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请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 1国 防 军 工 商 业 运 载 火 箭 专 题 报 告 领 先 大 市-A(维 持)商业 运载 火箭发 展提 速，打 破商业 航天 运力瓶 颈2 0 2 3 年 1 1 月 2 日 行 业 研 究/行 业 专 题 报 告国防 军工 板块 近一年市 场表现资料来源：最闻首选 股票 评级0 0 2 0 2 5.S Z 航天电器 增持-A6 0 0 8 7 9.S H 航天电子 增持-A6 0 0 8 6 2.S H 中航高科 增持-A6 8 8 3 7 5.S H 国博电子 增持-A3 0 0 5 9 3.S Z 新雷能 买入-A相 关 报 告：【山 证 国 防 军 工】景 气 度 依 旧 较 高，静待下半年需求释放-【山证军工】2 0 2 3 年中报总结 2 0 2 3.9.8【山 证 国 防 军 工】高 强 度 竞 争 中 异 军 突起，中国战斗机迎来新机遇-【山证军工】战斗机军贸专题报告 2 0 2 3.8.1 7分析 师：骆志伟执业登记编码：S 0 7 6 0 5 2 2 0 5 0 0 0 2邮箱：l u o z h i w e i s x z q.c o m李通执业登记编码：S 0 7 6 0 5 2 1 1 1 0 0 0 1电话：0 1 0-8 3 4 9 6 3 0 8邮箱：l i t o n g s x z q.c o m投 资 要 点：商 业 航 天 发 展 的 瓶 颈 在 火 箭 运 力。商 业 航 天 产 业 链 总 体 包 括 四 个 环 节：1）电 子 元 器 件、材 料 及 燃 料 厂 商；2）卫 星 研 制 商、发 射 服 务 提 供 商 和 地 面设 备 制 造 商；3）卫 星 运 营 商 与 卫 星 应 用 服 务 提 供 商；4）终 端 用 户（政 府、企 事 业 单 位、个 人）。运 载 是 进 入 空 间 的 入 口，是 连 接 卫 星 制 造 及 卫 星 应 用的 中 枢 环 节，对 比 s p a c e X 的 运 载 能 力，我 国 现 役 运 载 火 箭 运 载 能 力 偏 低，急 需 大 力 发 展 中 大 型 可 重 复 使 用 液 体 运 载 火 箭，来 满 足 星 座 大 规 模 部 署 所 需的“低 成 本、高 可 靠、高 频 次”发 射 能 力。发 展 航 天，动 力 先 行。火 箭 研 发 的 瓶 颈 在 发 动 机，动 力 系 统 直 接 决 定 了火 箭 推 力 与 运 载 能 力。目 前 液 体 和 固 体 火 箭 发 动 机 是 火 箭 发 动 机 中 最 基 本、应 用 最 广 泛 的 两 种 发 动 机。固 体 火 箭 具 有 系 统 简 单、发 射 准 备 周 期 短、发 射点 选 择 灵 活 等 特 点，在 快 速 组 网 和 补 网 等 方 面 具 有 独 特 优 势，但 当 需 要 大 推力 火 箭 来 发 射 更 重 的 载 荷 时，固 体 火 箭 发 动 机 的 技 术 难 度 和 成 本 就 会 爆 发 式增 长，固 体 火 箭 更 适 合 于 追 求 快 速 发 射 的 小 卫 星 需 求。液 体 火 箭 发 动 机 是 目 前 运 载 火 箭 主 级 或 上 面 级 的 主 要 动 力。液 体 火 箭 发动 机 动 力 路 线 的 选 择 主 要 从 三 方 面 考 虑，即 推 进 剂 类 型、推 进 剂 供 应 方 式 与泵 压 式 系 统 的 循 环 方 式。目 前 液 体 火 箭 发 动 机 的 推 进 剂 组 合 主 要 包 括 液 氧/液 氢、液 氧/煤 油 和 液 氧/甲 烷。液 氧/液 氢 比 冲 最 高，性 能 优 异，是 无 毒、绿色 环 保 推 进 剂 组 合，但 液 氢 温 度 极 低，易 泄 露，混 合 空 气 后 易 爆 炸，所 以 导致 液 氢 液 氧 火 箭 发 动 机 系 统 复 杂，成 本 较 高，不 适 应 低 成 本 发 射 需 求 的 商 业运 载 火 箭。液 氧/甲 烷 和 液 氧/煤 油 相 比，液 氧/甲 烷 发 动 机 不 易 结 焦 积 碳，具有 低 成 本、使 用 维 护 方 便、适 于 重 复 使 用、比 冲 较 高 等 特 点，更 加 适 宜 于 重复 使 用、低 成 本 运 载 器 的 使 用 要 求，已 成 为 下 一 代 液 体 运 载 火 箭 的 理 想 动 力选 择。