中國火箭復用率的“馬斯克命題”。

作者｜趙健???

北京時間3月7日上午，馬斯克的SpaceX在星艦第八次試飛任務中遭遇失敗，第二級飛船在飛行不到10分鐘后發生爆炸。

不過，這并非一次完全意義上的失敗。該火箭的第一級助推器又一次實現發射塔回收，在降落時由發射塔上的機械臂夾住，實現半空中的捕獲回收。這一堪比科幻電影的火箭回收方式被稱為“筷子夾火箭”。

這并非SpaceX第一次成功實現“筷子夾火箭”了。2024年10月13日星艦的第五次試飛、2025年1月17日星艦的第七次試飛，都成功實現了一級火箭的筷子回收。2024年11月20日的星艦第六次試飛，由于關鍵硬件的自動運行狀態監測觸發問題，第一級火箭的捕獲嘗試被中止。

為什么要關注“筷子夾火箭”？因為這是當前最先進的火箭回收方式。馬斯克曾透露，星艦的設計目標是在升空后1小時內實現火箭助推器的再次飛行。

1小時是什么概念？十年前SpaceX獵鷹九號通過“著陸腿”成功實現了一級火箭回收，但回收后的火箭大約需要50天的準備才能復飛。假如利用“筷子夾火箭”的方式能從50天縮短到1小時，理論上可以實現1200倍的效率提升。

“筷子夾火箭”聽上去很美好，但實現起來很難，SpaceX是目前唯一成功實現“筷子夾火箭”方案的火箭公司。

但在大洋此岸的中國，也有人正在沿著馬斯克的腳步追逐SpaceX，試圖復現“筷子夾火箭”。

火箭專家唐文就是其中一員。

2024年，唐文創立火箭公司「宇石空間」，采用了與SpaceX的星艦相同的火箭制造、發射與“筷子回收”的技術路線。換句話說，宇石空間要造的火箭是中國版星艦。

唐文告訴「甲子光年」：“我們造火箭的人有一個說法，火箭要做成像飛機那樣‘航班化’的交通工具。顯然50天的發射周期是不可能做到航班化的，而SpaceX用實際行動證明了‘筷子夾火箭’的方案是可以做到的。”

被稱為中國版星艦的火箭公司不止一家，其中不乏成立近十年的更加成熟的火箭公司。作為一家剛成立不到一年的初創公司，宇石空間還有入局的機會嗎？

本文，「甲子光年」專訪了宇石空間創始人、CEO唐文，來回答如何在中國打造一家“筷子夾火箭”的火箭公司。

1.商業火箭的“兩個元年”

商業火箭之所以帶有“商業”二字，是因為這一產品或服務的價格最終達到了可以作為商品的較低的階段。在推動火箭進入商業化階段的路上，馬斯克掌舵的SpaceX是毫無疑問的先驅。

SpaceX成立于2002年，但真正讓商業火箭達到臨門一腳的事件，則是十多年之后的2015年。這一年12月，獵鷹九號火箭成功實現人類史上第一次火箭回收。

在此之前，火箭發射都是一次性的。由于難度極高，不具備批量化生產的規模，成本動輒上億甚至數億美元。到獵鷹九號發射的時期，單次發射費用已經降到約5400萬美元，并且還在持續降低。

2015年不僅對于SpaceX具有重要意義，在國內也可以看作是商業火箭的第一個元年——誕生元年。

在2015年之前，造火箭一直是國家隊在做的事情，市場上不存在民營的商業火箭公司，因為壓根就不存在商業火箭相關的營業執照的品類。

直到2014年，國務院發布指導意見，鼓勵民間資本參與國家民用空間基礎設施建設，民營企業才正式涉足火箭研制與發射。2015年之后，一大批民營火箭公司集中成立，比如星際榮耀、零壹空間、藍箭航天等等。

但是從2015年到2024年的九年時間里，商業火箭的市場空間極其有限。2023年全年中國火箭總發射次數為67次，而商業火箭僅13次；2024年，中國火箭總發射次數為68次，而商業火箭僅12次。作為對比，2024年美國SpaceX公司總發射次數為138次。中國商業火箭發展道阻且長。

