• 我国重复使用运载火箭首次10公里级垂直起降飞行试验成功背后，有哪些技术突破？
• 造火箭难在哪，为什么说可能比造飞机容易，但比造车难？
• 关于火箭发动机，为什么一次性发动机与可重复使用发动机的区别，相当于“炸药包”VS“燃气灶”?
• 世界航天发展过程中，有哪些重要的历史语境？
• 在世界的标尺上，中国航天目前处于什么阶段，中国航天发展的驱动力有哪些？
• 从商业化角度看，未来的民营火箭会像民航客机一样成功吗？

从中学的“太空梦”，

到参与创立“九州云箭”

李丰：可以和大家分享一下你的个人经历、从事火箭发动机工作的缘由、创业的起点与过程吗？

刘洋：2003年我读初三，中国航天员杨利伟第一次进入太空，这对我产生了一定的影响。我读高中的时候，第二批航天员也进入太空，进一步明确了我的方向。加上我从小就对机械类、工程类的科学比较感兴趣，所以高考报考了北京航空航天大学的宇航学院，学习和航天相关的飞行器动力工程，其实聚焦来说就是发动机。

从北航毕业后，我去到了体制内的研究单位读研究生，我的导师是长征三号甲系列运载火箭的副总师。当时立刻有一个具体的工程问题，所以在研究生阶段我就切入到这个领域里，后来我一直在体制内做液体火箭发动机相关技术的研发工作。

一直到2017年，季总（九州云箭董事长季凤来）找到了我，聊了创业的想法。当时我自己也对这个创业方向比较感兴趣。

我后来总结了一下，我在体制内的工作大概可以分为两个阶段。第一个阶段是前两三年，见到什么都能学到东西，就像一个海绵刚刚浸入水中，能吸收到很多。第二阶段是后面两三年，我开始独立负责一个新型号的研制，这时前两三年吸收的东西可以输出了。这一输出不要紧，当我回过头看这个过程，一直在输出，好像没有什么机会再吸收了。所以一直以来我也想有个机会，能再多学点东西，这对个人成长也有好处。

季总找到我的时候说，小伙伴们一起攒了个事，希望利用商业化的土壤，探索用更好的方式做不一样的发动机。我一听，机会来了。自己创业和在体制内工作有很大差异，你需要面临不同的困难；但是，在解决困难的过程中，个人能力一定能够获得提升。所以，我就出来创业了。之后这些年，我们九州云箭一直在做可回收液氧甲烷发动机。

李丰：刨去你刚才讲的个人成长的因素，你的家庭支持你这个决策吗，或者说辞职创业在当时是一个容易的决定吗？

刘洋：没遇到什么阻碍。虽然父辈的风险偏好相对较低，但是我爱人很支持我。

李丰：我还好奇一件小事。七年前季总来找你时，还有几位同样在体制内、但是在不同技术方向的小伙伴和你一块辞职创业。这些伙伴对你辞职创业的决定有什么影响吗？

刘洋：创业伙伴是什么样的，确实是衡量风险的一个因素。如果团队不可靠，即便我能借创业的机会提升自己，但是很可能达不到目标，这也会令人沮丧。所以，最后创业的事情能够攒起来，和创业伙伴的关系非常大。我和团队的每一个人，都是原来在体制内围绕同一个型号共事的伙伴，彼此非常了解，配合也很默契，相互都很认可。

中国重复使用运载火箭飞行试验成功背后

李丰：最近有一个大新闻，我国重复使用运载火箭首次10公里级垂直起降飞行试验圆满完成。这个项目的主要部分是由国家单位负责的，你们的发动机部分也起到了重要的支持性作用。这次具体飞了多少公里？

刘洋：12 公里。

李丰：你们在现场看的时候，落地的过程是惊心动魄和极其紧张的吗？

刘洋：算是一个四平八稳的过程。

李丰：我们从技术层面先来了解几个问题。第一个问题是，从我国火箭发射回收的总过程来看，这次试验成功是一个什么样的成就？第二个问题是，从你们专业人员的角度来看，这是一件多难的事？

刘洋：如果把国内体制内外的商业航天算到一起，这次成功算是一个比较大的技术创新和突破。以往有做过类似的、高度不同的试验，其中2023年1月我们的凌云发动机做过一个十米级左右的飞起来、悬停、再落下的试验；此外，2023年年底，市面上有些企业相继做了300米左右的单台发动机的飞行和落回。

