陈蓝 | 盘点2023中国航天:大航天时代正在到来

来源:观察者网

2024-01-31 08:28

陈蓝

陈蓝作者

航天爱好者,英文电子杂志“Go Taikonauts”创办人之一

【文/观察者网专栏作者 陈蓝】

2023年12月30日8点13分,我国在酒泉卫星发射中心使用长征二号丙运载火箭,成功将卫星互联网技术试验卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。

这是中国航天2023年的收官之作,也是全年第67次发射,连续第三年刷新了年度发射数量纪录。在2023年最后一个月份,中国航天几乎达到两天一射(月度13发)。这样的超高密度发射无论在冷战时期苏联航天巅峰期,还是目前正在疯狂发射星链卫星的美国(SpaceX),都未曾企及。

不仅发射数量,中国航天2023年在载人航天、可复用航天器、重型卫星、巨型互联网星座等前沿领域也取得了令人瞩目的成就。2023年更是中国商业航天转折性的一年。液体火箭崭露头角,发射数量小爆发,可复用液体火箭成为商业航天下半场的入场券。今天我们就来盘点一下。

先列一下成绩单:

轨道发射67次(其中失败一次),创新纪录。

新火箭首飞1型(天龙二号),首飞成功2型(天龙二号、朱雀二号)。

发射入轨卫星和航天器超过200颗(艘),创新纪录。

载人发射两次,平2021和2022纪录

民商火箭发射13次(其中失败一次),创新纪录。


图1  2023年全球航天发射统计(图源:Space Stats)

放到全球范围看,各国全年总计223次航天发射,也创了纪录。中国发射次数位居第二,仅次于美国的116次,遥遥领先于第三名俄罗斯的17次,更不用说第二梯队欧、日、印个位数的发射纪录。最近四五年,航天领域的一个重大变化就是中国已经取代俄罗斯成为美国的主要竞争对手。航天领域中美两强竞争的态势已经形成,未来数十年的太空大格局已经奠定。

鉴于这样的大背景,我们的盘点无法忽略中美竞争这个重要存在。因此,本文也会适当穿插一些和美国的横向对比,看看此消彼长的大势变化,会比较有意思。

先从国家队—— 航天科技和航天科工两大集团 —开始。

运载工具方面,长征火箭本年没有新型号首发,但发动机研制取得了令人鼓舞的进展。5月12日,130吨级重复使用液氧煤油补燃循环发动机二次起动试验取得圆满成功,为新一代载人火箭长征十号奠定了基础。同日,200吨液氧甲烷发生器点火试验在抱龙峪低温液体火箭发动机试验中心完成。据称它就是航天科技“八年九机”计划中的全流量分级燃烧液氧甲烷发动机YF-215。如果属实,我们有望迅速追平SpaceX猛禽,跻身世界最先进之列。

载人航天方面,2023年是中国空间站进入长期运营后的第一个整年,第一次实现了全年不间断载人。中国国家太空实验室开始正式运行。5月和10月完成了两次空间站机组在轨轮换。神舟16号首次搭载载荷专家桂海潮升空并对接空间站。中国有了自己的平民航天员。12月,神舟17号机组出舱进行中国首次在轨修理,修复因微流星碰撞而受损的电池板。升级版天舟货运飞船(天舟6号)5月首飞,上行载荷能力提高20%至7.4吨,使得货运飞船的发射频次由2年4发降低至2年3发。

图2 中国空间站高清全貌图(图源:中国载人航天工程办公室)

那一边,国际空间站刚刚庆祝了它的25岁生日,2023继续全年不间断载人,共进行5次载人发射(3次载人龙、2次联盟)和8次货运补给发射(4次进步、3次货运龙、1次天鹅座)。但波音的商业载人飞船继续跳票。拜登当局宣布,美国将支持国际空间站至2030年。国际空间站命运已定,2030年将结束存在。空间站离轨飞行器已在招标中。

