作者| 劉雨霏（航天加工程技術研究院常務副院長）
人類的航天活動越來越活躍，根據“研究與市場”諮詢公司在年初的一份報告，到2027年，全球平均每年要發射330顆超過50千克的衛星。另據國內專家的預測，隨著地月經濟的開發，人類在2050年前可能會實現每年發射超過10萬噸物體進入太空。這對於商業發射來是一個好消息，更是衝鋒的號角——隨之而來的問題是，火箭工廠的建設不是一朝一夕的事情，哪怕是服務於2030~2040年的火箭，產能問題也是迫在眉睫的。
彼得·貝克的3D打印發動機
必須指出，在涉及火箭的各種產能問題當中，發動機排在第一位。NASA曾經公開表揚馬斯克，說他在加利福尼亞州的火箭工廠“地板上擺滿了發動機”，這意味著馬斯克可以隨時拿出足夠的獵鷹九號火箭來滿足需求，不但可以用來履行國際空間站商業貨運合同，也能在其他發射服務商陷入困境的時候擔當替補，保證用戶的進度。
火箭發動機是人類諸多工業品中最複雜的之一。為了能設計製造出合格的發動機，工程師們絞盡腦汁。《衛星與網絡》公眾號發佈於12月11日的公眾號文章《火箭實驗室展示火箭製造機器人羅西》引發了讀者們的熱烈討論。用機器人來解決火箭製造中的諸多工藝問題，顯然是正確的途徑。但這篇文章中還沒有討論發動機的製造。我們都知道，火箭是複雜的機械，除了用碳纖維製造殼體之外，最重要的大部件就是發動機了。
火箭實驗室公司創始人、CEO彼得·貝克的想法，是用3D打印來解決問題。這也成為相當多中國商業發射創業者們的選擇。3D打印當然是先進有效的技術，但它並不是萬能的。同時，在一定的發展時間內，3D打印所能製造的部件尺寸還是相當有限的。貝克為“電子”火箭設計的“盧瑟福”發動機直徑只有20釐米，推力只有24千牛。所以即使在尺寸極為袖珍的“電子”火箭一級上，也要採用9臺發動機；它的第二級使用1臺“盧瑟福”，第三級使用一臺更小型的“居里”發動機。
彼得·貝克、“電子”號運載火箭和“盧瑟福”發動機
為了爭取美國軍方市場，貝克把公司總部搬到了美國，並且在美國建立了新的生產基地。在接受媒體採訪時表示，設在美國的生產基地“買了越來越多的3D打印機”，期望能在2020年實現年產200臺發動機，可以支撐20次左右的發射。
我國的商業發射公司能否這樣做？
貝克並沒有公佈，他是從哪個製造商那裡採購3D打印機的。但是可想而知，這種可以生產宇航級產品的打印機，幾乎一定被寫在了西方對華高技術禁運的名單上，而國內企業短期內還不能供貨。這還不是最重要的問題，在2019年的北京航展上，我們見到了好幾家企業展出了原尺寸的液氧甲烷發動機模型，都要比貝克的“盧瑟福”大得多，需要更大型、更昂貴的3D打印設備，還需要更長的時間和更多的資金來摸索生產工藝。
為了解決類似的問題，一家叫做“相對論航天”的美國火箭創業公司採取了更加激進的方式，他們自行研製了一臺叫做“星門”的巨型金屬3D打印機，打算用它來打印一枚完整的小型火箭。“星門”的技術相當複雜，這顯然不是中國商業航天企業目前能夠效仿的。而且“星門”的製造能力還是比較有限，所打算製造的“地球人”（TERRAN）火箭只能把900千克載荷運送到500千米高的太陽同步軌道上。
“星門”巨型金屬3D打印機
“相對論航天”火箭創業公司車間內景
實際上，太空探索技術公司和藍色起源公司作為大型火箭製造商，只不過使用3D打印來製造一小部分複雜部件或是小尺寸的發動機，大型發動機上的多數部件還是用傳統工藝製造。
那麼，作為一個製造業大國，我們的商業火箭公司是不是可以有其他的選擇？
要破局，就得膽大
熟悉工業生產的人們都知道，無論什麼產品，在實驗室裡試製出來是一碼事，在流水線上大規模生產出來是另外一碼事。具體到火箭發動機，設計者們可以用小型設備、3D打印機甚至手工來製造，只要能滿足試車需求就可以了。但是要進入流水線生產，就必須解決工藝、工裝、標準、進度和質量控制等多方面的問題。
而我國的國有航天企業是在本世紀初才基本解決火箭和發動機從試製向批產過渡的。如果我們回顧年度發射數量的數據，會發現在整個90年代，年發射次數最多隻有6次。2000、2001和2002年的發射也很少，但是從2003年開始，航天發射次數開始增加，從2007年開始突破10次，2010年突破15次，此後每年都保持在10次以上；2016年突破了20次。這些發射多數用長征二、三、四系列來實施，每次發射都要用掉大量火箭發動機，多則12臺（長征三號乙），少則6臺（長征二號丁）。這樣大量的發動機消耗，是航天科技集團有關單位實施大規模技術改造和流程再造，把發動機製造從試製模式轉向批產模式成功的結果，前後歷經10多年，才把產能穩定下來，國家為此投入了天文數字的經費。