液 氧 甲 烷 发 动 机 的 概 念 早 在 2 0 世 纪 6 0 年 代 就 已 提 出，但 是 航 天 大 国苏 联 和 美 国 的 研 究 重 点 分 别 放 在 液 氧 煤 油 和 液 氧 液 氢 发 动 机 上，并 没 有 给 予足 够 重 视。近 年 来 随 着 可 重 复 使 用 运 载 器 动 力 需 求 的 提 出，更 适 宜 重 复 使 用的 液 氧/甲 烷 发 动 机 受 到 商 业 航 天 公 司 的 青 睐，并 涌 现 出 一 批 不 同 成 熟 度 的 代表 型 号。美 国 S p a c e X 凭 借 独 一 无 二 的 火 箭 回 收 复 用 技 术 与 高 效 运 营，坐 稳 了 全球 运 载 第 一 把 交 椅。S p a c e X 公 司 用 了 1 6 年 时 间，先 后 研 制 成 功“猎 鹰”-1、“猎 鹰”-9 和“猎 鹰”重 型 系 列 运 载 火 箭，同 时 已 经 成 功 为 N A S A 执 行 了 多次 国 际 空 间 站 货 运 补 给 和 载 人 航 天 飞 行 任 务。猎 鹰 9 系 列 火 箭 在 1 3 年 中（截止 2 0 2 3 年 1 0 月 1 0 日）已 发 射 2 6 3 次，其 中 2 6 1 次 成 功（任 务 成 功 率 9 9.2%），行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 2一 子 级 成 功 回 收 2 1 9 次，复 用 一 子 级 发 射 1 9 4 次，“猎 鹰”系 列 火 箭 以 出 色的 性 能 和 低 廉 的 价 格，给 世 界 航 天 带 来 大 幅 冲 击 和 震 动。S p a c e X 低 成 本 火箭 的 研 发 成 功 促 成 了“星 链”计 划 的 大 规 模 建 设，而“星 链”计 划 的 可 观 收入 又 将 用 于 支 持 S p a c e X 未 来 火 星 探 索 和 移 民 计 划 的 巨 大 投 资。“星 链”星 座补 齐 了 S p a c e X 商 业 闭 环，后 续 实 践 明 显 有 助 于 军 事 利 用。运 载 火 箭 可 复 用 技 术 创 新 是 S p a c e X 火 箭 低 成 本 的 主 要 原 因。运 载 火 箭可 复 用 推 动 了 发 射 成 本 实 现 数 量 级 上 的 降 低。S p a c e X 通 过 突 破 发 动 机 重 启与 推 力 控 制 技 术、火 箭 下 降 控 制 系 统 技 术 以 及 重 复 使 用 火 箭 着 陆 系 统 技 术，实 现 了 火 箭 的 垂 直 回 收。在 采 用 着 陆 架 回 收 日 趋 成 熟 之 后，2 0 2 1 年 S p a c e X开 始 尝 试 采 用 发 射 塔 架 机 械 臂 回 收“超 重”火 箭 级，进 一 步 缩 短 两 次 发 射 任务 之 间 的 准 备 时 间。中 国 商 业 航 天 正 迈 入 高 速 发 展 期。2 0 1 4 年 后，中 国 航 天 产 业 向 民 营 资 本打 开 大 门，商 业 航 天 迎 来 了 快 速 发 展 期，在 政 策 鼓 励 和 资 本 助 推 下，商 业 航天 公 司 数 量 持 续 增 长，到 2 0 2 0 年 与 运 载 火 箭 相 关 的 企 业 就 有 十 多 家。国 内大 多 数 民 营 运 载 火 箭 公 司 选 择 从 研 制 小 型 固 体 火 箭 开 始，初 步 开 启 商 业 航 天的 服 务 模 式，之 后 再 实 现 向 液 体 火 箭 的 升 级，开 展 中 型、大 型 火 箭 以 及 可 重复 使 用 火 箭 的 研 发。过 去 几 年 已 有 多 款 民 商 固 体 运 载 火 箭 发 射 成 功，解 决 了有 无 问 题。国 内 民 商 液 体 火 箭 目 前 大 部 分 处 于 研 制 阶 段，预 计 未 来 几 年 将 迎来 集 中 首 飞。重 点 公 司 关 注：2 0 2 3 年 中 国 商 业 航 天 大 爆 发，前 三 季 度 全 国 民 营 火 箭 共发 射 1 0 次，成 功 9 次，创 下 了 中 国 商 业 航 天 发 展 八 年 来 的 新 记 录，中 国 商业 航 天 产 业 正 迈 入 高 速 发 展 期，火 箭 制 造 的 上 游 将 率 先 受 益，我 们 推 荐 航 天连 接 器 龙 头 航 天 电 器、航 天 电 子 设 备 配 套 龙 头 航 天 电 子、碳 纤 维 预 浸 料 龙 头中 航 高 科、T/R 组 件 龙 头 国 博 电 子 以 及 特 种 电 源 巨 头 新 雷 能。