7月,中国正式宣布载人登月计划,可望于2030年左右实施。长征十号火箭、新一代载人飞船、登月舱研制进展顺利。美国阿尔忒弥斯二号载人绕月任务计划于2024年底发射,而因登月舱和宇航服研制落后,载人登月大概率将不早于2027年。一方加速,一方延迟,中美登月时间不断靠近,未来登月竞赛将白热化。

也有和谐的时刻。2023年5月30日,随着神舟16号的发射,太空人口再次创下纪录:17人。那天,中国空间站上有6人,国际空间站上11人(包括公理航天的4名太空游客)。中国空间站和国际空间站并驾齐驱,是近几年太空人口记录频频刷新的根本原因。

再看深空探测。月兔二号继续在月面工作,行驶里程已超过1.5公里。天问一号继续围绕火星运转,不断发回照片和信息。祝融号火星车已失联一年半,但也已远超设计寿命,创造了奇迹。2023年中国深空探测的工作重点是计划于2024年发射的嫦娥六号月背取样返回任务的和鹊桥二号月球中继星。

美国2023年10月发射了主带小行星灵神星的探测器Psyche,太阳系中还有十多个美国探测器,包括两台火星车,仍在不辞辛劳地在探索新边疆。我们必须承认这个差距,但最近十年,在月球和火星上,中美差距已迅速缩小。形象的说法,差距已经从光年级缩短为公里级。12月,飞行近半个世纪、正在太阳系边缘的旅行者一号开始发回人类不能理解的信息。权当一种告别吧,特此哀悼。

2023年中国发射了大量应用卫星,包括导航、通信、气象、对地遥感等等类型,当然还有众所周知的“农业”卫星。大众和媒体对此都已习以为常。但有几次重要发射必须要提。

7月9日、11月23日、12月6日、12月30日,长征2C、长征2D、捷龙三号四次发射,将不少于6颗卫星互联网技术试验卫星送入轨道,并开始了小规模组网试验。这预示着中国版星链 - 星网(国网、GW)星座大规模组网发射即将展开。近1.3万颗卫星的星网将成为全球唯一有能力挑战星链的竞争者。海量发射需求将激活中国商业航天,航天新势力们将获得巨大的发展机会,中国航天也将翻开新的一页。

12月14日,可重复使用试验航天器第三次发射成功,预期将进行更长时间的在轨飞行。原定同日用重型猎鹰发射的美国X-37B(第七次任务及首次高轨任务)却临阵跳票,延迟至年末才发射成功。中国小型无人航天飞机技术已基本追平美国,并日趋成熟,为未来水平起落可复用运载工具积累了宝贵经验。

长征5号遥六火箭发射,摄影师@徐可意Shirky

12月15日,长征五号遥六火箭在文昌升空,将遥感41卫星送入同步转移轨道。此次发射使用了18.5米高、5.2米直径的加长整流罩,使得长五遥六成为中国最高火箭(62.8米)。按官方说法,巨大的整流罩里是一颗高轨光学遥感卫星。长五GTO能力达14吨。我们可以想象它的重量、镜头口径和长度,以及它的分辨率。作为对比,8年前(2015年)我国用长三乙发射的世界首颗高轨光学遥感星“高分四号”的地面分辨率是50米。8月13日,我国还发射了世界上第一颗高轨合成孔径雷达卫星“陆地探测4号”,可用于夜间和穿透云层探测。有了这两颗卫星,我们就可以24小时不间断对地面害虫进行高分辨率连续观察。这是目前世界上独一无二的能力,遥遥领先美国。

再来说商业航天,同样精彩纷呈。

中国民营商业航天自2014年起步,至今已有近10年。10年来,先后有四家火箭公司(星际荣耀、星河动力、天兵科技、蓝箭航天)实现了入轨发射。如果加上中科院背景混合所有制的中科宇航,则是五家。入轨的民营小卫星数量早已达到三位数。长光所背景混合所有制的长光卫星建成了全球最大的遥感卫星星座 – 吉林一号。天启物联网星座、云遥和天目气象卫星星座都已初具规模。

