商业运载火箭专题报告：商业运载火箭发展提速，打破商业航天运力瓶颈

请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明1 行业研究/行业专题报告 2023年11月2日 商业运载火箭发展提速，打破商业航天运力瓶颈 领先大市-A(维持) 商业运载火箭专题报告 国防军工 国防军工板块近一年市场表现 资料来源：最闻 首选股票 评级 002025.SZ 航天电器 增持-A 600879.SH 航天电子 增持-A 600862.SH 中航高科 增持-A 688375.SH 国博电子 增持-A 300593.SZ 新雷能 买入-A 相关报告： 【山证国防军工】景气度依旧较高，静待下半年需求释放-【山证军工】2023年中报总结2023.9.8 【山证国防军工】高强度竞争中异军突起，中国战斗机迎来新机遇-【山证军工】战斗机军贸专题报告2023.8.17 分析师：骆志伟 执业登记编码：S0760522050002邮箱：luozhiwei@sxzq.com 李通 执业登记编码：S0760521110001电话：010-83496308 邮箱：litong@sxzq.com 投资要点： 商业航天发展的瓶颈在火箭运力。商业航天产业链总体包括四个环节：1）电子元器件、材料及燃料厂商；2）卫星研制商、发射服务提供商和地面设备制造商；3）卫星运营商与卫星应用服务提供商；4）终端用户（政府、企事业单位、个人）。运载是进入空间的入口，是连接卫星制造及卫星应用的中枢环节，对比spaceX的运载能力，我国现役运载火箭运载能力偏低，急需大力发展中大型可重复使用液体运载火箭，来满足星座大规模部署所需的“低成本、高可靠、高频次”发射能力。 发展航天，动力先行。火箭研发的瓶颈在发动机，动力系统直接决定了火箭推力与运载能力。目前液体和固体火箭发动机是火箭发动机中最基本、应用最广泛的两种发动机。固体火箭具有系统简单、发射准备周期短、发射点选择灵活等特点，在快速组网和补网等方面具有独特优势，但当需要大推力火箭来发射更重的载荷时，固体火箭发动机的技术难度和成本就会爆发式增长，固体火箭更适合于追求快速发射的小卫星需求。 液体火箭发动机是目前运载火箭主级或上面级的主要动力。液体火箭发动机动力路线的选择主要从三方面考虑，即推进剂类型、推进剂供应方式与泵压式系统的循环方式。目前液体火箭发动机的推进剂组合主要包括液氧/液氢、液氧/煤油和液氧/甲烷。液氧/液氢比冲最高，性能优异，是无毒、绿色环保推进剂组合，但液氢温度极低，易泄露，混合空气后易爆炸，所以导致液氢液氧火箭发动机系统复杂，成本较高，不适应低成本发射需求的商业运载火箭。液氧/甲烷和液氧/煤油相比，液氧/甲烷发动机不易结焦积碳，具有低成本、使用维护方便、适于重复使用、比冲较高等特点，更加适宜于重复使用、低成本运载器的使用要求，已成为下一代液体运载火箭的理想动力选择。液氧甲烷发动机的概念早在20世纪60年代就已提出，但是航天大国苏联和美国的研究重点分别放在液氧煤油和液氧液氢发动机上，并没有给予足够重视。近年来随着可重复使用运载器动力需求的提出，更适宜重复使用的液氧/甲烷发动机受到商业航天公司的青睐，并涌现出一批不同成熟度的代表型号。 美国SpaceX凭借独一无二的火箭回收复用技术与高效运营，坐稳了全球运载第一把交椅。SpaceX公司用了16年时间，先后研制成功“猎鹰”-1、“猎鹰”-9和“猎鹰”重型系列运载火箭，同时已经成功为NASA执行了多次国际空间站货运补给和载人航天飞行任务。猎鹰9系列火箭在13年中（截止2023年10月10日）已发射263次，其中261次成功（任务成功率99.2%）， 一子级成功回收219次，复用一子级发射194次，“猎鹰”系列火箭以出色的性能和低廉的价格，给世界航天带来大幅冲击和震动。SpaceX低成本火箭的研发成功促成了“星链”计划的大规模建设，而“星链”计划的可观收入又将用于支持SpaceX未来火星探索和移民计划的巨大投资。