风 险 提 示：火 箭 研 制 进 度 不 及 预 期；可 靠 性 不 足；星 座 建 设 进 度 不 及 预 期；下 游 卫 星 应 用 市 场 拓 展 不 及 预 期。YWEVwPrMpMrQpRsRtOqPrQaQbPbRmOoOmOsRkPnMrQeRpPmP7NqQuMuOnRvNxNnOrQ行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 3目 录1.全 球 商 业 航 天 产 业 介 绍.62.火 箭 发 动 机 发 展.92.1 固 体 火 箭.1 02.2 液 体 火 箭.1 12.2.1 液 氧/液 氢 火 箭 发 动 机.1 62.2.2 液 氧/煤 油 火 箭 发 动 机.1 82.2.3 液 氧/甲 烷 火 箭 发 动 机.2 13.美 国 s p a c e X 发 展 历 程.2 64.国 内 商 业 火 箭 企 业 发 展.4 75.投 资 建 议.5 15.1 航 天 电 器.5 15.2 航 天 电 子.5 15.3 中 航 高 科.5 25.4 国 博 电 子.5 25.5 新 雷 能.5 26.风 险 提 示.5 4图 表 目 录图 1：商 业 航 天 产 业 链.6图 2：2 0 2 3 年 全 球 航 天 产 业 收 入 构 成.6图 3：2 0 2 3 Q 1 和 Q 2 全 球 火 箭 发 射 次 数.7图 4：2 0 2 3 Q 1 和 Q 2 全 球 航 天 器 发 射 总 质 量（k g）.7图 5：长 征 一 号 火 箭 结 构 示 意 图.8行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 4图 6：液 体 火 箭 和 固 体 火 箭 对 比.9图 7：固 体 火 箭 结 构 图.1 0图 8：液 体 火 箭 发 动 机 分 类.1 1图 9：“猛 禽”（R a p t o r）发 动 机 系 统 构 成.1 2图 1 0：挤 压 式（左）和 泵 压 式（右）供 应 系 统 示 意 图.1 4图 1 1：R L-1 0（世 界 第 一 台 氢 氧 发 动 机）.1 6图 1 2：航 天 飞 机 发 射 配 置（采 用 S S M E 氢 氧 发 动 机）.1 6图 1 3：我 国 氢 氧 发 动 机.1 8图 1 4：苏 联 R D-1 7 0（推 力 最 强 的 多 燃 烧 室 发 动 机）.1 9图 1 5：美 国 F-1（推 力 最 强 的 单 燃 烧 室 发 动 机）.1 9图 1 6：国 内 液 氧 煤 油 发 动 机 外 形 图.2 1图 1 7：猛 禽 1 型（左）与 2 型（右）对 比 图.2 3图 1 8：B E-4 液 氧 甲 烷 发 动 机.2 4图 1 9：蓝 箭 航 天 T Q-1 2 液 氧 甲 烷 发 动 机.2 5图 2 0：星 际 荣 耀 J D-1 液 氧 甲 烷 发 动 机.2 5图 2 1：星 际 荣 耀 J D-2 液 氧 甲 烷 发 动 机.2 5图 2 2：“猎 鹰”系 列 运 载 火 箭.2 6图 2 3：“猎 鹰”9 及“猎 鹰”重 型 成 功 发 射 统 计（截 止 2 0 2 3 年 1 0 月 1 0 日）.2 6图 2 4：“星 舰”飞 船 级（左）和“超 重”火 箭 级（右）.2 7图 2 5：卫 星 发 射 成 本.2 8图 2 6：S t a r l i n k 星 座 与 O n e W e b 星 座 对 比.4 3图 2 7：“猎 鹰”-9 一 子 级 海 上 回 收 轨 迹 图.4 5图 2 8：“超 重-星 舰”在 发 射 捕 获 塔 旁（左）和 发 射 捕 获 塔 结 构（右）.4 6行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 5表 1：液 体 火 箭 发 动 机 和 固 体 火 箭 发 动 机 对 比.1 0表 2：不 同 推 进 剂 的 物 理 性 质.1 3表 3：不 同 推 进 剂 组 合 发 动 机 理 论 比 冲 对 比.1 3表 4：不 同 循 环 方 式 的 原 理 和 结 构 示 意 图.1 4表 5：不 同 循 环 方 式 的 