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视频 | 蓝箭航天张昌武:我们为什么要造超高难度的液氧甲烷火箭?

原标题:视频 | 蓝箭航天张昌武:我们为什么要造超高难度的液氧甲烷火箭?

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编导|何天儒 作者|郭佳莹 后期|徐彬

地球是人类的摇篮,而冲出地球,却是几代人的梦想。

2018年3月20日,一台10吨级液氧甲烷火箭发动机推力室在轰鸣声中试车成功,这意味着张昌武和蓝箭的航天梦又迈出了一大步。

10吨级液体火箭发动机推力室试车

推力室是发动机的心脏,发动机是火箭的动力之源。“能否研发出一款独立自主可控的发动机,是衡量一家火箭公司能否长远发展的关键点”,即便是依靠市场化力量成长的民营火箭公司,也必须接受这一衡量标准,无一例外。

众所周知,液体火箭发动机是航天工程上的“皇冠明珠”,全世界航天人都想造出一台属于自己知识产权的液体火箭发动机,但所有人也都知道,这并非易事。

高性能涡轮泵保证系统增压稳定、喷注器保证推进剂良好的雾化混合与燃烧。燃烧室、喷管必须能承受极端高温高压以产生稳定推力,任何一丝缺陷都可能引发灾难性后果。

可这家初创的民营航天公司却决心研发自主知识产权的液体火箭发动机,并且还是以液氧甲烷为燃料的前沿方案。为什么要花如此大的力气选择这款极难的发动机方案呢?

面对品途创投的疑问,蓝箭航天CEO张昌武回答说,“从技术难度上来讲,航天从来就没有‘容易’二字。”

1、为何要造难度极大的“液氧甲烷发动机”?

航天是个时间跨度很大的系统性工程,必须要有长远规划。

张昌武对品途创投说,“我们必须要有一套能保证蓝箭不管是现阶段,还是未来十年、二十年,火箭都能足够用的动力系统。”所以,选择哪种技术方案,就需要考虑未来的需求。

火箭要进入太空,最小需要达到第一宇宙速度即7.9km/s,速度越快或者载荷越重,所需要的能量就越大。发动机必须提供足够大的推力,为了获得强大推力,火箭每秒都要燃烧掉上吨的燃料,用以喷射高温高压的燃气。

航天界有个术语叫“比冲”,即火箭发动机每秒消耗单位质量推进剂产生的推力越高,比冲越高,火箭获得的总冲量越大,最终的速度就越快。固体火箭发动机比冲为2000~3000牛秒/千克,而液体火箭发动机的比冲可高达2500-4600牛秒/千克。

要想完成大载荷、更高轨道的发射,就必须用使用液体火箭。

为了制造出大比冲、稳定性好的液体火箭发动机,历史上的火箭工程师们卯足了劲研发,陆续推出了基于四氧化二氮偏二甲肼、液氧煤油、液氢液氧等推进剂的液体火箭发动机。液氧甲烷技术于上世纪60年代被提出,但直至80年代,它的真正优势才被世人所周知。

相对于四氧化二氮这类有毒推进剂,液氧甲烷不仅无毒安全,其粘度也远低于煤油,因此甲烷在雾化过程中会出现极为细小的液滴,这种状态非常有利于快速持续稳定燃烧;而对于液氧煤油、液氧液氢组合这类低温推进剂来说,液氧甲烷发动机的技术门槛相对较低。最为重要的是,它是所有烃类燃料组合中,最不容易结焦和积碳的,这就为未来能够实现清洁环保、可重复使用的火箭发动机打下了坚实的基础。

正是看到了液氧甲烷的优秀特性,所以蓝箭航天在研发伊始就把液氧甲烷发动机定为目标。在张昌武看来,“液氧甲烷”不仅是为发动机获取巨大推力的推进剂,也是支撑蓝箭航天长远发展的根本源动力。

张昌武告诉品途创投,“这也是SpaceX的Raptor(猛禽)、蓝色起源的BE-4均采用液氧甲烷发动机的原因,是基于市场驱动的结果。”