火箭發射的主要場景是衛星發射，客戶絕大部分為體制內的衛星院所，而衛星發射服務份額絕大部分仍為國家隊所占據。

唐文告訴「甲子光年」：“商業火箭公司的市場定位主要還是國家隊的補充，技術與供應鏈也多來源于國家隊，火箭價格相比于國家隊并沒有明顯的優勢。”

但2023年，市場發生變化，唐文稱這一年為商業航天的第二個元年——商業化元年。

這一年，星網集團的GW星座計劃和垣信衛星的千帆星座計劃，總規模近三萬顆衛星正式開始衛星組網布局，這兩大衛星集團為商業火箭公司提供了最可觸達且最清晰的市場需求。

圖片來源央視新聞

唐文算了一筆賬：單顆衛星重量按500kg計算，發射價格按照4萬元/kg估計，這兩大星座計劃帶來的增量市場達5600億元，年均發射次數將達到約500次，平均每天會發射1.4次左右。而且衛星的壽命為5～7年，衛星的更新迭代會持續帶來組網需求。

然而，既有的商業火箭是無法滿足這一市場新需求的，一是來自于火箭運力的技術因素，二是來自于火箭發射的價格因素。

技術層面，過去幾乎所有的商業火箭都是運力較小的火箭——一般有效載荷為300公斤，最高也不過一噸左右，但是衛星組網對于火箭運力的要求不低于6.5噸。要想提高運力，只能造更大的火箭。

價格層面，唐文認為“低成本是商業航天發展第一要義”。降價的最主要方式是火箭的可重復利用，而回收是實現該目的最有效的手段。

唐文告訴「甲子光年」，在此背景下，低成本、可快速復用的4米以上直徑火箭為商業航天發展的必然選擇。因為只有4米級，才具備足夠大的運力；只有重復使用，才能把成本降低，滿足星座客戶的發射需要。

從2023年開始，各家商業火箭公司紛紛布局4米級重復使用火箭，新箭首飛時間預計在2025～2026年。唐文預測，到2028年，星座客戶每年200~500次發射規模足夠容納5家商業火箭公司。

唐文也在2024年成立了「宇石空間」，成為商業火箭創業大軍的一員。

2.降低火箭發射成本的終極方案

在商業航天領域，SpaceX摸著石頭過河，而其他公司摸著SpaceX過河。SpaceX幾乎憑借一己之力，將火箭發射的天價成本一降再降。

從SpaceX造火箭的歷史來看，降低成本的最核心工藝有三個：箭體結構、動力燃料與回收方式。

首先看箭體結構。在SpaceX的星艦之前，幾乎所有造火箭的材料都是鋁合金，而馬斯克第一個提出將不銹鋼引入商業火箭領域。

唐文告訴「甲子光年」：“其實上個世紀四五十年代，最早的一批火箭就用過不銹鋼作為箭體材料。但當時的火箭都是一次性發射，因此設計箭體結構時會追求更輕的箭體重量，使得在相同的動力下盡可能提高有效載荷的重量。鋁合金雖然比不銹鋼的成本更高，但當時造火箭的都是國家隊，對成本并不敏感。”

但馬斯克是一個商人，對成本極其敏感。

如果做火箭回收，箭體高速返回地面時會與大氣產生劇烈摩擦，使得箭體溫度急劇升高，這對于箭體材料的強度提出了更高的要求。相比鋁合金，不銹鋼的熔點更高，具有更高的高溫強度極限，因此有更優異的耐氣動加熱和耐氣動作用力的能力。這是馬斯克選擇不銹鋼的原因。

但是不銹鋼重量更重，是否會影響火箭的載重？單一的材料參數對比的確是這樣，但把箭體作為一個系統工程對對比就不會了。

以獵鷹9號與星艦作為對比。在火箭回收時，采用了鋁合金箭體的獵鷹9號為了防止箭體溫度過高，需要額外給火箭點火以降低降落速度，這消耗了大約20噸燃料，從而降低了大約20%的運力。而采用了不銹鋼箭體的星艦，不銹鋼的強度可直接高速穿越大氣層，在回收時全程無需額外點火來降低速度。而且，由于不銹鋼的耐熱性更高，相比鋁合金可以降低隔熱層的厚度，以此減輕火箭整體的重量。