适 用 范 围 及 优 缺 点.1 5表 6：国 外 氢 氧 发 动 机 工 作 参 数 与 发 展 历 程.1 7表 7：国 内 外 典 型 液 氧/煤 油 发 动 机 参 数 对 比.2 0表 8：液 氧/甲 烷 和 液 氧/煤 油 特 性 对 比.2 1表 9：不 同 型 号“猛 禽”发 动 机 的 参 数 指 标.2 3表 1 0：“猎 鹰”-9 火 箭 复 用 情 况（截 止 2 0 2 3 年 1 0 月 1 0 日）.2 8表 1 1：S p a c e X 公 司 发 射 任 务 统 计 表（截 止 2 0 2 3 年 1 0 月 1 0 日）.2 9表 1 2：S p a c e X 火 箭 低 成 本 的 原 因 分 析.4 3表 1 3：“猎 鹰”-9 子 一 级 重 复 使 用 突 破 的 三 大 关 键 技 术.4 6表 1 4：国 内 主 要 商 业 火 箭 公 司（不 完 全 列 表）.4 7表 1 5：国 内 主 要 商 业 火 箭 公 司 液 体 发 动 机 研 制 进 度（不 完 全 列 表）.4 8表 1 6：国 内 民 营 火 箭 公 司 发 射 统 计 表.4 8表 1 7：重 点 覆 盖 公 司 盈 利 预 测 及 估 值.5 3行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 61.全 球 商 业 航 天 产 业 介 绍商业航天产业链总体分为四个环节：（1）电子元器件、材料及燃料厂商；（2）卫星研制商、发射服务提供商和地面设备制造商；（3）卫星运营商与卫星应用服务提供商（国内卫星运营商主要是中国卫星网络集团有限公司）；（4）终端用户（政府、企事业单位、个人）。根据美国卫星 产 业协 会（S I A）的 统计 数 据，2022 年 全 球航 天 产 业的 总 收 入 是 3840 亿 美 元，其 中 非卫 星产业总收入为 1030 亿美元，主要包括载人航天飞行收入、非地球轨道航天器收入和政府预算，卫星产业 总收入为 2810 亿美元，占全球航天产业 收入的 73%，主要包 括了卫星制造业 收入、发射服务业收入（约 70 亿美元）、卫星服务业收入和地面设备制造业收入等。图 1：商 业 航 天 产 业 链资 料 来 源：商 业 航 天 工 程 导 论、山 西 证 券 研 究 所图 2：2 0 2 3 年 全 球 航 天 产 业 收 入 构 成资 料 来 源：T h e 2 0 2 3 S t a t e o f t h e S a t e l l i t e I n d u s t r y R e p o r t、山 西 证 券 研 究 所行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 7运 载是 进入 空 间的 入 口，目 前我 国火 箭 运力 严 重不 足。虽然发 射服务产 值仅占整 个航天产业 的 1.5%2%，但 是 运 载 是 进 入 空 间 的 入 口，是 连 接 卫 星 制 造 及 卫 星 应 用 的 中 枢 环 节，随 着国内外纷纷推出多个小型、中型、大型和巨型星座计划，卫星发射需求不断增长，但是火箭发射 成本 居高 不下，成 为制 约星 座 大规 模部 署的 主要 瓶颈。对比 s pa c e X 的 运载 能力，我 国现 役运载火箭运载能力偏低，急需大力发展中大型可重复使用液体运载火箭，来满足星座大规模部署所需的“低成本、高可靠、高频次”发射能力。图 3：2 0 2 3 Q 1 和 Q 2 全 球 火 箭 发 射 次 数资 料 来 源：B r y c e T e c h、山 西 证 券 研 究 所图 4：2 0 2 3 Q 1 和 Q 2 全 球 航 天 器 发 射 总 质 量（k g）资 料 来 源：B r y c e T e c h、山 西 证 券 研 究 所行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 8运 载 火箭 主 要 由结 构 系 统（箭 体 结构）、动 力 装置 系 统（推 进 系统）以 及 控制 系 统 等三 个系 统组 成，这 三个 系统 称 为运 载火 箭 的主 系统。运载火 箭一般由 2 4 级火箭 组成，每一级 火箭都包括箭体结构、推进系统和飞行控制系统，末级有仪器舱，可装载人造卫星和飞船，外面套有整流罩。如果火箭发射的有效载荷较大，可以在一枚火箭外面捆绑几枚小火箭，称为捆绑式火箭，中间的大火箭称为芯级火箭，外围捆绑的火箭称为助推火箭。