“星链”星座补齐了SpaceX商业闭环，后续实践明显有助于军事利用。 运载火箭可复用技术创新是SpaceX火箭低成本的主要原因。运载火箭可复用推动了发射成本实现数量级上的降低。SpaceX通过突破发动机重启与推力控制技术、火箭下降控制系统技术以及重复使用火箭着陆系统技术，实现了火箭的垂直回收。在采用着陆架回收日趋成熟之后，2021年SpaceX开始尝试采用发射塔架机械臂回收“超重”火箭级，进一步缩短两次发射任务之间的准备时间。 中国商业航天正迈入高速发展期。2014年后，中国航天产业向民营资本打开大门，商业航天迎来了快速发展期，在政策鼓励和资本助推下，商业航天公司数量持续增长，到2020年与运载火箭相关的企业就有十多家。国内大多数民营运载火箭公司选择从研制小型固体火箭开始，初步开启商业航天的服务模式，之后再实现向液体火箭的升级，开展中型、大型火箭以及可重复使用火箭的研发。过去几年已有多款民商固体运载火箭发射成功，解决了有无问题。国内民商液体火箭目前大部分处于研制阶段，预计未来几年将迎来集中首飞。 重点公司关注：2023年中国商业航天大爆发，前三季度全国民营火箭共发射10次，成功9次，创下了中国商业航天发展八年来的新记录，中国商业航天产业正迈入高速发展期，火箭制造的上游将率先受益，我们推荐航天连接器龙头航天电器、航天电子设备配套龙头航天电子、碳纤维预浸料龙头中航高科、T/R组件龙头国博电子以及特种电源巨头新雷能。 风险提示：火箭研制进度不及预期；可靠性不足；星座建设进度不及预期；下游卫星应用市场拓展不及预期。 目录 1.全球商业航天产业介绍6 2.火箭发动机发展9 2.1固体火箭10 2.2液体火箭11 2.2.1液氧/液氢火箭发动机16 2.2.2液氧/煤油火箭发动机18 2.2.3液氧/甲烷火箭发动机21 3.美国spaceX发展历程26 4.国内商业火箭企业发展47 5.投资建议51 5.1航天电器51 5.2航天电子51 5.3中航高科52 5.4国博电子52 5.5新雷能52 6.风险提示54 图表目录 图1：商业航天产业链6 图2：2023年全球航天产业收入构成6 图3：2023Q1和Q2全球火箭发射次数7 图4：2023Q1和Q2全球航天器发射总质量（kg）7 图5：长征一号火箭结构示意图8 图6：液体火箭和固体火箭对比9 图7：固体火箭结构图10 图8：液体火箭发动机分类11 图9：“猛禽”（Raptor）发动机系统构成12 图10：挤压式（左）和泵压式（右）供应系统示意图14 图11：RL-10（世界第一台氢氧发动机）16 图12：航天飞机发射配置（采用SSME氢氧发动机）16 图13：我国氢氧发动机18 图14：苏联RD-170（推力最强的多燃烧室发动机）19 图15：美国F-1（推力最强的单燃烧室发动机）19 图16：国内液氧煤油发动机外形图21 图17：猛禽1型（左）与2型（右）对比图23 图18：BE-4液氧甲烷发动机24 图19：蓝箭航天TQ-12液氧甲烷发动机25 图20：星际荣耀JD-1液氧甲烷发动机25 图21：星际荣耀JD-2液氧甲烷发动机25 图22：“猎鹰”系列运载火箭26 图23：“猎鹰”9及“猎鹰”重型成功发射统计（截止2023年10月10日）26 图24：“星舰”飞船级（左）和“超重”火箭级（右）27 图25：卫星发射成本28 图26：Starlink星座与OneWeb星座对比43 图27：“猎鹰”-9一子级海上回收轨迹图45 图28：“超重-星舰”在发射捕获塔旁（左）和发射捕获塔结构（右）46 表1：液体火箭发动机和固体火箭发动机对比10 表2：不同推进剂的物理性质13 表3：不同推进剂组合发动机理论比冲对比13 表4：不同循环方式的原理和结构示意图14 表5：不同循环方式的适用范围及优缺点15 表6：国外氢氧发动机工作参数与发展历程17 表7：国内外典型液氧/煤油发动机参数对比20 表8：液氧/甲烷和液氧/煤油特性对比21 表9：不同型号“猛禽”发动机的参数指标23 表10：“猎鹰”-9火箭复用情况（截止2023年10月10日）28 表11：SpaceX公司发射任务统计表（截止2023年10月10日）29 表12：SpaceX火箭低成本的原因分析43 表13：“猎鹰”-9子一级重复使用突破的三大关键技术46 表14：国内主要商业火箭公司（不完全列表）47 表15：国内主要商业火箭公司液体发动机研制进度（不完全列表）48 表16：国内民营火箭公司发射统计表48 表17：重点覆盖公司盈利预测及估值53 1.