不过,和大洋彼岸的新老势力航天相比,我们还是存在很多差距。不仅是马斯克的猎鹰可复用火箭、龙飞船、星链、星舰,即便是火箭实验室的电子火箭,铱星、全球星、Maxar等通信和遥感星座,我们要么在技术和规模,要么在商业成熟度上,都需要加紧追赶。

中国航天长期以来一直是一个封闭体系。改革开放后,尤其是军民融合政策实施以来,才逐渐对民企开放。中国民商航天从零开始,步履蹒跚,克服重重困难发展到今天规模,已经非常不容易了。这十年只能算作我们的起步期,本不该有过高期待。不过, 2023年迎来了重要转折点。我们可能已经等到了民营商业航天腾飞的前夜。

2023年伊始,天龙二号液体火箭的成功发射便给人惊喜。这次发射打破了全球范围内商业液体箭首发必败的魔咒。天兵科技作为民商火箭后来者,充分利用成熟产品及国家队资源,快速开发出这款液体火箭,一举拿下中国民企液体第一箭的桂冠,无论从技术还是商业角度都算得上一个成功案例。

7月,蓝箭航天朱雀二号遥二箭发射成功,一扫遥一失利阴霾,依然抢在星舰、人族、火神等一众美企火箭前,成为全球首发入轨的液氧甲烷火箭,在世界舞台显示了实力,影响深远。12月,朱雀二号遥三箭首次商业发射再获成功。历经五年厚积薄发,蓝箭甲烷发动机技术达到了相当的成熟度。

图4 朱雀二号遥二发射(图源:蓝箭航天)

这三次发射,使2023年成为中国民商液体火箭元年,标志着中国商业航天进入下半场。朱雀二号是一枚液体中型箭,运载能力达到了长二长四级别。换句话,民商火箭已具备角逐主流卫星发射市场的竞争力。中国商业航天下半场将是国企民企同台竞争的新时代。

天龙二号发射成功后,天兵科技全力以赴研制对标猎鹰九号的大型可复用火箭天龙三号,希望一步到位实现跨越式发展。和二号不同,天龙三号采用自研的全新动力系统。2023年9月底,海平面推力达110吨的天火12一级发动机完成批次抽检试车,为2024年中天龙三号首飞奠定了基础。如果成功,将创造LEO载荷20吨级大型火箭快速研制的奇迹。

蓝箭在遥三发射成功后发布了大型可复用甲烷火箭朱雀三号。朱雀三号同样对标猎鹰九号,采用不锈钢箭体,直径4.5米,箭长76.6米,起飞重量约660吨,起飞推力约900吨,一次性任务低轨运载能力达21.3吨,航区回收任务达18.3吨。预定2025年首飞。

除了天兵和蓝箭,国内各家民商火箭公司都在紧锣密鼓地研制液体发动机和可复用液体火箭。11月2日和12月10日,星际荣耀的双曲线二号全尺寸一子级验证箭两次圆满完成垂直发射及回收,飞行高度分别为178米和343米。双曲线二号使用焦点一号15吨级液氧甲烷发动机。星际荣耀成为蓝箭后国内第二家试飞甲烷火箭的民商航天公司。稍早的9月27日,用于双曲线三号可复用大型火箭的焦点二号百吨级变推力液氧甲烷发动机(海平面推力85吨)也完成了全系统试车。

图5 双曲线二号垂直回收试验(图源:星际荣耀)

星河动力2023年度完成了苍穹50液氧煤油发动机多项试车考核。智神星一号可复用液体火箭完成了多项大型地面试验,已于5月17总装下线,计划于2024年内实施入轨首飞。年底C/C+轮11亿融资的完成,将助力其可复用液体中型箭一步到位的目标。

深蓝航天在2022年完成了缩比液体验证箭垂直发射回收试验后,2023年继续取得进展。它的20吨级雷霆R1液氧煤油发动机已完成多次全系统试车。10月,雷霆R1完成首次额定工况 420 秒长程试车,计划2024年进行星云一号火箭一子级垂直回收飞行验证,并在年内进行轨道发射。

