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引力一号成功发射的亦庄故事

  1月11日13时30分,山东海阳附近海域迎来2024年中国民营商业航天海上首发箭——北京经济技术开发区(北京亦庄)企业东方空间研制的引力一号(遥一)海澜之家号运载火箭。引力一号将云遥一号18-20星共3颗卫星送入预定轨道,飞行试验任务圆满成功。

  此次引力一号(遥一)发射是东方空间研发成果的一次集中体现。2020年,企业成立之初就将火箭研发中心、电子信息试验中心落地北京经开区,一方面看重这里火箭企业扎堆的产业生态,另一方面更为地区的营商环境动容。东方空间首席运营官魏凯回忆,“起初在经开大厦,经开区各个职能局给予了我们全方位的关怀。后来,我们选新址,管委会工作人员更是陪着我们一家一家考察园区……”

  引力一号首飞的成功开启了东方空间规模化、便捷化商业火箭发射的新篇章。魏凯表示:“今年,我们还将完成引力一号的两次发射任务,同时在年底前完成引力二号的初样研制,希望能为‘亦庄航天’继续添砖加瓦。”

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  ▲引力一号升空瞬间。融媒体中心张磊/摄

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▲引力一号静待发射。融媒体中心张磊/摄

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▲观众跟随引力一号寻梦太空。融媒体中心张磊/摄

  政策护航

  星箭网络高含金量

  政策护航产业发展

  2021年1月

  《北京市支持卫星网络产业发展的若干措施》印发,提出在经开区等建设商业航天产业基地以及商业火箭创新中心等,做强“南箭”。

  2021年7月

  《“十四五”时期北京经济技术开发区发展建设和二O三五年远景目标规划》强调,要大力扶持商业航天发展。推进商业航天、卫星互联网、无人机等新兴产业协同发展,构建贯通“低空到远空”的未来空天卫星互联网产业链,优化和稳定北京市“南箭北星”空间布局。推动商业航天技术、模式和服务创新,培育一批掌握自主火箭技术的品牌企业,巩固提升运载火箭、载荷研制等核心环节竞争力,增强关键器件、组件、系统技术储备深度,打造自主研发、集成设计、关键部件开发高地。

  2021年12月

  《北京经济技术开发区支持星箭网络产业发展的实施办法(试行)》发布,以打造国内领先的星箭网络总部基地和创新高地为主线,从支持企业规模化发展、支持关键技术研发、支持核心产品创新突破、支持共性创新平台建设、支持产业链开放协同、打造星箭网络产业基地、完善多元投融资服务、支持行业标准制修订、支持高端人才引进9个方面出台具体举措,进一步促进星箭网络产业发展,引导产业链上下游企业集聚,最高奖励5000万元。

  2021年12月

  北京亦庄星箭网络产业联盟正式成立,旨在加强星箭网络产业研究,促进企业技术交流和资源共享,推动星箭网络产业实现有序、快速、健康发展。

  2023年3月

  《北京市促进未来产业创新发展实施方案》印发,指出将面向未来信息、未来健康、未来制造、未来能源、未来材料、未来空间六大领域,打造未来产业策源地。在未来空间方面提出,面向未来太空探索需求,在经开区等区域重点发展商业航天、卫星网络等细分产业。

  2023年3月

  北京经开区汽车与智能制造产业专班正式挂牌运行,商业航天被作为一个重要的产业领域全力推进,并安排专门的“服务管家”跟进区内航天企业。

  2023年12月

  在2024年度工作会上,北京经开区部署2024年工作思路和重点工作,提到要更大手笔推动未来产业率先发展,加快推进未来空间产业集群建设,实施商业航天产业发展若干措施,充分发挥星箭产业联盟作用,开展产业标准研究,加大企业培育和招引力度,开工建设“火箭大街”,支持蓝箭航天、中科宇航、星河动力等巩固领先优势,拓展商业化领域,推进航天智能感知、中航天宇、航宇测通等项目开工建设。融媒体中心 李啸

