国防军工行业深度报告：火箭回收开启航天新篇章，液体火箭引领未来航天技术发展

国防军工行业深度报告 证券研究报告·行业深度报告·国防军工 火箭回收开启航天新篇章，液体火箭引领未来航天技术发展 增持（维持） 投资要点 运载火箭是实现航天飞行的核心载体：火箭通过发动机喷射工质产生的反作用力推进，主要分为运载火箭和探空火箭两种。运载火箭能将人造卫星、载人飞船等有效载荷送入预定轨道，通常由单级或多级组成，每级包含箭体结构、推进系统等关键部件。起源于军用，现代运载火箭正 向商业化和军民融合转型。关键技术指标包括运载能力、入轨精度、可靠性和发射成本。火箭结构设计、能源供应和技术水平共同决定了这些指标。多级串联是主流结构形式，各级火箭通过分离推进有效载荷。化学火箭是主要动力来源，液体火箭因其推力大、可控性高在航天领域占主导地位，而固体火箭则以其简单、成本低在小卫星和军事领域广泛应用。 液体火箭技术以其高效、可回收的发动机设计，成为商业航天领域的核心技术：液火发动机作为火箭的“心脏”，由推力室、涡轮泵等复杂组件构成，其研制关键在于推力室的燃烧稳定性和涡轮泵的高效率。液体火 箭发动机的工作机理涉及推进剂的化学能转化为推力，其性能参数包括推力、比冲和混合比，直接影响火箭的运载能力和效率。通过优化推进剂选择、循环方式、以及应用先进技术如3D打印和动态密封，液体火箭发动机的性能和可靠性得到显著提升。此外，创新的喷注器设计和冷却技术进一步提高了发动机的推力和适应性，而箭体结构和控制系统的优化则确保了火箭的整体稳定性和可靠性。 可回收火箭技术是航天领域的重要发展方向，对降低发射成本具有关键作用：火箭发动机作为成本的主要部分，其重复使用技术尤为重要。在一次性火箭中，发动机成本占比高达54.3%，而其他硬件设备成本相对 较低。通过实现火箭的可回收性，可以显著提高硬件设备的使用效率，将高昂的硬件成本分摊到更多的发射次数上，从而降低单次发射成本。火箭的可回收性要求在设计时就必须考虑到发动机推力的灵活调节、精确的制导控制、优化的气动外形、高效的热防护以及快速的检测与维护流程。这些技术集成应用，为火箭的可复用性提供了强有力的支持。尽管目前完全重复使用火箭的技术与经济限制尚存在，但业界通过先实现一级火箭的重复使用，为未来的技术进步和成本进一步降低奠定了基础。随着技术的不断革新，预计未来火箭的单次发射成本将实现更大幅度的降低。 投资建议：我国航天产业已进入发展“快车道”，卫星互联网等新兴星座的建设、大运力低成本趋势正引领商业航天开启新时代。我国航天产业快速发展也对我国火箭发射能力提出更高的要求，低成本、大运力已成为运载火箭的发展趋势。建议关注以下标的：上游原材料及元器件： 斯瑞新材、宝钛股份、钢研高纳、中航高科、铂力特、华曙高科、航天电子、航天电器、高华科技。测试：西测测试、苏试试验、思科瑞。 风险提示：1）火箭研制进度不及预期；2）资金支持不及预期；3）地面设施和运营服务建设不及预期；4）我国商业航天发展速度不及预期。 2024年06月14日 证券分析师苏立赞 执业证书：S0600521110001 sulz@dwzq.com.cn 证券分析师许牧 执业证书：S0600523060002 xumu@dwzq.com.cn 研究助理高正泰 执业证书：S0600123060018 gaozht@dwzq.com.cn 行业走势 国防军工沪深300 9% 5% 1% -3% -7% -11% -15% -19% -23% -27% -31% 2023/6/142023/10/132024/2/112024/6/11 相关研究 《下游需求有望回暖，持续关注行业各环节投资机会》 2024-06-11 《我国首个液体通用型发射工位竣工，商业化基础设施升级提速》 2024-06-11 1/22 东吴证券研究所 内容目录 1.运载火箭是实现航天飞行的运载工具4 1.1.运载火箭起源于军用背景，逐渐向商业化和军民融合方向发展4 2.