12月15日,东方空间自研原力-85百吨级液氧煤油发动机半系统热试车成功,计划2025年发射引力二号液体火箭。6月中,宇航推进70吨级沧龙一号液氧甲烷发动机完成数次系统级点火测试。7月,天回航天百吨级混合循环液体火箭发动机“红龙一号”半系统热试车圆满成功。12月,中科宇航液体动力系统试验中心在广州开工建设。

十年间冒出这么多火箭公司,如今一同涌入液体火箭赛道,不断发布的研发进展令人眼花缭乱,颇有春秋战国群雄逐鹿的味道。可复用液体火箭不仅是中国商业火箭公司的共同目标,也已经成为中国商业航天下半场的入场券。

但并不是所有公司都放弃了固体火箭。坚持固液并举战略的星河动力2023年成为首家具备高密度发射能力的民商航天公司。谷神星一号小固体火箭年内一共发射7次,并首次实现海射。9月下旬,谷神星一号首度发射失利,但仅用两个多月便复飞成功,充分展示了实力。

图6 谷神星一号海上发射(图源:星河动力)

2023也是星际荣耀的转机之年。双曲线一号4月成功复飞,12月再下一城。6月,国内最大固体箭力箭一号再次发射取得成功,一箭26星创中国纪录。东方空间研制成功全球首款捆绑式全固体火箭,即将发射,可望超越欧洲织女星C成为世界最大固体火箭。

顺便说,固体火箭具备快速发射能力,战略意义重大,国家层面不可放弃。国家队长征十一等固体箭肯定是国防市场主力,但民商小固体可以成为极为重要的补充和备份。另一方面,国家队的快舟和捷龙固体火箭也是面向商业市场研制的。它们和民商小固体在商业市场同场竞技,一起卷生卷死,必定能将固体火箭成本降到全球最低。中国航天生态和美国大相径庭,小固体火箭的繁荣景象在美国不可能出现。

商业卫星领域,2023年是稳步发展的一年。国家级巨型低轨通信星座紧锣密鼓准备中。多颗卫星互联网技术试验卫星的入轨和在轨测试,拉开了中国版星链建设的序幕。7月,银河航天灵犀03星成为中国第一颗入轨的柔性太阳翼平板式通信卫星,将验证下一代低轨宽带卫星通信技术。依托银河航天低轨宽带通信卫星,中国信息通信研究院和银河航天合作开展试验,实现了低轨卫星网络与地面5G网络深度融合,迈出了中国天地网络通用技术攻关的关键一步。

图7 银河航天平板卫星(图源:银河航天)

8月,华为Mate 60 Pro手机发布,在中国电信支持下实现消费级手机直连天通卫星。这是本年度商业卫星通信领域最大新闻。11月,中国电信宣布将提供第二种直连卫星服务 - 天启终端直连卫星服务。国电高科的天启物联网(窄带通信)星座本年度有多次发射,组网已过半,多个行业已开展应用。

此外,和德宇航发射多颗和德三号卫星,交通VDES(海事定位广播)卫星系统组网持续进行中。云遥、天目掩星气象卫星星座建设顺利,新型气象探测手段进入实用。椭圆时空发射星池一号多颗卫星,通导遥一体化星座技术开始在轨实验。这些进展延续了近年的趋势,即商业卫星应用从单颗试验性小卫星,发展为多星细分应用,现在已到了规模化星座阶段。

国家级巨型星座和多个民商星座创造了中国航天史上前所未有的巨大需求,给中国商业航天尤其是民营航天提供了极为难得的机会,将惠及产业链上下游所有环节。

海南商业航天发射场便应这样的需求而生。经过一年半高速建设,发射场一号工位于2023年12月29日正式完工。2024年6月,长八改火箭将在此工位首飞。它是国内首个不设导流槽,而以导流锥等设施替代的发射工位。一周前的12月22日,能适配19型商业火箭的二号工位导流槽完成封顶,将于2024年年底前投入使用,首发极有可能是航天科技八院3.8米直径的新火箭。