图 5：长 征 一 号 火 箭 结 构 示 意 图资 料 来 源：商 业 航 天 工 程 导 论、山 西 证 券 研 究 所行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 92.火 箭 发 动 机 发 展发 展航 天，动 力先 行。航天发展的 瓶颈在火箭，火箭研发的 瓶颈在发动机。火箭最核心 的动 力 系 统 直 接 决 定 了 火 箭 推 力 与 运 载 能 力，占 全 箭 成 本 的 70%到 80%，对 于 运 载 火 箭 的 系 统复杂度、任务适应性、产品成本等均有较大影响。最早的运载火箭出现于第二次世界大战的德国，V-2 导弹是最典型代表，发动机是采用了以液氧/酒精作为推进剂的液体火箭发动机。目前液体和固体火箭发动机是火箭发动机中最基本、应用最广泛的两种发动机，其中固体火箭具有系统简单、发射准备周期短、发射点选择灵活等特点，在快速组网和补网等方面具有独特优势，但是固体火箭发动机一经点燃，就按照预定的推力方案工作，可控性差，难以实现可回收重复利用，而且固体火箭涉及的贮运安全和生产资质等问题难以解决，也制约了固体火箭成本的进一步下降，所以近年来，能够实现重复使用从而大幅降低运载成本的液体火箭优势 突显，成为商业火箭公司竞争的焦点。从 效率 方 面评 价 火箭 发 动机 的 设计 质 量常 常 用到 比 冲的 概 念。比冲 是消耗单 位质量的 推进剂所产生的推力冲量，是火箭发动机的主要性能参数之一。比冲越大，火箭可以达到的最大速度也越大，射程也越远。固体推进剂的比冲一般都低于液体推进剂。图 6：液 体 火 箭 和 固 体 火 箭 对 比资 料 来 源：大 英 百 科、山 西 证 券 研 究 所行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 1 0表 1：液 体 火 箭 发 动 机 和 固 体 火 箭 发 动 机 对 比项目 液体 火箭发动 机 固体 火箭发动 机比冲（m/s）2 5 0 0 4 6 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0结构 零部件数量多，结构复杂 不需要专用的推进剂贮箱和输运调节系统，结构简单可控性发 动机 的 启 动、关 机和 推 力 大小 调 节 可以 通 过控 制 活门来实现，可以多次启动和脉冲工作，可控性好一经点燃，就按照预定的推力方案工作，直至燃烧结束，很难根据临时需要调节推力大小，可控性差使用性液 体推 进 剂 一般 消 耗量 大 且 不易 在 贮 箱中 长 期贮 存，需要发射前临时加注推进剂，发射准备工作时间长可直接装填在发动机内长期存放，随时处于战备待发状态，维护使用更方便工作时间 工作时间较长 工作时间不宜过长质量比液 体推 进 剂 密度 较 低，贮 箱 容积 较 大，导 致 运载 器 体积偏大固体推进剂密度较大，可使固体火箭发动机的体积缩小，又由于壳体黏结技术和高强度材料的应用，使得发动机的壳体质量大为减少，提高了发动机的质量比可靠性 相对偏低 较高资 料 来 源：火 箭 发 动 机 理 论 基 础、山 西 证 券 研 究 所2.1 固体 火箭固 体火 箭 发动 机 是指 使用 固 体推 进 剂的 化 学火 箭 发动 机。固体 火箭发动 机由药柱、燃烧 室、喷管组件和点火装置等组成。固体推进剂点燃后在燃烧室燃烧，产生高温高压的燃烧产物，燃烧产物流经喷管膨胀加速，以高速从喷管排出从而产生推力。图 7：固 体 火 箭 结 构 图资 料 来 源：固 体 火 箭 发 动 机 设 计 技 术 基 础、山 西 证 券 研 究 所行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 1 1固体火箭发动机凭借其结构简单、可靠性高、便于机动部署、快速响应、维护使用方便等诸 多 优 点，现 已 成 为 战 略/战 术 导 弹 武器 的 主 要 动 力 装 置，同时，固 体 火 箭 发 动 机是 航 天 运 载火箭系统的重要动力源，国外大型或重型捆绑式运载火箭多将其作为首选助推动力。由于固体火箭推进剂比冲较低，固体火箭一般需要采用多级构型才能实现入轨，但是多级构型会影响到火箭整体的复杂性、可靠性以及成本问题。虽然固体火箭发动机在起步阶段研发和制造成本低，固体火箭也是很多民营运载火箭公司进入商业发射服务领域的敲门砖，但当需要大推力火箭来发射更重的载荷时，固体火箭发动机的技术难度和成本就会爆发式增长。