這樣一來，原本在重量上并無優勢的不銹鋼，反而通過節省額外點火的燃料以及降低隔熱層的重量，使得火箭整體的運力比鋁合金箭體更大。

唐文經過估算，得出的成本對比是：一子級回收的4米級火箭，鋁合金火箭運力相比不銹鋼火箭損失約1/5，差不多是6000萬元；二子級回收的10米級火箭，鋁合金火箭運力損失大約10噸，大約為2億元。

當箭體改為不銹鋼之后，火箭的動力燃料也有了改進的空間。

在過去，火箭發動機的動力燃料主要是「液氧煤油」。液氧煤油有一個特點，那就是燃燒過后會形成積碳結焦。在火箭一次性發射的時代，積碳結焦問題是沒人在意的。但馬斯克要做可回收火箭，需要對發動機的積碳結焦進行清理才能繼續使用。 這降低了可回收火箭的使用次數與使用效率。

因此，馬斯克用另一種燃料作為替代——「液氧甲烷」。液氧甲烷燃燒后在發動機上的殘留物極少，從而大大減輕了后勤維護工作量，提高火箭重復發射的效率。

而且，液氧甲烷還與不銹鋼箭體組合成為“黃金搭檔”。因為甲烷在體液狀態下的溫度在零下100多度，這一溫度下不銹鋼的強度會比常溫下顯著提高且不容易斷裂，因此可以將不銹鋼的厚度適當地做薄，火箭的整體重量就進一步降低了。

在不銹鋼材料與液氧甲烷之后的最后一項工藝，就是火箭回收，這是當前商業火箭最大的創新點。

火箭回收目前有兩種主流方式：獵鷹九號的著陸腿回收，以及星艦的機械臂捕獲——“筷子夾火箭”。

圖片來自宇石空間

筷子夾火箭相比著陸腿成本優勢明顯。根據唐文估算，在著陸腿方案中，火箭飛行全程攜帶著陸腿重量，相比捕獲臂回收方案約損失4噸運力。另外，“筷子”捕獲臂使用次數不少于1000次，單次使用成本約2萬元；著陸腿制造成本平均1200萬元，使用次數約20次，單次使用成本為“筷子”三十倍。

筷子捕獲臂的可重復發射的運轉效率也更高。根據星艦的驗證情況，“筷子”捕獲臂復用速度可達到小時級，而著陸腿回收由于著陸腿復材結構檢修維護的復雜性，其復用速度難以突破20天。

而且，著陸腿僅僅實現了獵鷹9號的一級火箭回收，屬于部分回收利用。星艦的筷子夾火箭已經成功回收一級火箭，未來也有清晰的回收二級火箭的計劃，屬于完全的回收復用，成本將進一步壓縮。

筷子夾火箭方案的唯一缺點，就是技術難度太高。馬斯克在三年前提出筷子夾火箭的回收方案時，很多人以為“他瘋了”。

捕獲臂回收的最關鍵環節在于火箭與捕獲臂的配合抓取，兩者的配合涉及跨學科跨尺度的多個技術因素和控制策略，比著陸腿更為復雜。而且在安全控制層面，若捕獲臂回收失敗，最惡劣情況下將會損毀發射塔及周邊設施。

因此在SpaceX的星艦捕獲回收前三分鐘，自檢系統會對火箭、發射塔及其捕獲機械臂回收系統進行數千項檢查，以確認是否全部滿足安全標準。只有100%符合回收標準，火箭才會返航至捕獲臂進行回收，否則火箭就會放棄返航原位回收，而是執行海面濺落。星艦的第六次試飛盡管未能延續第五次“筷子夾火箭”的成功，但恰好成功檢驗了發射系統的安全運行機制。

今天，所有的商業火箭公司基本都是圍繞箭體結構、動力燃料與回收方式做不同方式的技術排列組合。

唐文認為，造火箭就像造飛機，在提供一種交通運輸服務的同時，必須符合最基本的商業規律。隨著造火箭的技術日漸成熟，商業航天業也一定會打價格戰，產品的制造和研發成本越低，競爭優勢將越大。