图8 海南商业航天场鸟瞰(左一号工位,右二号工位)(图源:新华社)

在不远处的文昌航天发射中心,执行载人登月任务的长征十号发射台也即将动工。不久的未来,海南文昌或将和卡纳维拉尔角相媲美。文昌的繁忙景象是2023年中国航天的缩影:国家队和民营企业并驾齐驱,一起重塑中国航天的明天。一个通向星辰大海、欣欣向荣的崭新产业已经呼之欲出。

不妨回头看一下。三十年多前,挟冷战胜利的美国航天在全球独占鳌头。登月、空间站、航天飞机、太阳系探索、哈勃望远镜,我们只能仰望。进入新世纪后,中国航天随国力增强慢慢做强,中美差距逐渐减少,2010年中国航天发射数量首次超越美国。然而SpaceX的异军突起,使中美在可复用火箭和飞船等领域的差距再次拉大。

马斯克的成功给中国航天带来了很大冲击,但也激励了无数航天人的创业精神,催生了中国政府的商业航天政策。十年来,中国民商航天从无到有,蓬勃发展。2023年,中国商业航天终于迎来了转折点,爆发在望。

那么,我们有希望追上SpaceX吗?或者,差距会越拉越大吗?

先看下美国的情况。2023年美国的116次发射中,SpaceX占了98次,火箭实验室等其他新势力公司占14次,NASA和传统承包商却只有区区4次!SpaceX创新能力超强,发展神速,技术和市场均遥遥领先,现在处于一家独大地位。NASA和传统承包商则逐渐失去了竞争力和主导权。这和中国国家队依然占绝对优势、民商遍地开花的现状形成鲜明对比。

美国的优势在于NASA和整个行业所积累的雄厚技术储备,以及以SpaceX为首的新势力航天具备的进取创新精神。劣势就是NASA和传统承包商的旧体系问题成堆,已积重难返。SpaceX的独大从长远看也未必是好事。

中国的优势是政府和国企在航天活动中所起的主导作用。首先,政府长期规划保证了对航天的持续投入,尤其是互联网星座和空间太阳能电站这样的巨型项目带来的巨大需求能有力牵动整个航天产业。其次,两大航天集团以及中科院等机构承担了高投入高风险的前沿技术预研,技术和人才持续地向商业航天转移,为后者的发展提供了源源不断的动力。最后,实力雄厚的国企直接下场参与竞争,增强了市场竞争的充分性,防止垄断。通俗讲,就是市场更卷,产品竞争力更强,生存下来的企业更强。

我们的劣势是,我们还是太年轻了。中国商业航天还很稚弱,要扳动SpaceX还有待时日。

展望一下。政府航天项目方面,中美在多个领域已出现激烈竞争,比如空间站、载人登月、空天飞机、深空探测、太空望远镜等。越来越多的迹象显示,到这个十年末,中美航天实力对比很可能会出现历史性逆转。载人登月竞赛的结果应该具有标志性意义。

商业航天方面,SpaceX将继续领先,星舰将获得最后成功。但中国的星舰不会晚到太久。它可能是国家队的长征九号,也可能来自某家民商火箭公司。SpaceX依然有很多东西值得我们虚心学习。我们或将看到,中国航天新势力先是采用跟随战略,继而形成群狼斗独虎(SpaceX)的局面,就像现在一群中国新能源车企拼杀特斯拉一样。

2023已经成为历史。2024更值得期待。列一下主要看点:鹊桥二号月球中继星、嫦娥四号月背采样返回、星网开启大规模组网发射、新火箭数量将创新高,首发阵容包括但不限于长八改、八院3.8米箭、引力一号、智神星一号、天龙三号、双曲线三号、星云一号.......

潮起潮落,中国作为世界第二航天大国的地位已经非常稳固,中美差距必然会继续缩小乃至完全消失。大航天时代正在到来,未来增量将在商业航天。我们有理由对中国航天、中国商业航天保持高度乐观。

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责任编辑:史岱君
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