭運(yùn)力損失大約10噸，大約為2億元。

當(dāng)箭體改為不銹鋼之后，火箭的動力燃料也有了改進(jìn)的空間。

在過去，火箭發(fā)動機(jī)的動力燃料主要是「液氧煤油」。液氧煤油有一個特點(diǎn)，那就是燃燒過后會形成積碳結(jié)焦。在火箭一次性發(fā)射的時代，積碳結(jié)焦問題是沒人在意的。但馬斯克要做可回收火箭，需要對發(fā)動機(jī)的積碳結(jié)焦進(jìn)行清理才能繼續(xù)使用。這降低了可回收火箭的使用次數(shù)與使用效率。

因此，馬斯克用另一種燃料作為替代——「液氧甲烷」。液氧甲烷燃燒后在發(fā)動機(jī)上的殘留物極少，從而大大減輕了后勤維護(hù)工作量，提高火箭重復(fù)發(fā)射的效率。

而且，液氧甲烷還與不銹鋼箭體組合成為“黃金搭檔”。因?yàn)榧淄樵隗w液狀態(tài)下的溫度在零下100多度，這一溫度下不銹鋼的強(qiáng)度會比常溫下顯著提高且不容易斷裂，因此可以將不銹鋼的厚度適當(dāng)?shù)刈霰。鸺恼w重量就進(jìn)一步降低了。

在不銹鋼材料與液氧甲烷之后的最后一項(xiàng)工藝，就是火箭回收，這是當(dāng)前商業(yè)火箭最大的創(chuàng)新點(diǎn)。

火箭回收目前有兩種主流方式：獵鷹九號的著陸腿回收，以及星艦的機(jī)械臂捕獲——“筷子夾火箭”。

圖片來自宇石空間

筷子夾火箭相比著陸腿成本優(yōu)勢明顯。根據(jù)唐文估算，在著陸腿方案中，火箭飛行全程攜帶著陸腿重量，相比捕獲臂回收方案約損失4噸運(yùn)力。另外，“筷子”捕獲臂使用次數(shù)不少于1000次，單次使用成本約2萬元；著陸腿制造成本平均1200萬元，使用次數(shù)約20次，單次使用成本為“筷子”三十倍。

筷子捕獲臂的可重復(fù)發(fā)射的運(yùn)轉(zhuǎn)效率也更高。根據(jù)星艦的驗(yàn)證情況，“筷子”捕獲臂復(fù)用速度可達(dá)到小時級，而著陸腿回收由于著陸腿復(fù)材結(jié)構(gòu)檢修維護(hù)的復(fù)雜性，其復(fù)用速度難以突破20天。

而且，著陸腿僅僅實(shí)現(xiàn)了獵鷹9號的一級火箭回收，屬于部分回收利用。星艦的筷子夾火箭已經(jīng)成功回收一級火箭，未來也有清晰的回收二級火箭的計劃，屬于完全的回收復(fù)用，成本將進(jìn)一步壓縮。

筷子夾火箭方案的唯一缺點(diǎn)，就是技術(shù)難度太高。馬斯克在三年前提出筷子夾火箭的回收方案時，很多人以為“他瘋了”。

捕獲臂回收的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于火箭與捕獲臂的配合抓取，兩者的配合涉及跨學(xué)科跨尺度的多個技術(shù)因素和控制策略，比著陸腿更為復(fù)雜。而且在安全控制層面，若捕獲臂回收失敗，最惡劣情況下將會損毀發(fā)射塔及周邊設(shè)施。

因此在SpaceX的星艦捕獲回收前三分鐘，自檢系統(tǒng)會對火箭、發(fā)射塔及其捕獲機(jī)械臂回收系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)千項(xiàng)檢查，以確認(rèn)是否全部滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。只有100%符合回收標(biāo)準(zhǔn)，火箭才會返航至捕獲臂進(jìn)行回收，否則火箭就會放棄返航原位回收，而是執(zhí)行海面濺落。星艦的第六次試飛盡管未能延續(xù)第五次“筷子夾火箭”的成功，但恰好成功檢驗(yàn)了發(fā)射系統(tǒng)的安全運(yùn)行機(jī)制。

今天，所有的商業(yè)火箭公司基本都是圍繞箭體結(jié)構(gòu)、動力燃料與回收方式做不同方式的技術(shù)排列組合。

唐文認(rèn)為，造火箭就像造飛機(jī)，在提供一種交通運(yùn)輸服務(wù)的同時，必須符合最基本的商業(yè)規(guī)律。隨著造火箭的技術(shù)日漸成熟，商業(yè)航天業(yè)也一定會打價格戰(zhàn)，產(chǎn)品的制造和研發(fā)成本越低，競爭優(yōu)勢將越大。

在他看來，宇石空間所選擇的“不銹鋼+液氧甲烷+筷子收回”路線，就是造火箭的最有性價比的方式。

但這一技術(shù)路線并不是行業(yè)共識，至少沒有被充分討論。

3.造火箭最難的，是造火箭的思維

作為SpaceX的掌舵者，馬斯克帶給商業(yè)航天領(lǐng)域最大的貢獻(xiàn)不只是一次又一次的技術(shù)突破，更重要的是一種創(chuàng)新精神。這一點(diǎn)對唐文影響很大。