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  ▲工作人员紧紧相拥庆祝胜利。融媒体中心张磊/摄

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▲工作人员落下激动热泪。融媒体中心张磊/摄

  自主创新

  四大关键技术群助推引力一号问苍穹

  东方空间引力一号(遥一)海澜之家号运载火箭为三级半全固体构型的中型运载火箭,首创了海陆通用中型火箭构型优化等10多项关键技术,扩展了我国1.5-5吨运载能力火箭型谱;攻克了“捆绑固体火箭多学科耦合优化设计技术群”,成为国内首个全固体捆绑火箭,可支持百公斤级卫星“一箭30星”;通过“中型运载火箭多模快速响应发射技术群”和前瞻布局的“一站式”发射体系,最快可在24小时内实现快速应急发射,单条发射船可实现“一周一次”发射;依托“批量化-低成本-大承载中大型火箭结构及装置设计及制造技术群”,提升制造效率降低制造成本;转运过程首次应用柔性充气式防护罩提供温湿度保障,在发射准备流程中采用机械式翻转架等方式,降低成本费用……为什么能取得这一系列成绩,东方空间联席CEO、引力一号总设计师兼总指挥布向伟说:“用自主创新技术给答案!”

  1000多天,4大关键技术群……研制团队是如何接连攻克一个又一个难关,铸造这枚“亦庄箭”的?“这是引力一号研制团队开展了23项大型地面试验、1452次试验迭代换来的。”布向伟说。

  攻克“创新关”

  新型谱刷新“火箭家族”

  “目前主流卫星星座单颗卫星重量大都在200-300公斤,必须4吨以上运载能力的火箭才好实现一次布置半个或一个轨道的批量发射,实现高效组网。”东方空间联席CEO姚颂介绍道,东方空间成立之初,就瞄准三年研制一款4吨左右运力的中型火箭,短期内形成规模化发射能力。

  目标已定,如何实现“从0到1”的原创性突破?“海陆通用固体中型运载火箭总体设计及试验技术群”攻克“创新关”。研制团队通过首创的海陆通用中型火箭构型优化、首次开展的中型捆绑火箭动基座垂直发射载荷精细化辨识试验……十多项关键技术攻关,构筑火箭坚实创新底座。最终研发出了这款三级半全固体构型的中型运载火箭引力一号,扩展了1.5-5吨运载能力火箭型谱,助力我国卫星星座组网大规模建设。

  攻克“能力关”

  “小身材”实现“大运载”

  作为国内首个全固体捆绑火箭,引力一号火箭全箭高30米,近地轨道运力6.5吨,500公里SSO运力4.2吨,可支持百公斤级卫星“一箭30星”。

  “小身材”实现“大运载”,小体积迸发大能量,这得益于“捆绑固体火箭多学科耦合优化设计技术群”的攻克。

  “捆绑构型设计相比光杆构型的火箭,设计复杂度、专业耦合度更高,对系统协同能力要求更高,引力一号用三个创新优化满足了高要求:通过2.65米级固体发动机模块化、组合化捆绑设计,实现运载能力的跨越;通过飞行时序优化,解决固体助推器不同步导致的分离难题,有效保证助推分离过程及控制的可靠性;通过构型优化,大幅降低‘三垂发射’模式保障要求,提高地面使用过程的可靠性和安全性。”

  攻克“速度关”

  太空快递“发货”提速

  支持百公斤级卫星的“一箭30星”,实现“一箭一轨”或“一箭半轨”发射;支持发射三四吨重量的小型货运飞船、超大型卫星等。

  作为迄今全球运力最大固体火箭,引力一号怎样实现太空快递“发货”提速?

  包含适应24h至15天的多模发射流程优化、“三垂”使用流程载荷控制技术、简易充气柔性保温防护罩技术、基于轴线车捆绑火箭竖直转载技术等8项关键技术的“中型运载火箭多模快速响应发射技术群”和前瞻布局的“一站式”发射体系,为实现快速发射增加火箭发射频次、提升总运量规模提供支持。

  “东方空间围绕东方航天港集聚布局了引力一号基础设施:5公里内可以完成火箭子级总装总测、全箭垂直总装总测、港口登船流程,实现‘前店后厂’。这种模式将以往转运过程上千公里的距离大幅缩短,极大减少了物流时间、物流成本、箭体包装及恢复时间。”东方空间首席运营官魏凯介绍,结合“一站式”发射体系优势,引力一号作为全固体火箭,可采用“半整箭贮存”方式形成能力储备,最快可在24小时内实现快速应急发射。常规情况下,单条发射船可以保障“一周一次”引力一号发射任务,通过配置多条发射船,可实现更高频次发射。

  攻克“经济关”

  叩开了低成本火箭发射大门

  火箭发射探路降成本,太空经济打开新空间。魏凯表示。“除了上述引力一号通过‘一站式’发射体系建设大幅缩短发射准备流程、降低过程成本之外,引力一号自设计之初便充分考虑成本因素。”