与国家航天事业不同,商业航天需要在成本和性能之间获取平衡,市场想要降低成本就必须实现“可复用”。

甲烷燃烧后比煤油干净,更利于引擎的复用维护;另一方面,从更为长远的角度来看,科学家们已经发现诸如火星、土卫六等星球上存在液体甲烷“海洋”,如果未来做星际航行,甚至可以从目标星球直接汲取液体甲烷做燃料。

为此,蓝箭的专家团队们果断选择了“液氧甲烷”。张昌武认为,这条技术路线一定会成为蓝箭在这个行业里安身立命且最具核心竞争力的关键点。

比冲高、推力大、冷却性能高、不易结焦和积碳,这样一款集优点于一身的发动机必然也会面临巨大的研发难度。

对于蓝箭来说,液氧甲烷是一种全新的推进剂系统,所以摸准这个推进剂本身的燃烧特性,找到能够和它匹配的工艺材料,是一件非常困难的事情;其次,为了保证这款发动机的“完全独立自主可控”,蓝箭团队也在发动机的关键部组件采用了大量新工艺、新设计,如此一来,后期生产中就亟需解决工艺和质量控制问题。

蓝箭液氧甲烷发动机的目标是深度变推力、可重复使用,这也是当今火箭发动机的前沿技术,为了实现这两个特性,蓝箭航天自主研发了“针栓式喷注器”。

喷注器流量测试图

SpaceX的梅林发动机之所以能够在推力调节和燃烧稳定性方面表现优异,很大程度上也是因为使用了针栓式喷注器,“这在国内航天里都算是非常新的创意”,张昌武对品途创投表示。

为了避免喷注器在燃烧过程所可能引发的一系列问题,蓝箭技术团队在前期足足设计了20多种设计方案,最终定下来投入生产的仍然有10多种。在这10多种设计方案里,技术团队又要根据不同的工艺、加工流程做10多套出来,每一套还要提前准备很多的生产安排。

张昌武回忆说,“我们前期同时进行了好几种方案,但设计之后发现,大家之前相对有把握的铸造工艺却出了问题。”

对民营公司来说,无论是时间还是资金都相对有限,研发出了问题必须马上解决。“发现问题当天,管理层就把相关负责的项目组成员派到全国各地,去寻找其它有生产加工能力的企业,同时迅速组织生产试样产品。”

不过三天时间,蓝箭就寻找到了新的工艺路线。

原理样机的制造只用了半年时间,接下来两年半的时间,蓝箭团队都是在周而复始的重复着设计、工艺攻关和制造的过程。直到2017年6月,蓝箭独立设计的喷注器才开始进入液流和雾化的试验阶段。

幸运的是,这次试验一举获取了大量的有效数据,为蓝箭后续核心产品的研制奠定了良好的基础。即便过程挑战重重,但这款喷注器为蓝箭带来的,却是未来能够实现发动机深度变推力、可重复使用的根本保障。

2018年3月20日,这款拥有200多项技术专利的“10吨级”液氧甲烷发动机推力室试车成功,这标志着国内出现了第一家掌握液氧甲烷发动机核心技术的民营商业航天企业,同时也让中国成为世界上第二个拥有独立研制高性能液氧甲烷发动机的民营企业的国家。

试车成功极大振奋了蓝箭航天的所有员工,蓝箭团队将这款发动机命名为“凤凰”,寓意为涅槃重生。

2、目标:百吨级火箭发动机

距离10吨级液氧甲烷发动机推力室试车已经过去近3个月,这三个月以来,蓝箭的技术团队依然没能松懈下来。

张昌武告诉品途创投,推力室的成功只是前行过程中的一小步,而真正要打的“硬仗”还在后面。“凤凰”10吨级发动机推力室的作用主要是用来验证关键技术和工艺路线,或者说,这次推力室的成功也只能解决百吨级发动机研制生产过程中的部分核心问题。

简言之,这次试车成功的“10吨级”推力室某种程度只是验证机,因为蓝箭自始至终都把整个运载火箭的研制作为终极目标,而“百吨级”液氧甲烷发动机的研发成功才是前提。

火箭发动机推力室加工

在SpaceX的梅林发动机之前,人们习惯性的认为,中等推力液体火箭发动机是用国家级力量和投入才能完成的大事,更不用说是可重复使用的液体火箭发动机。

SpaceX、蓝色起源等商业航天公司让美国重夺商业航天的发射市场,正是得益于可重复使用等先进技术所带来的大幅下降的发射成本。经过测算,可重复使用火箭将使得后续发射成本降到数千万美元一次,比现在欧洲航天局阿丽亚娜火箭、我国长征运载火箭的发射成本更低。