目前，固体火箭主要用于执行近地轨道或太阳同步轨道任务，更适合于追求快速发射的小卫星需求。2.2 液体 火箭液 体火 箭 发动 机 是目 前 运载 火箭 主 级或 上 面级 的 主要 动 力。随着 导弹和航 天事业的 迅猛发展，液体火箭发动机的应用范围和种类越来越多，可按工况特点、推进剂类型、推进剂供应方式和用途等分类。各种不同类型的液体火箭发动机虽然结构有一定差别，但是基本组成都有推力室、推进剂贮箱、推进剂供应系统、涡轮工质供应系统、增压系统和自动器等几部分。图 8：液 体 火 箭 发 动 机 分 类资 料 来 源：航 天 推 进 理 论 基 础、山 西 证 券 研 究 所行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 1 2图 9：“猛 禽”（R a p t o r）发 动 机 系 统 构 成资 料 来 源：美 国 S p a c e X 超 重-星 舰 首 飞 分 析 及 对 中 国 航 天 产 业 的 启 示、山 西 证 券 研 究 所液 体 火 箭 发 动 机 动 力 路 线 的 选 择 主 要 从 三 方 面 考 虑，即 推 进 剂 类 型、推 进 剂 供 应 方 式 与泵 压式 系统 的循 环方 式。目前，大多数液体 火箭发动机使用双组 元推进剂，典型的双组 元推进剂 组合 主要 包 括四 氧化 二 氮/偏 二甲 肼、液 氧/液 氢、液氧/煤 油和 液氧/甲 烷。四氧 化 二氮/偏 二甲肼属于常温推进剂，稳定性好，对冲击振动均不敏感，能够长时间贮存，加注过程简单，可以 缩 短 发 射准 备 时 间，但 是 偏 二 甲肼 是 剧 毒 燃 料，四 氧化 二 氮/偏 二 甲 肼 燃烧 会 产 生 橘 红 色 有害 烟 雾，严重 污 染 环 境。液 氧/液 氢 比 冲 最高，性 能 优 异，是 无 毒、绿 色 环 保 推 进 剂 组合，但是密度比冲最低，需要体积较大的燃料贮箱，导致飞行器体积很大，另外由于液氢的温度极低，贮箱和管路必须很好地隔热，以尽量减少液氢的蒸发，以及湿气和空气在贮箱外壁的凝结，引入推进剂之前，必须吹除所有管道和贮箱中的空气，不然固态空气与液氢混合易发生爆炸，并且固态空气也容易堵塞管道和阀门，这使得系统结构和发射工序都更为复杂，成本较高。液氧/煤油和液氧/甲烷同为无毒、绿色环保推进剂组合，由于甲烷比热容高、结焦温度高、黏度小，是较为理想的冷却剂，可以更好地满足重复使用推力室冷却的要求，另外煤油在富燃燃烧时存在比较严重的积碳问题，将导致涡轮堵塞影响发动机推力，而甲烷在富燃燃烧时积碳极少，基本上没有影响，甲烷的以上优势降低了重复使用的维护成本，此外甲烷沸点与液氧相近，推进剂储箱可以采用共底储箱结构形式，从而提升了结构效率，考虑到未来月球和火星探测的需求，行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 1 3甲烷是最适合就地取材制取的。迄今为止，俄罗斯的 R D-170 系列代表了液氧/煤油发动机技术的最高水平，美国的 S S M E 代表了液氧/液氢发动机技术的最高 水平，美国蓝色起源公司 的 B E-4与 S pa c e X 公司的 R a p t or 代表了液氧/甲烷发动机技术的最高水平。表 2：不 同 推 进 剂 的 物 理 性 质物理 性质 四氧 化二氮 偏二 甲肼 液氧 煤油 甲烷 液氢沸点/C 2 1.5 6 3.1 0-1 8 2.9 9 1 4 5.0 0 2 7 4.0 0-1 6 1.6 0-2 5 2.8 9密度/（1 03k g/m3）1.4 4 6（2 0C）0.7 9 1（2 0C）1.1 4 0（沸点）0.8 3 3（2 0C）0.4 2 4（沸点）0.0 7 1（沸点）比热容/J/(k g K)1 5 1 5.6 2（2 0C）2 7 3 3.9 8（2 0C）1 6 9 9.8 9（沸点）1 9 6 7.8 0（2 0C）3 4 9 6.0 0（沸点）2 3 8 6.4 8（沸点）黏度/（1 0-6P a s）4 1 8.9（2 0C）5 2 7.0（2 0C）1 9 6.0（沸点）1 9 6 4.0（2 0C）1 2 7.0（沸点）1 4.0（沸点）结焦温度/C 5 8 9 9 7 8 富燃燃烧积碳量 严重 微量 资 料 来 源：液 体 火 箭 发 动 机 结 构 动 力 学 理 论 及 工 程 应 用、山 西 证 券 研 究 所表 3：不 同 推 进 剂 组 合 发 