商業火箭企業不可能得到這麼多的經費和時間，來複制國有航天企業的產能增長模式。目前，外界已知的商業火箭公司已經實現了一定程度上試製能力，所研製的液體發動機樣機可用於地面試車。試製到批產之間的鴻溝還是顯而易見的。目前，已經嘗試過入軌發射的幾家企業，有的嘗試入軌運載火箭的公司，採用了直接購買體制內的發動機的模式；也有的是自我設計，然後向國有航天企業外包生大直徑固體發動機來落實火箭動力。
如果這些企業把自己設計的液體發動機能夠實施和國有航天企業——比如航天科技集團第六研究院——共享生產、實驗設施的話，那麼，這是一條符合軍民協同大思路和質量成本合理的，甚至是最優的路徑選擇。
在這樣的基礎上，繼續謀求更好的突破，商業火箭公司是否可以有其他的選擇？
中國航天技術的發展和美國、蘇聯、俄羅斯都有很大不同，我們的科研單位基本上是在建國後全新建立起來的。而在美蘇，多數骨幹航天企業、航天設計局都脫胎於航空科研機構，連NASA本身也是從航空諮詢委員會發展而來，包括科羅廖夫在內的一眾蘇聯航天設計師都是從飛機設計師成長起來的。所以，我們不妨嘗試一下把目光投向航空領域的製造能力。
顛覆你的，從來就不是同行
今天的中國航空發動機研究製造能力，已經從中航工業當中剝離出來，成為獨立的中國航空發動機集團有限公司，是中央直接管理的國有特大型企業，本身擁有很強的製造能力。而航空和航天在發動機產能產量上的差異非常巨大。僅僅在2018年，中國航發就生產了6126臺各類發動機。
雖然航空發動機和火箭發動機是兩類不同性質的產品，但這也意味著，航空發動機企業擁有相當可觀的產能。 “顛覆你的，刺激你變更的，從來就不是你的同行。”相信這句話，大家都熟悉。因此，商業火箭公司可以考慮在航空發動機領域開發新的代工企業。而且，考慮到中國航發與兩大航天集團是獨立的企業，對於商業機密保護也更加有利。
當然，航空發動機企業要想製造火箭發動機，絕不是接到訂單就開工那麼容易。商業火箭公司必須要向代工企業充分解釋自己的需求、提前指出和規避一些因為專業差異而帶來的陷阱，甚至要共同開發一些新的工藝和工裝等；但，無論如何，這或許真的比商業火箭公司自己建立生產線要來得更現實。而，這對整個商業航天的發展和格局的形成，也許大有裨益。
任何一個產業，如果還保持著生命力，就會在外來衝擊之下自我變革，找到新的出路。就像傳統商業在電商的衝擊之下，雖然出現了大量商家倒閉的現象，但整個產業通過創新，找到了新的線下經營模式和成本控制手段的同時，有了很多的創新模式、完善了經營理念，連鎖便利店、高端賣場、體驗店等新業態展示出了強勁的生命力。如果商業火箭公司+航空製造企業能夠對傳統航天企業形成衝擊，那麼相信兩大航天集團會在衝擊之下啟動進化技能，展現出自我調節、自我修復、自我完善等能力，演進成為更加高效、更加強大的宇航供應商。
空天一體化，民企可先行一步
由航空發動機企業來代工火箭發動機，或許還有一項額外的收穫，那就是可重複使用。
當下國內的運載火箭發動機還都是一次性使用的，雖然長征八號已經立項研製，但畢竟還沒有經歷過飛行。即使是馬斯克，在把火箭回收之後，也要經過一個比較長的週期才能重新投入使用。然而航空發動機早已經實現了可重複使用，國外的民航客機發動機，基本上實現了落地加油重新起飛，國內的航空發動機科研和技術水平雖然還有一定差距，但也早就實現了頻繁重複使用。因此，航空發動機企業在可重複使用發動機相關的材料、工藝、流程等方面，必然有著相當豐厚的技術積澱，在商業火箭公司開發可重複使用火箭的過程中，這或許會成為一個重要的助力。
雖然是腦洞，但並不是漫無邊際。我們所說的重點並不在這裡。自從航天的夢想發端，人們就一直期盼著能有一種航天器，從地面像飛機一樣起飛，自由地進入太空、抵達外星，再從那裡起飛返回地球，或者去往更深遠的宇宙。這種航空航天一體化的前景，激勵著一代一代科學家和工程師們不斷努力。英國反作用發動機有限公司推出“雲霄塔”計劃，馬斯克打造不鏽鋼“星船”，都是在為此而努力。
“雲霄塔”概念“太空飛機”
在中國的國有企業體制下，航空與航天各有分工，但這種條塊分割對民營企業來說是不存在的。今天的民營商業航天企業就算尚且弱小，也有資格和權力去追求這個宏大的夢想。今後，我們需要聯合的不僅僅是國有航空航天部門，或許還要聯合電子信息、核技術、化工、冶金、機械……等各個門類的國有和民營航天單位，研製和運營真正意義上的天地往返飛行器，為大航天時代提供堅實的物質基礎。
我們相信，到那個時候，商業航天將如同今天的交通、信息產業一樣，成為人類經濟和社會體系的支柱。推動航空發動機企業代工火箭發動機，或許就是這個進程中關鍵性的一步。