蓝箭选择了百吨级、可重复使用的液氧甲烷发动机路线,如果能实现,蓝箭航天收获的将是与大洋彼岸顶级对手较量的筹码。

但研发一款百吨级液体火箭发动机的难度,不言而喻,尤其是在蓝箭采用大量新型工艺路线的情况下。张昌武告诉品途创投,“我们大胆采用了一些高温合金、钛合金等新材料,用于喷管涡轮泵等关键部件的生产,并采用了新型的焊接、铸造技术。”

3D打印工艺完成推力室头部壳体

使用创新工艺的原因是为确保将来批产的顺利进行,避免受制于人。创新上不遗余力,工程学上就势必意味着风险丛生。

10吨级到百吨级,不仅是简单的产品尺寸变化,张昌武对品途创投说,“推力规模相差十倍,就意味着整个工况都会发生巨大变化。百吨级液体发动机结构更为复杂,我们需要对各组件、总装布局重新调整,再把这些工艺路线和关键技术放大到百吨级组件去试验,试验没问题还要进行全系统联调联试,只有联试成功,这个发动机才有可能被定型。”

创新幅度大、工艺挑战大、周期难以把控,直面这些风险不仅需要技术实力,更需要魄力与勇气。

张昌武回答得很干脆:“商业航天不同于国家航天,国家航天要承担国家意志、国家任务,可能留给个人发挥的空间就小一些;但蓝箭是商业航天,既然市场需要这样的技术,我们又有一批有梦想、有能力的资深工程师,那就去做些不一样的东西出来,我们要支持他们,并容忍他们试错创新。”

以开放性的姿态接受创新,容忍工程师们试错探索出新技术路线,蓝箭航天点亮了新的“技术树”,也因为信息充分沟通,避免了很多内耗和损耗。

蓝箭航天研发团队通过一体化设计,把电器、测控系统等几个系统集成在一起,大幅度降低了系统的重量,并极大提升了可靠性,制造成本也更加可控,甚至这个产品还能应用到其它类别的产品上。

在供应链方面,蓝箭航天同样保持着开放的心态。张昌武告诉品途创投:“既然我们决定研发的是一款独立自主可控的发动机,就意味着我们不能依赖体制内原有的生产加工体系。”

传统上,国内航天体制是总体-配套紧密联系,是一个较为封闭的圈子。为了更加高效、快速解决生产问题,蓝箭航天在积极开拓新的供应商。

张昌武向品途创投透露,蓝箭航天目前合作的一百多家供应商中,超过50%的合作伙伴是在军工领域或者高端制造领域有过长时间耕耘的优势企业,而非原来的航天体制的企业。

“比如说船舶行业的很多优势企业,其实在航天领域也是有能力的,只不过原来的分工问题,没有在这个领域里面过多做耕耘或者做出产品,现在我们更加开放地去联合起来,解决配套的问题。”

目前,蓝箭航天正积极推进各分系统部件(推力室、涡轮泵、阀门、管路等)的研发,在各个系统部件都完成后,还将进行总装,整机振动、模态分析等测试。

此外,蓝箭航天也在优化发动机机构,希望能在下一代产品上把阀门数量减少一半,发动机重量再减轻30%,降低成本,提升火箭的竞争力。

张昌武明确表示,蓝箭航天的“凤凰”发动机跟国家航天部门研发的增压混动发动机相比,在技术指标上有差距。但“凤凰”发动机的定位就是商业发动机,它不追求极高的技术参数,追求的是性能与成本的平衡;它不是去竞争世界第一、第二的比冲,而是在商业上有竞争力的,能拿下市场。

只有开放与成熟并举,才能达成张昌武和蓝箭航天给自己设定的时间节点,早日实现商业化。

根据蓝箭设定的核心任务节点:2018年,完成“凤凰”百吨级发动机的研制;2019年,将基于这款发动机的中型液氧甲烷液体火箭生产完毕到出厂的状态,并争取获得发射许可;2020年,完成发射,正式商业化。