  根据“批量化-低成本-大承载中大型火箭结构及装置设计及制造技术群”,引力一号箭体结构设计通过适宜快速批量化制造的设计,芯级和助推直径均为2.65米,柱段结构共包括8个部段,占据了火箭一半数量,通过集中备料、模块化设计、标准化设计、设计源头简化制造工艺等方式大幅提升制造效率、降低了制造成本。

  同时,引力一号首次应用柔性充气式防护罩,临时为火箭在转运过程中提供温湿度保障,相比金属勤务厂房式结构节省上千万费用;在发射准备流程中,采用机械式翻转架,可以实现可靠翻转起竖百吨火箭子级的同时,大幅降低了制造和后期维护成本。融媒体中心李玉凤

  温度

  “从白天干到晚上又从晚上干到白天”

  2023年7月,东方空间连续开展了两次助推器分离试验,这是引力一号一个关键的技术攻关验证试验。“要知道,以往这样的试验周期至少需要半年,而我们20多人的小团队,不断‘挤海绵里的水’,赶时间、赶进度,在一个半月的时间内完成了试验。”东方空间联合创始人、首席运营官魏凯说。

  从2021年3月立项到2024年1月首飞,引力一号的成功仅仅用了不足三年时间,几乎只是行业传统平均用时的一半。而这些时间正是东方空间的航天人们像挤海绵里的水一样,一点一点挤出来的。“屠龙封鞘非我愿,尝胆三千铸倚天。”谈到此,魏凯感叹,“每每想起他们的努力与付出总让我眼含泪水。”

  谁说女子不如男?想到那个采购大姐李娜,他红了眼眶,“我总说她,见过经开区的夕阳也看到了经开区的朝阳。”

  那是引力一号研制启动初期,在产品投产阶段,正是采购任务繁重的时候。尤其面临研制计划编制、产品计划协调等系统性任务的时候,需要一气呵成。但初创期的东方空间,项目管理、采购管理就几个人,怎么办?“只能加班加点干!”魏凯解释道,“所以我说的采购大姐可不是日出而作、日落而息,而是从白天干到晚上,又从晚上干到白天。”

  英者,豪杰也,航天之精英;亦可为瑛,他日之玉璞;一字双意,一意双关。想到那个项目经理杨兴,他湿了眼眸,“有天晚上11点,接到他的电话,隔着听筒,我好像‘看’到了他的眼泪。”

  那是2023年11月底的一天晚上,正在执行靶场任务的杨兴接到了北京打来的电话,一个如晴天霹雳般的消息袭来,他7岁的儿子被确诊恶性脑瘤。请假后,他当晚立刻回家。安排手术,带孩子化疗、放疗……将家里所有事情安排妥当后,不足一个月的时间,他已经归队,再次站到了岗位前。魏凯说,“我佩服他的担当与责任,我知道,我们都有自己的孩子,而引力一号对于我们来讲也是自己的另一个孩子。”

  她,在自己的睡眠里挤时间;他,在奔忙的步子间挤时间……正是东方空间的“他”或“她”们,让引力一号成为了民营商业航天中一颗冉冉升起的新星。1000天,23项大型地面试验,40项重点单项试验,489项单机试验,各项试验共计开展1452次,每个数字后面都是许许多多的“1”加在一起,而每一个“1”后面都是由众多的他/她共同书写而成。融媒体中心卢金曦

  深度

  中国民营商业航天仍处成长期

  2023年以来,中国民营商业航天比肩国际,创下多个“全球之最”。不过,在中国空气动力学家、航天技术专家黄志澄看来,中国民营商业航天还有一段很长的路要走。他说,“目前,国内民营商业航天已经取得了很大成绩,但仍处于成长阶段,要想迈入成熟期,我认为还有至少10年的时间。”

  “路漫漫其修远兮”

  10年之期从何而来?对标SpaceX(美国太空探索技术有限公司),黄志澄从火箭的运载能力、可重复使用技术以及发射成本三个方面详细分析。

  “我们民营商业火箭的运载能力还远远不够。”黄志澄坦言。猎鹰9号是SpaceX研发的最成熟的箭型,它是一款可回收的中型液体运载火箭,其近地轨道载荷发射能力为22.8吨。而SpaceX在研的另一款大型液体运载火箭星舰的近地轨道有效载荷能力可达到150吨,若不重复使用载荷可达250吨。放眼国内,当前运载能力最强的当数刚刚成功发射的引力一号,其通过固固捆绑构型实现了近地轨道运载能力6.5吨,即便这样,其与猎鹰9号的差距还有2倍有余。