动 机 理 论 比 冲 对 比参数 四氧 化二氮/偏二 甲肼 液氧/煤油 液氧/甲烷 液氧/液氢混合比 2.2 4 2.7 4 3.5 0 6.0 0喷管面积比 1 9.3 0 2 0.0 0 1 9.9 7 6 0.0 0理论真空比冲/s 3 2 3.0 4 3 4 3.2 2 3 5 4.8 4 4 4 4.8 5相对密度 1.1 7 3 1.0 2 4 0.8 2 7 0.3 6 1理论密度比冲/s 3 7 8.9 0 3 5 1.4 8 2 9 3.6 8 1 6 0.6 5资 料 来 源：液 体 火 箭 发 动 机 结 构 动 力 学 理 论 及 工 程 应 用、山 西 证 券 研 究 所液 体火 箭 发 动机 按 推进 剂 供 应方 式 分为 泵 压式 发 动 机和 挤 压式 发 动 机。挤压 式供应 系统利用高压气体将贮箱中的液体推进剂挤压输送到发动机的推力室，是最简单的推进剂供应方式，通常用在推进剂量和总冲量较小且比冲要求不高的发动机上。泵压式供应系统通常采用燃气驱动的涡轮泵作为主要增压装置，可以使推进剂组元在泵出口获得很高的压力，有效减少贮箱和增压系统的结构质量，并且获得很高的燃烧压力，提高发动机比冲，通常应用在推进剂流量大、推力大、性能高的场合，如运载火箭和战略导弹的主动力、上面级主推进系统等，系统较复杂。行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 1 4图 1 0：挤 压 式（左）和 泵 压 式（右）供 应 系 统 示 意 图资 料 来 源：液 体 火 箭 发 动 机 结 构 动 力 学 理 论 及 工 程 应 用、山 西 证 券 研 究 所泵 压 式 系 统 的 循 环 方 式 按 照 涡 轮 工 质 的 来 源 可 以 分 为 燃 气 发 生 器 循、补 燃 循 环（又 称 分级 燃 烧循 环）、膨 胀 循环 及 抽 气 循环，其 中 补燃 循 环 又 分为 富 氧 补燃 循 环、富 燃 补燃 循 环 和 全流量 补燃 循环。按照涡轮工质的排放 方式又可分为开式循环和闭式循环，其中燃气发生器循环和抽气循环属于开式循环，补燃循环和膨胀循环属于闭式循环。各类循环方式的主要区别在于性能和结构复杂度，性能包括比冲、推力和推重比，它决定了飞行器的运载能力，结构复杂度包括组件数目和技术成熟度，决定了研制经费、生产周期和成本以及产品可靠性。综合 比较，补 燃 循 环 技 术 先 进，无 比 冲 损 失，发 动 机 性 能 更 高，可 以 有 效 降 低 航 天 运 载 器 的 发 射 成 本，代表 着液 体火箭 发动 机的发 展方向。表 4：不 同 循 环 方 式 的 原 理 和 结 构 示 意 图循环 方式 原理 结构 示意图燃 气 发 生器循环部 分 燃 料 与 部 分 氧 化 剂 进 入 燃 气 发 生 器 进 行燃 烧，利 用 产 生 的 富 燃 燃 气 驱 动 涡 轮，做 功后的废气直接排出，不再参与燃烧行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 1 5循环 方式 原理 结构 示意图抽气循环从 燃 烧 室 喷 注 面 附 近 引 出 燃 气，用 以 驱 动 涡轮，做 功 后 的 燃 气 直 接 排 出，不 再 参 与 燃 烧省去了燃气发生器系统膨胀循环驱 动 涡 轮 的 气 体 是 经 过 推 力 室 冷 却 通 道 后 高压气化的推进剂补燃循环发 生 器 产 生 的 富 氧（富 燃）燃 气 驱 动 涡 轮 后会 注 入 推 力 室 与 剩 余 的 燃 料 或 者 氧 化 剂 继 续燃烧资 料 来 源：液 体 火 箭 发 动 机 结 构 动 力 学 理 论 及 工 程 应 用、维 基 百 科、山 西 证 券 研 究 所表 5：不 同 循 环 方 式 的 适 用 范 围 及 优 缺 点类别 燃气 发生器 抽气 循环 膨胀 循环 补燃 循环推进剂推 进 剂 种 类 不 受 限 制，发 生器 和 推 力 室 可 以 使 用 不 同 的推进剂推进剂种类不受限制主 推 进 剂 的 一 种 组 元 必须容易气化，且分子量小推进剂种类不限推力和室压推 力 不 受 限，室 压 高 时 比 冲损失大，室压上限不高推力不受限，室压上限不高适 用 于 较 低 的 推 力 和 室压推力不受限，适用于高室压比冲 低 低 较高 高优点结 构 较 简 单，有 研 制 经 验，推 力 和 混 合 比 的 调 节 容 易，可 在 较 大 的 推 力 范 