液体发动机的技术难度决定了需要较长时期的研发,无论是国家科研机构还是大洋彼岸的Blue Origin、SpaceX,液体发动机的研发均花费了6-10年的时间。而蓝箭想要在今年完成“凤凰”百吨级发动机的研制,可谓时间紧、任务重。

要尽快完成目标,就必须充分、有弹性、完整地去做发动机的实验,必须要有一个属于自己的实验设施,张昌武介绍说:“尤其是试车台,这样才能保证如果今天想试就能试,出了问题把所有数据拿过来,再去推敲回顾,找到问题,可以马上上台再试一次。”

3、坚强的后盾:国家

蓝箭做的大量工作,获得了行业的认可,也得到了国家和湖州市地方政府的极大支持。

在航天领域,中国是奋起直追的大国。大洋彼岸的商业航天快速发展,让中国倍感压力,国家也逐步调整政策,开始鼓励社会资本进入航天领域。

2014年中央提出推动军民融合发展战略,国务院明确鼓励民营资本进入研制、发射和运营商业遥感卫星。2016年4月22日,国新办举行的“中国航天日”新闻发布会上,国家航天局局长许达哲讲到,鼓励社会资源加入航天的建设中,中国也将制定更加积极的政策,来促进商业航天发展。

拥有深厚技术实力的蓝箭航天,得到了各级政府的青睐。

寻找项目落地之时,蓝箭得到了湖州地方政府的大力支持。但很多人不知道的是,湖州与中国航天、导弹事业有着深厚的历史渊源,被誉为“中国洲际导弹之父”的屠守锷先生,正是湖州人。

张昌武介绍说,“在这样的地方建造试车台和进行火箭发动机的研制和实验,具有很强的继承意义,也会有一种使命感。”

带着使命感,蓝箭航天投入到了湖州工厂的建设里。蓝箭航天董事长王建蒙先生是中国第一代从事航天发射的航天人,曾参与过西昌发射基地的基础设施在建设,一直对航天事业有着非常深厚的感情,注重技术细节到“原子级”。

在湖州工厂的建设中,王建蒙先生虽然已经60多岁,但仍然不遗余力亲历亲为,从工厂设计到工厂厂区布局,从支架结构到保温环境,全部提出自己的见解,找到解决问题的办法。

王老先生的身体力行打动了团队,整个团队带着创新意识去做事,以打造国内最先进的民营运载火箭智能制造基地为目标。

湖州工厂建设得很快,试车台和工厂都将于今年的下半年投入使用,这也是中国民营航天领域的第一个现代化工厂。当蓝箭的火箭设计完成后,就将于湖州制造出来。

火箭总装厂房(湖州)

张昌武深知,蓝箭航天之所以能以“火箭般的速度发展”,背后离不开各级政府的支持,更离不开中国在航天事业上深厚的积累。他对品途创投说:“感谢目前国内军民融合这些国家级政策带来的行业春风,后期蓝箭在当地形成初步产能,验证了我们的能力后,还将会得到政府更高层面的支持。”

随着全球商业航天的发展和推进,很多原来没有航天能力的国家也参与进来,像拉美、亚洲新加坡等国也开始围绕着卫星工业,慢慢建立起自己的商业航天体系。

但火箭就比较特殊,因为真正掌握运载火箭技术的国家仍然是少数。在整个运载火箭的领域,有完整的人才梯队、完整的产业链基础,又有很强的政策支持,中国算是世界数一数二的。

张昌武对品途创投说,“由于原有的航天体系积累,国际上已经形成强者恒强的局面,中国的人才积累非常完整,比整个欧洲、拉美、东南亚国家都要强,甚至不输于俄罗斯,只不过跟美国相比,商业化方面稍微滞后。”

充足的航天人才储备,让蓝箭航天受益匪浅,蓝箭液氧甲烷的技术路线也吸引了大批年轻技术精英的加盟,目前公司120人的研发团队,平均年龄只有35岁。

4、航天精神

而80后的张昌武转型成为航天人,也纯属机缘巧合。

张昌武之前在金融行业,曾就职于汇丰银行、西班牙桑坦德银行,擅长公司战略、管理、金融。

蓝箭航天的另外两位联合创始人,王建蒙先生在航天发射管理和航天国际化领域有四五十年的经验,对行业有非常深入的理解;吴树范教授是南京航空航天大学博士、洪堡学者,曾在欧洲航天局工作近15年,宇航系统高级工程师,是非常资深的卫星领域的科学家,也是我国“千人计划”引入的航天专家。

