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

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。 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 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。 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 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。 图4：火箭结构示意图 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 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 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。 图6：液体火箭发动机工作机理 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 2.1.液体火箭动力系统的先进设计 火箭动力系统在设计前需要选择推进剂，出于供应和成本角度的考虑，液氧/甲烷是商业液体火箭未来星际探索的有力保障。推进剂是发动机的“血液”，它的搭配方式灵活多样。目前液体火箭的推进剂普遍采用氧化剂+燃料的双组元形式，备选燃料主要有煤油、甲烷、液氢。发动机的比冲越大，完成相同工作量所需的燃料就越少，效率和能耗成本也就更优化。尽管液氢燃料发动机的比冲最大，但密度比冲最低，这意味着液氢的贮箱体积更大，导致火箭的运载能力降低。甲烷发动机比冲次之，但密度比冲大幅缩小。因此，甲烷燃料成为了一个折中的方案。此外，选用甲烷燃料的成本极低，仅为液氢的百分之一。另外，甲烷制备相对容易，方便在外星球就地取材，并且不会产生积碳问题，使发动机具备良好的回收适性。商业航天公司研制的液体火箭发动机一般选择从技术成熟的煤油燃料入手。目前，国内的蓝箭和星际荣耀已积极开展甲烷发动机的研制。23年7月，蓝箭公司搭载天鹊-12液氧/甲烷发动机的朱雀二号火箭发射成功，这是全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭，对我国商业火箭事业意义重大。 表2：比冲大、成本低的甲烷燃料崭露头角 发动机设计首先从循环方式的设计开始，全流量分级燃烧是目前火箭推进剂利用效率最高的循环方式。循环方式，即发动机的推进剂输送系统，在性能考量方面并不存在绝对最优的选项，因此循环方式的设计通常需要在性能之间做出取舍。按技术难度梯度进行大类排序，可以简单理解为“泵压式>挤压式”、“闭式>开式”。当前液体运载火箭的主流循环方式选择是分级燃烧循环和燃气发生器循环，而代表最先进技术的循环方式是全流量分级燃烧循环，这也是分级燃烧的一种，由SpaceX的猛禽发动机率先实现量产并投入使用。猛禽发动机以其推力最大、效率最高、可复用低成本优势闻名。 图9：“猛禽”二代发动机原理图 涡轮泵是发动机唯一的高速旋转组件，3D打印、动态密封等新型先进技术时常得到应用。发动机被誉为火箭的“心脏”，而涡轮泵又是发动机的“心脏”。相较于其他组件，火箭研制公司通常对涡轮泵做更多的信息保密工作。1）金属3D打印/增材制造技术在火箭发动机上的应用前景越发广阔。使用3D打印技术能够保障零件质量性能、降低成本、提高制造效率，尤其在涡轮泵零件上目前已经有了较多实际用例。2）可靠的涡轮泵离不开动态密封技术的支持。动态密封件充当涡轮机高温供气和泵侧低温液氧之间的物理隔离，起到防止推进剂泄漏、防止污染物进入以及控制压力的作用。一些改良的动态密封件还可以进一步补偿涡轮机产生的轴向力。3）近年来我国运载火箭事业在液体发动机的涡轮泵设计上也实现重大突破。例如蓝箭航天的天鹊-12发动机应用了刚轴、浮动环动密封、轴向力平衡系统等关键技术，有力地提高了涡轮泵的性能和可靠性。 图10：“天鹊-12”甲烷发动机涡轮泵 针栓式设计是喷注器设计的创新突破，也是液体发动机实现深度变推力的核心技术之一。喷注器是推力室的起点，是用来将燃料和氧化剂以特定比例均匀地注入燃烧室的基本组件，对发动机的稳定性起到关键作用。传统喷注器设计主要分为直流式和离心式两种。直流式结构简单，其中的双股自击式喷注器较好地兼顾了性能和稳定性，被广泛用于大推力发动机；离心式结构较复杂，过去常用于俄罗斯的火箭发动机。相较于传统喷注器，针栓式喷注器在设计上更加简化，既大幅降低了生产成本、提高了节流能力，还能提供稳定的高燃烧效率，满足可回收运载火箭可以大范围调节推力的要求。针栓喷注技术最早被应用在美国登月的下降级发动机上，随后被SpaceX公司首次应用到旗下运载火箭发动机“梅林-1A”上，为其后续火箭回收技术提供坚实基础。 图11：阿波罗下降级发动机-针栓式喷注器 薄膜冷却、辐射冷却。烧蚀冷却技术过去常用于固体火箭；此外，SpaceX的猎鹰1号液体火箭在前两次试飞中也使用了烧蚀冷却，但随后马斯克承认其在设计上的失败，并将梅林发动机升级为再生冷却设计。再生冷却技术是一项重大突破，它能够使液体火箭发动机的推力室在更高的温度和压力下工作，从而提供更大的推力。再生冷却在提高可靠性的同时也有利于发动机的重复使用，因此逐渐成为液体火箭的普遍选择。 表3：火箭燃烧室和喷管冷却技术 2.2