在他看來，宇石空間所選擇的“不銹鋼+液氧甲烷+筷子收回”路線，就是造火箭的最有性價比的方式。

但這一技術路線并不是行業共識，至少沒有被充分討論。

3.造火箭最難的，是造火箭的思維

作為SpaceX的掌舵者，馬斯克帶給商業航天領域最大的貢獻不只是一次又一次的技術突破，更重要的是一種創新精神。這一點對唐文影響很大。

唐文畢業于清華大學力學系，師從兩院院士、材料與結構領域專家，憑借發表在力學領域頂級期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上的論文順利獲得博士學位，卻在海外高校的博士后邀約與航天事業之間選擇了后者。

畢業之后，唐文加入航天領域的國家隊，負責動力系統設計，一做就是八年，完整經歷了長征系列CZ-5、CZ-7兩款型號火箭的研制。

在此期間，唐文也了解到了大洋彼岸一名叫馬斯克的商人在做的事情。2011年，SpaceX宣布將嘗試“完全快速可重復使用的火箭”。馬斯克表示，如果能找到像飛機一樣有效重復使用火箭的方法，那么進入太空的成本將降低到百分之一。但是，就像當時的大多數人一樣，唐文認為馬斯克就是在炒作概念，目的無非是騙騙投資人的錢。

后來的故事我們都知道了，經過幾年漫長的籌備與多次的失敗，馬斯克終于在2015年兌現了他的諾言。獵鷹九號的成功也讓唐文感到徹底的折服。

唐文告訴「甲子光年」：“你不得不承認這個行業存在所謂的先驅。火箭行業跟其他行業不太一樣，很難造假，能飛就是能飛，不能飛就是不能飛。馬斯克真的做到了能讓獵鷹9號成功發射與回收，你不服不行。”

某種程度上，體制內的工作節奏按部就班。唐文在自己所負責的技術領域，已經做到了極致。在看到獵鷹九號的成功以及中國商業火箭市場放開帶來的機會后，唐文感到廣闊天地，大有可為。

2018年，唐文離開體制內，加入一家商業航天的創業公司擔任技術負責人。2024年，唐文從“打工人”的身份轉變為創業者，成立宇石空間。

盡管宇石空間成立的時間較晚，但唐文認為商業火箭先發者不一定有優勢。今天商業火箭的增量市場才剛剛開啟，遠未形成固有的市場格局。老牌商業火箭公司技術路線綁定較深，而新玩家通過更好的技術路線有機會進行彎道超車，在機會轉型或者新技術出現階段形成新的行業格局。

造火箭是一個復雜的工程，技術、資源、經驗缺一不可。從體制內、創業公司技術負責人再到直接創業，幾次身份轉變讓唐文感受最直觀的變化，是造火箭的思維。

沿著舊地圖，找不到新大陸。唐文認為，造火箭首先要解除“思想鋼印”。如果局限于既定的火箭設計思路、供應體系、設計與制造分離的火箭生產流程，即使有一定的火箭型號經歷，也難以突破不銹鋼火箭以及筷子回收的技術，對機器人、材料學、工程機械等領域頂級人才也很難產生真正吸引，難以建立多元化背景的高自驅力團隊。

他希望自己以及他所創立的宇石空間，能夠吸納材料學、力學、機器人等領域的頂級人才，從第一性原理出發，在當前時代背景下進行跨行業深度融合，以更加開放的心態全力以赴，為商業火箭帶來新的活力。

從2020年到2024年創立宇石空間，唐文帶領團隊已實現從材料級、組件級、整箱級到全箭級的不銹鋼設計閉環，并已實現從設計到生產、工藝、試驗的全面突破。 目前，宇石空間7000平米的生產試驗中心已全面竣工、國內首臺直徑4.2米的不銹鋼薄壁共底貯箱正式下線，預計2026年完成火箭首飛。

宇石空間的愿景，是成為中國成本最低的快速復用液體火箭供應商。

圖片來自宇石空間

中國的商業航天市場似乎并沒有馬斯克這樣的狂人，但當更多的年輕有創新力的中生代進入這一市場，相信中國的商業航天也終究會迎來自己的大航海時代。

（封面圖來自SpaceX）