液体火箭引领商业航天技术前沿7 2.1.液体火箭动力系统的先进设计8 2.2.液体火箭的实用箭体结构和控制系统12 3.可回收火箭是发射降本的关键，航天领域重要发展方向17 3.1.发动机是火箭成本的主要部分，其重复使用技术对发射降本至关重要17 3.2.先一级重复使用后完全重复使用、多种回收方式并存18 4.投资建议21 5.风险提示21 2/22 东吴证券研究所 图表目录 图1：运载火箭类型与组成4 图2：V2火箭被认为是现代火箭技术的鼻祖5 图3：星舰是目前全球最大的火箭5 图4：火箭结构示意图6 图5：液体火箭发动机典型结构7 图6：液体火箭发动机工作机理8 图7：早期液氢发动机的高压涡轮叶片8 图8：现代液体火箭发动机燃料泵8 图9：“猛禽”二代发动机原理图10 图10：“天鹊-12”甲烷发动机涡轮泵10 图11：阿波罗下降级发动机-针栓式喷注器11 图12：火箭控制系统组成框图12 图13：“星舰”贮箱质量占比约90%13 图14：长征�号火箭整流罩13 图15：星舰采用不锈钢箭体14 图16：三冗余飞控软件数字仿真平台的总体设计示意图15 图17：激光雷达测量系统15 图18：朱雀二号泵后摇摆试车16 图19：火箭的硬件设备在总成本中占有相当大的比例，而推进剂成本相对较低17 图20：猎鹰－9火箭一级回收飞行剖面18 表1：固体火箭与液体火箭对比6 表2：比冲大、成本低的甲烷燃料崭露头角9 表3：火箭燃烧室和喷管冷却技术11 表4：猎鹰9成本构成及占比18 表5：可复用火箭关键技术19 表6：火箭可回收未来发展趋势20 3/22 1.运载火箭是实现航天飞行的运载工具 火箭是航天运输的主要工具，依靠火箭发动机喷射工质产生的反作用力向前推进。按照火箭用途分类主要包含运载火箭及探空火箭两种。在航天产业中得到较多应用的是运载火箭，运载火箭是能够将人造卫星、载人飞船、空间站或空间探测器等有效载荷送入预定轨道的航天运输工具，由单级或多级火箭组成。每级部组件都包括箭体结构、推进系统、控制系统、飞行测量及安全系统、附加系统等。 图1：运载火箭类型与组成 运载火箭 类型 结构 推进剂 级数 箭 固 体火箭 液 体火箭 固 液混合 单 级 数据来源：国家航天局，东吴证券研究所 1.1.运载火箭起源于军用背景，逐渐向商业化和军民融合方向发展 运载火箭起源于近代军用，商业化和军民两用是现代大势所趋。运载火箭是一种航天运载工具，依靠火箭发动机产生的反作用推力，将人造卫星、载人飞船、空间站或空间探测器等有效载荷送入预定轨道。上世纪50年代末，为适用冷战时期太空竞赛的需求，发达国家在战略导弹的基础上发展出运载火箭，最初用于发射官方和军用的有效载荷。随着现代火箭技术的成熟，以及有效载荷日趋军民两用，越来越多国家的火箭产业开始走向商业化。 4/22 东吴证券研究所 东吴证券研究所 图2：V2火箭被认为是现代火箭技术的鼻祖图3：星舰是目前全球最大的火箭 数据来源：Spaceopedia，东吴证券研究所数据来源：Space，东吴证券研究所 运载火箭的关键技术指标包括运载能力、入轨精度和可靠性，商业运载火箭对发射成本提出了更高要求。火箭的运载能力具体指有效载荷的质量，这决定了它航天舞台的 上限；入轨精度则与火箭的控制系统和控制方法密切相关；发射成本取决于所使用的火箭材料、发动机燃料以及可回收和可复用技术。总而言之，运载火箭的各项指标是由火箭的结构设计、工程线路、能源供应、技术路线等诸多因素耦合后决定的。 火箭结构形式和组成较灵活，多级串联是目前主流。结构形式上，运载火箭通常由2-4多级火箭串联构成，也可并联捆绑助推器，以实现宇宙飞行所必需的宇宙速度。结构组成上，火箭主要由箭体结构、动力系统、控制系统等构成，前两项为每级火箭所固有。监测控制系统主要位于火箭末级的仪器舱内，卫星等有效载荷装在仪器舱之上，外 覆整流罩。