全球商业航天产业介绍 商业航天产业链总体分为四个环节：（1）电子元器件、材料及燃料厂商；（2）卫星研制商、发射服务提供商和地面设备制造商；（3）卫星运营商与卫星应用服务提供商（国内卫星运营商主要是中国卫星网络集团有限公司）；（4）终端用户（政府、企事业单位、个人）。根据美国卫星产业协会（SIA）的统计数据，2022年全球航天产业的总收入是3840亿美元，其中非卫星产业总收入为1030亿美元，主要包括载人航天飞行收入、非地球轨道航天器收入和政府预算，卫星产业总收入为2810亿美元，占全球航天产业收入的73%，主要包括了卫星制造业收入、发射服务业收入（约70亿美元）、卫星服务业收入和地面设备制造业收入等。 图1：商业航天产业链 资料来源：《商业航天工程导论》、山西证券研究所图2：2023年全球航天产业收入构成 资料来源：《The2023StateoftheSatelliteIndustryReport》、山西证券研究所 运载是进入空间的入口，目前我国火箭运力严重不足。虽然发射服务产值仅占整个航天产业的1.5%~2%，但是运载是进入空间的入口，是连接卫星制造及卫星应用的中枢环节，随着国内外纷纷推出多个小型、中型、大型和巨型星座计划，卫星发射需求不断增长，但是火箭发射成本居高不下，成为制约星座大规模部署的主要瓶颈。对比spaceX的运载能力，我国现役运载火箭运载能力偏低，急需大力发展中大型可重复使用液体运载火箭，来满足星座大规模部署所需的“低成本、高可靠、高频次”发射能力。 图3：2023Q1和Q2全球火箭发射次数 资料来源：BryceTech、山西证券研究所 图4：2023Q1和Q2全球航天器发射总质量（kg） 资料来源：BryceTech、山西证券研究所 运载火箭主要由结构系统（箭体结构）、动力装置系统（推进系统）以及控制系统等三个系统组成，这三个系统称为运载火箭的主系统。运载火箭一般由2~4级火箭组成，每一级火箭都包括箭体结构、推进系统和飞行控制系统，末级有仪器舱，可装载人造卫星和飞船，外面套有整流罩。如果火箭发射的有效载荷较大，可以在一枚火箭外面捆绑几枚小火箭，称为捆绑式火箭，中间的大火箭称为芯级火箭，外围捆绑的火箭称为助推火箭。 图5：长征一号火箭结构示意图 资料来源：《商业航天工程导论》、山西证券研究所 2.火箭发动机发展 发展航天，动力先行。航天发展的瓶颈在火箭，火箭研发的瓶颈在发动机。火箭最核心的动力系统直接决定了火箭推力与运载能力，占全箭成本的70%到80%，对于运载火箭的系统复杂度、任务适应性、产品成本等均有较大影响。最早的运载火箭出现于第二次世界大战的德国，V-2导弹是最典型代表，发动机是采用了以液氧/酒精作为推进剂的液体火箭发动机。目前液体和固体火箭发动机是火箭发动机中最基本、应用最广泛的两种发动机，其中固体火箭具有系统简单、发射准备周期短、发射点选择灵活等特点，在快速组网和补网等方面具有独特优势，但是固体火箭发动机一经点燃，就按照预定的推力方案工作，可控性差，难以实现可回收重复利用，而且固体火箭涉及的贮运安全和生产资质等问题难以解决，也制约了固体火箭成本的进一步下降，所以近年来，能够实现重复使用从而大幅降低运载成本的液体火箭优势突显，成为商业火箭公司竞争的焦点。 从效率方面评价火箭发动机的设计质量常常用到比冲的概念。比冲是消耗单位质量的推进剂所产生的推力冲量，是火箭发动机的主要性能参数之一。比冲越大