2015年国内的创业环境如火如荼,恰逢国内相关政策开放带动了整个国家的产业升级热潮。

机缘巧合,张昌武与这两位顶级航天人一起发起了蓝箭航天,他顺理成章的从银行家转型为商业航天人。“时至今日回顾来看,我们选择了一条非常正确的道路。”张昌武对品途创投说,“在此之前,我只是航天的一个观众,经过组织团队一起做事,到现在可以说是一个真正的航天人了——经管领域出身的人里,我应该是最懂商业航天的人之一;目前在商业航天领域里,我应该也是最懂经济管理的人之一。”

张昌武的信心来源于一个核心的理念,他对品途创投说:“我做我专业的事情,用一个商业化的现代公司治理制度去做航天事业;在技术实操层面,邀请专业的人来做专业事。王总和吴总对这个行业有前瞻性,而且积累了很多的资源,这是一个很好的组合。”

老一辈航天人给张昌武和蓝箭航天带来的不仅仅是前瞻性、技术、资源,更重要的是:航天精神。

张昌武和蓝箭航天深知,仅靠政府支持是不可能做成大事的,企业要发展,离不开上下全体的努力,这个努力不仅是技术精湛,更多的是航天的精神,孜孜不倦,求真求实的精神,特别能吃苦,特别能打仗,特别能奋斗的精神,对于航天来说,具有特别的意义。

蓝箭航天成立已经三周年,公司近期做了一次团建,全公司160多个人全部参加,王建蒙先生和大家分享了很多,最重要的一点是“继承精神和风险意识”,“我们做的仍是一件非常困难、非常有挑战性的事情,应该要防止前人教训再次发生。我们站在前人的肩膀上去做商业航天,要让商业航天成为一个名片,而不是成为一个笑话,这都是我们需要去谨慎实践前行的理念。”

3年商业航天的从业经历,张昌武对这个行业愈发敬畏,他对品途创投说:“我们国家花60年的时间积累投入,形成在全世界都数一数二的位置,我觉得作为创业者在这个领域里,首先承认它的复杂性,抱着敬畏的心态去学习。”

1903年,齐奥尔科夫斯基发表了世界上第一部喷气运动理论著作,提出了液体发动机火箭的构思和原理图。从那时起,火箭、航天就与这个世界上最聪明的大脑联系在一起——布劳恩、科罗廖夫、钱学森等等,长长的名单上,无一不是“最强大脑”。航天事业以及火箭的复杂性,更是让人不能有丝毫懈怠。

张昌武和蓝箭航天团队深知这点,同时,老一辈航天人的严谨的做事风格,也让蓝箭航天的每一步都走得很踏实。

3年来,张昌武感到自己最大的变化是更加理性和从容,对技术有了更深入的理解和敬畏,他对品途创投说:“航天的东西历来假不了,不能搞大跃进,也不是纸面上可以吹的,需要通过发射来验证前面所有的技术能力。这个行业需要非常理性,耐得住寂寞,同时尊重各种客观规律。”

目前,蓝箭正在为那次必将到来的发射任务在做努力,百吨级液氧甲烷火箭发动机一旦研发成功,蓝箭的火箭将会拥有强大的可重复使用的动力核心,也将在商业航天上拥有了真正的“杀手锏”,与国外知名公司一争高下。

“蓝箭在中国航天领域推动革新和变化,会被这个行业里记录下来。我们坚信,蓝箭会是中国商业火箭领域里非常耀眼的企业,我们会留下自己的足迹,并且是很深的足迹。”张昌武说。

这份自信,或许是源于蓝箭航天正在研发的以“凤凰”发动机为核心动力的火箭,它被命名为“朱雀”,中国古代神话中的神鸟。

当“凤凰”轰鸣,喷射出强劲的燃气,“朱雀”腾空而起奔向太空之时,那将是对张昌武和蓝箭团队最好的礼赞。

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