围 内 使用，结构质量小结构简单且结构质量小比冲高，结构简单，涡轮工质清洁比冲高，极限室压高缺点 比 冲 低，燃 烧 室 压 强 高 时 比 推力室的设计复杂，抽出 燃烧室压强高时不适用，结构复杂，质量大，性能行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 1 6类别 燃气 发生器 抽气 循环 膨胀 循环 补燃 循环冲损失大 的燃气需要降温和调节，比冲低启动加速性慢 参数调节和校准困难资 料 来 源：航 天 推 进 理 论 基 础、液 体 火 箭 发 动 机 结 构 动 力 学 理 论 及 工 程 应 用、山 西 证 券 研 究 所2.2.1 液 氧/液 氢 火 箭 发 动 机在火箭发动机领域，氢氧液体火箭发动机具有最高的比冲性能，燃烧产物是水，环保无污染，另外液氢具有良好的冷却性能，使用液氢作冷却剂的推力室可以重复使用，冷却通道内也非常干净，所以不论在一次性使用运载火箭还是未来可重复使用运载器中，氢氧液体火箭发动机都占有重要地位。但是液氢在使用上仍有不少缺陷，首先液氢温度极低，需要隔热建立超低温的环境，其次氢分子量小，黏度低，很容易泄露，混合空气后易爆炸，需要认真解决低温密封问题，最后是液氢的密度很小，需要体积较大的燃料贮箱，导致飞行器体积很大。由于研制氢氧火箭发动机需要克服上面这些缺点，研制难度较大，加之液氢成本高昂，因此液氧液氢火箭发动机不适应低成本发射需求的商业运载火箭。图 1 1：R L-1 0（世 界 第 一 台 氢 氧 发 动 机）图 1 2：航 天 飞 机 发 射 配 置（采 用 S S M E 氢 氧 发 动 机）资 料 来 源：A i r c r a f t E n g i n e H i s t o r i c a l S o c i e t y、山 西证 券 研 究 所资 料 来 源：Q u o r a、山 西 证 券 研 究 所1958 年美国开始研制世界第一台氢氧发 动机 R L-10，纵观半个多世纪的发展历程，氢氧发动机发展大致分为 3 个阶段。第一个阶段是起步发展时期（20 世纪 50 年末到 70 年代初），发动机推力不大，推力级多为 10t 左右，各种循环方式全面发展，主要用于运载火箭上面级，代表型号有美 国 R L-10 和 J-2、苏联的 R D-56、欧洲的 H M-7 和日本的 LE-5，各国通过小 推力氢行 业 研 究/行 业 专 题 报 告请务必阅读最 后一页股票评级说明和 免责声明 1 7氧发动机的研制，基本掌握了氢氧发动机的设计、生产和试验技术，为大推力的氢氧发动机研制奠定了基础。第二阶段是高速发展时期（20 世纪 70 年代中期至 80 年代末），这一阶段关注于实现更大的推力和更高的性能，发动机循环方案以补燃循环为主，代表型号有美国的 S S M E、苏 联 的 R D-0120、欧 洲 的 V u l c a i n 和 日 本 的 L E-7，推 力 量 级 为 100t 200t，其 中 美 国 的 S S M E发 动 机 还 提出 了 多 次 重 复 使 用 的 目标，迄 今 为 止 代 表 了液 氧/液 氢 发 动 机技 术 的 最 高 水 平。第三 阶 段 是 全 面 发 展 时 期（20 世 纪 90 年 代 至 今），这 一 阶 段 各 种 推 力 量 级 和 各 种 循 环 方 式 均 全面发展，在追求 性能的同 事，也更加 注重可靠 性和研制 成本，例如 日本在 LE-7 基础上 发展了简化设计 的 LE-7A，美国在拥 有 S S M E 之后，发展了低 性能低成本的 R S-68，V u l c a i n、R L-10、J-2 则 通 过 不 断 优 化 提 升 性 能 和 可 靠 性。此 外，闭 式 膨 胀 循 环 开 式 向 20t 推 力 量 级 发 展，日 本独辟蹊径发展了开式膨胀循环氢氧发动机。表 6：国 外 氢 氧 发 动 机 工 作 参 数 与 发 展 历 程代号 国别 年代 循环 方式 推力/t 比冲/s 应用R L-1 0 美国 1 9 5 8 闭式膨胀 6.8 4 4 4 土星二级R D-5 6 苏联 1 9 6 0 补燃 7 4 6 2 N 1 火箭上面级D-5 7 苏联 1 9 6 0 补燃 4 0 4 5 6 N 1 火箭三级J-2 美国 1 9 6 0 发生器 1 0 4 4 2 6 土星二三级H
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