在发射过程中，火箭一子级（芯级）在点火后率先开始工作，随后与整个火箭分离，再由二子级继续将有效载荷推向太空，依次类推。卫星送轨任务完成后，火箭末级将在轨漂泊并坠落烧毁。 5/22 图4：火箭结构示意图 数据来源：中国运载火箭技术研究院，东吴证券研究所 火箭推进剂可用能源多样，化学火箭居首，液体火箭备受运载领域青睐。化学动力是航天飞行的传统动力。化学火箭根据推进剂的形态可进一步划分为固体火箭和液体火 箭。固体和液体火箭在箭体结构和动力系统方面大相径庭，原因是工作机理不同：液体推进剂平时储存在贮箱内，工作时再输送进发动机燃烧室；而固体推进剂原本就贮存在 燃烧室，无需贮箱和输送系统。尽管液体火箭技术复杂、成本较高，但其具备推力大、 运载能力强、可控性高等优点,更适用于航天运载火箭领域。固体火箭则凭借储存时间长、准备周期短、结构简单/成本低等优点，普遍应用在小卫星运载和导弹军事火箭领域。表1：固体火箭与液体火箭对比 固体火箭液体火箭 推进剂贮箱+发动机(推力室、 动力系统结构 发动机(推进剂药柱、燃烧室壳 体、喷管和点火装置) 推进剂输送系统和发动机控制系统) 燃料成本成本高，且剧毒、污染成本低，且绿色、环保 结构成本成本低；无需贮箱和输送系统成本高；需贮箱，输送系统复杂 准备周期 周期短，一天之内；推进剂预先混合好储存在贮箱，发射前只需简单测试 周期长，20天左右；推进剂需低温贮存，使用时加注，发射前需多轮测试 东吴证券研究所 运载能力弱强 可控性低；点火后只能等待燃料耗尽高；可通过阀门控制关机和重启回收适性不适合适合 综合规模成本高低 适用领域小卫星运载；军事导弹低成本大规模运载 数据来源：国家航天局，东吴证券研究所 6/22 东吴证券研究所 2.液体火箭引领商业航天技术前沿 动力系统是液体运载火箭极为重要的组成系统，发动机被誉为火箭的“心脏”。相比固体火箭，液体火箭凭借其发动机在高运力和可回收前景方面带来的成本优势，更加适合未来商业航天运载的应用场景。液体火箭发动机在结构上更为复杂，组部件数量更多，主要由推力室、涡轮泵、燃气发生器（或预燃室）、火药启动器和各种阀门、调节器、管路等组成。 图5：液体火箭发动机典型结构 数据来源：《大推力液体火箭发动机结构中的力学问题》，东吴证券研究所 推力室和涡轮泵是液体发动机研制过程的关键。1）结构上进一步细拆：推力室由喷注器、燃烧室、喷管等构件组成；涡轮泵由气体涡轮、燃料泵、氧化剂泵等构件组成。推力室的研制难点在于保证燃烧的稳定性，尤其是对喷注器和喷管型面的设计提出了较 高要求，需要尽可能地满足尺寸小、重量轻、耐高温等条件。涡轮泵的研制难点在于如何在苛刻的工作条件下保证高转速和高效率，这牵涉到包含轴承、密封、叶型、诱导轮在内的多方面综合设计。2）工作机理上分析：推力室是将推进剂的化学能最终转变成 推进力的重要组件，涡轮泵是推进剂输送系统的重要组件。在液体发动机的作业过程中，首先由涡轮带动泵实现对贮箱的增压，通过不同类型的循环方式，将贮箱内的推进剂沿管路送入推力室。推进剂先由喷注器按一定的流量喷入燃烧室，经雾化、蒸发、混合和燃烧生成高温高压气态产物，再通过喷管膨胀加速，将热能转变为动能，向外喷出形成反作用推力。 7/22 东吴证券研究所 图6：液体火箭发动机工作机理 数据来源：国家航天局，东吴证券研究所 液体火箭发动机的关键性能参数包括推力、比冲和混合比。1）推力用于衡量发动机的工作能力大小。根据不同的大气压力条件，每台发动机都有三种推力表示形式：海平面推力、地面推力、真空推力。2）比冲指单位推进剂流量产生的推力，用于衡量发动机的性能。比冲越大，发动机效率越高。3）混合比指氧化剂与燃料的质量流量之比。发 动机在多次性能试车后可计算得到混合比偏差，减小混合比偏差能够有效提高火箭运载能力。总而言之，发动机的实际工作过程极其复杂，它的性能由技术、材料、设计上的诸多因素综合决定，最终被具象表示为参数。 图7：早期液氢发动机的高压涡轮叶片图8：现代液体火箭发动机燃料泵 数据来源：NASA，东吴证