  “我们民营商业火箭的复用技术刚刚迈出第一步。”黄志澄分析道,当前国内民营火箭企业大都以固体火箭起步,继而转向液体火箭,进一步实现可复用。20天前,“老员工”猎鹰9号第一级助推器成功降落在海上回收船上,创造了第19次重复使用的纪录。该助推器于2020年5月31日开启了首次飞行任务,至今已经服役三年多,成功将860多颗卫星与260吨的货物运送到太空。自2020年起,猎鹰9号通过回收复用技术真正算明白这笔“经济账”后,国内民营商业航天企业便前赴后继奔上火箭的可回收复用之路。

  东方空间的引力二号、星河动力航天的智神星一号、蓝箭航天的朱雀三号……一系列瞄准“可回收”的火箭型号正在加紧研制中。其中,进展最快的是星际荣耀。去年11月9日、12月10日,短短一个月间星际荣耀自主研发的双曲线二号验证火箭接连两次完成垂直起降飞行试验,其可复用技术被一次又一次验证。按照计划,使用该复用技术的双曲线三号中大型可重复使用液氧甲烷运载火箭将于2025年首飞。

  “我们的运输成本还没有打下来。”黄志澄说,SpaceX的大运力、可复用让其成本大幅下降。根据SpaceX公司的统计,猎鹰9号近地轨道发射的报价为6200万美元,最大载荷为22.8吨,平均每千克的发射价格为2720美元(合每公斤约2万元),即使由于氦气等原材料价格的上涨,也不过才6700万美元。而当前,国内民营火箭公司暂时没有可复用火箭成功入轨。随着引力一号的成功发射,其大运力一定程度上降低了发射成本,按照估算,如果采取“拼车”形式,按照500公里高度,引力一号可以实现每公斤6万~7万,单价较国内平均水平降低约30%。

  “我们可以看到,虽然与SpaceX还有一定差距,但是国内民营商业航天企业似乎已经找到了前进的方向并且已经逐步取得优异成绩。”黄志澄认为,未来,中国民营商业航天的发展一方面需要有勇气和有智慧的企业家,带领企业成为火箭领域的“领头羊”,一方面也需要政府、市场等层面的政策和资金支持,至少要有1000亿的投资才能真正撬动商业航天的市场经济。

  山行资本合伙人朱思行认为:“在火箭的技术层面和发射成功率来看,我们并不落后于SpaceX。但从发射成本和频次来看,我们还有一定差距。”

  2022年,东方空间完成了4亿元A轮融资,由山行资本领投。该轮融资用于引力一号运载火箭的研制和首飞。“我是航天系统出身,深知火箭与其他产业相比,它的风险还是很高的。尤其在2022年,中国民营商业航天正经历一段很艰难的时期,但我们依旧投了商业航天,肯定还是看好这个领域的发展。”朱思行说,选择东方空间的原因一方面企业是行业内为数不多能把握市场及技术双线逻辑的公司,另一方面东方空间“前店后厂”的模式实现了提质增效,这些都是降成本、提频次的有力举措,我们也能看到与国际头部企业的差距在慢慢缩小。“这次引力一号的成功首飞我们感到十分振奋,这也印证了我们当时的选择没有错。”

  十年之期愿做“风雨夜归人”

  “我们有信心去追赶国际先进水平,但是我们同样认识到差距。因为火箭研发周期较长、门槛较高,这个差距不是通过三到五年能够追赶上的,但我们期望通过十年的努力,达到国际先进水平。”东方空间联席CEO、引力一号总设计师兼总指挥布向伟表示。

  瞄准国际先进的目标,东方空间制定了三步走战略:先做到商业一流,继而达到国内一流,第三步迈向世界一流。

  “推出一款市场认可的火箭,就是我们冲向商业一流的实践,这也是我们推出固体运载火箭‘引力一号’的目的。”布向伟说,面向国内一流,当前整体商业航天生态在研发基础设施、发射场资源、资金实力等方面还积淀不够,因此“因地制宜”,我们要在创新上闯出一条路子。比如发射工位的限制让我们探索出了海上发射的路径,未来,我们也期待着企业的创新力为产业发展交上新答卷。

  “要想向世界一流迈进,我们还需要在团队、资金、产品、体系四个层面奋起直追。”布向伟表示,道阻且长,行则将至,行而不辍,未来可期。融媒体中心 卢金曦


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