唐文畢業(yè)于清華大學(xué)力學(xué)系，師從兩院院士、材料與結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)＜遥瑧{借發(fā)表在力學(xué)領(lǐng)域頂級期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上的論文順利獲得博士學(xué)位，卻在海外高校的博士后邀約與航天事業(yè)之間選擇了后者。

畢業(yè)之后，唐文加入航天領(lǐng)域的國家隊(duì)，負(fù)責(zé)動力系統(tǒng)設(shè)計，一做就是八年，完整經(jīng)歷了長征系列CZ-5、CZ-7兩款型號火箭的研制。

在此期間，唐文也了解到了大洋彼岸一名叫馬斯克的商人在做的事情。2011年，SpaceX宣布將嘗試“完全快速可重復(fù)使用的火箭”。馬斯克表示，如果能找到像飛機(jī)一樣有效重復(fù)使用火箭的方法，那么進(jìn)入太空的成本將降低到百分之一。但是，就像當(dāng)時的大多數(shù)人一樣，唐文認(rèn)為馬斯克就是在炒作概念，目的無非是騙騙投資人的錢。

后來的故事我們都知道了，經(jīng)過幾年漫長的籌備與多次的失敗，馬斯克終于在2015年兌現(xiàn)了他的諾言。獵鷹九號的成功也讓唐文感到徹底的折服。

唐文告訴「甲子光年」：“你不得不承認(rèn)這個行業(yè)存在所謂的先驅(qū)?；鸺袠I(yè)跟其他行業(yè)不太一樣，很難造假，能飛就是能飛，不能飛就是不能飛。馬斯克真的做到了能讓獵鷹9號成功發(fā)射與回收，你不服不行?！?

某種程度上，體制內(nèi)的工作節(jié)奏按部就班。唐文在自己所負(fù)責(zé)的技術(shù)領(lǐng)域，已經(jīng)做到了極致。在看到獵鷹九號的成功以及中國商業(yè)火箭市場放開帶來的機(jī)會后，唐文感到廣闊天地，大有可為。

2018年，唐文離開體制內(nèi)，加入一家商業(yè)航天的創(chuàng)業(yè)公司擔(dān)任技術(shù)負(fù)責(zé)人。2024年，唐文從“打工人”的身份轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)業(yè)者，成立宇石空間。

盡管宇石空間成立的時間較晚，但唐文認(rèn)為商業(yè)火箭先發(fā)者不一定有優(yōu)勢。今天商業(yè)火箭的增量市場才剛剛開啟，遠(yuǎn)未形成固有的市場格局。老牌商業(yè)火箭公司技術(shù)路線綁定較深，而新玩家通過更好的技術(shù)路線有機(jī)會進(jìn)行彎道超車，在機(jī)會轉(zhuǎn)型或者新技術(shù)出現(xiàn)階段形成新的行業(yè)格局。

造火箭是一個復(fù)雜的工程，技術(shù)、資源、經(jīng)驗(yàn)缺一不可。從體制內(nèi)、創(chuàng)業(yè)公司技術(shù)負(fù)責(zé)人再到直接創(chuàng)業(yè)，幾次身份轉(zhuǎn)變讓唐文感受最直觀的變化，是造火箭的思維。

沿著舊地圖，找不到新大陸。唐文認(rèn)為，造火箭首先要解除“思想鋼印”。如果局限于既定的火箭設(shè)計思路、供應(yīng)體系、設(shè)計與制造分離的火箭生產(chǎn)流程，即使有一定的火箭型號經(jīng)歷，也難以突破不銹鋼火箭以及筷子回收的技術(shù)，對機(jī)器人、材料學(xué)、工程機(jī)械等領(lǐng)域頂級人才也很難產(chǎn)生真正吸引，難以建立多元化背景的高自驅(qū)力團(tuán)隊(duì)。

他希望自己以及他所創(chuàng)立的宇石空間，能夠吸納材料學(xué)、力學(xué)、機(jī)器人等領(lǐng)域的頂級人才，從第一性原理出發(fā)，在當(dāng)前時代背景下進(jìn)行跨行業(yè)深度融合，以更加開放的心態(tài)全力以赴，為商業(yè)火箭帶來新的活力。

從2020年到2024年創(chuàng)立宇石空間，唐文帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)從材料級、組件級、整箱級到全箭級的不銹鋼設(shè)計閉環(huán)，并已實(shí)現(xiàn)從設(shè)計到生產(chǎn)、工藝、試驗(yàn)的全面突破。目前，宇石空間7000平米的生產(chǎn)試驗(yàn)中心已全面竣工、國內(nèi)首臺直徑4.2米的不銹鋼薄壁共底貯箱正式下線，預(yù)計2026年完成火箭首飛。

宇石空間的愿景，是成為中國成本最低的快速復(fù)用液體火箭供應(yīng)商。

圖片來自宇石空間

中國的商業(yè)航天市場似乎并沒有馬斯克這樣的狂人，但當(dāng)更多的年輕有創(chuàng)新力的中生代進(jìn)入這一市場，相信中國的商業(yè)航天也終究會迎來自己的大航海時代。

（封面圖來自SpaceX）

END.