而这次10公里级别的可重复使用的垂直起降试验的突破：

• 首先在于高度，但它不单纯是高度指标的增加。因为目前的高度已经过了大风区（高空风一般距离地面4到20公里；火箭穿越大风区时，会遭受强烈的气流冲击），横向干扰力对于火箭来说比较大，在这种干扰力下如何控制好火箭的姿态，如何精确回落到预期的位置？这是和以前不一样的考核。

• 其次是，这次发射的火箭不是单纯为了验证垂直起降功能而设计的试验性火箭，而是将来要入轨、要真正发射的级别的火箭。

• 第三是这次试验用的火箭并联了三台发动机，三台发动机同时工作，也初步考核了多机并联状态下，整个箭体的工作的稳定性和可靠性。这几点是和之前不太一样的。

李丰：2023年以前，体制内外有试过不同情况下火箭起飞和降落的整个过程吗？

刘洋：2023年之前有做过试验型的，不是真正意义上入轨的火箭。

李丰：这次试验成功最主要的挑战是什么吗？

刘洋：最主要的挑战有两个。一个是最核心的发动机在全程工作中的变推力能力，换句话说推力在大范围内可调节。另一个是火箭的控制和变推力精准度。

李丰：垂直起降，是指它的主体姿态是垂直的，没有倾角的，没有其他不同角度的飞行姿态吗？

刘洋：在10公里级别的高度上，火箭不会出现姿态上的过多变化。基本上还是垂直上、垂直下。

李丰：未来火箭真正投入使用后，应该会发生姿态转变。相对于我们今天已经实现的控制来讲，对姿态转变进行控制的难度是上量级、上规模的，还是线性增长的？

刘洋：难度是线性增长的。从总体来看，“姿态转变”也是我们这一型号火箭研制过程的一环。这一型火箭的研制分为三步：

• 第一步是大家已经看到的10公里级别的垂直起降。

• 第二步可能再做一个75公里级别的亚轨道级飞行和回收试验，这个试验非常接近实际发射的任务剖面，也就是您提到的角度、姿态上的变化。

• 第三步可能是真实的送载荷入轨之后再回收。

李丰：火箭姿态发生变化时，它的调整仍然是靠目前的三个发动机，还是要在周边加一些别的措施？

刘洋：火箭的控制源大概有三个：

• 第一个是您提到的主动力，通过主动力的矢量推力的调节、摇摆，产生一个力矩控制火箭轨迹和姿态。

• 第二个是一些姿控发动机，它的单台推力非常小，但对火箭来说能够直接产生横向力来调整火箭姿态，它虽然能力有限但效率比较高。

• 第三个是在回收时，火箭可能利用栅格舵（一种火箭飞行姿态控制装置）、空气动力学产生一些附加的控制力。

李丰：就像飞机减速网？

刘洋：有点像。

李丰：还有一个小的技术问题我很好奇。控制单台发动机和控制三台发动机，二者的难度是线性增加还是指数级的增加？

刘洋：对于回收来说，控制单台发动机和三台发动机，难度并没有指数级别的增加。如果是真实的回收过程，通常也只有中心发动机在最后一次点火反推时会做推力的矢量调节，个别情况下在回收过程中的其他一些点火是需要更多台发动机的。

李丰：明白了，所以大家可以大概还原一下这次火箭发射的整个过程了。

李丰：从你们创业做火箭发动机研发到今天，花了七年时间，你给你们的效率和速度打多少分？

刘洋：这个效率还是非常高的，如果打分的话我能给到 95 甚至 100 分。因为这七年里我们研制了两款发动机，这在过往是很难达到的。

像这次试验中使用的龙云发动机，我们是在2020年立项，三年多的时间就已经实现地面测试成熟，而且这还是一款可回收的、大范围推力调节的、多次启动的发动机。这个效率我还是比较满意的。

李丰：我印象中你们最早研制的发动机，当时并不是以可回收为主的，推力也相对比较小，是这样吗？

刘洋：我们这两型发动机的研制策略是这样的。第一型凌云发动机，利用相对小吨位的、10吨级发动机，率先突破了可回收、多次起动、推力调节、全氮气使用维护等核心技术。

突破了之后，我们再做 70 吨级的龙云发动机，只是一个推力量级提升的过程，不存在功能研发上的突破，因为这些基础我们已经利用 10 吨级突破了。

▲ 龙云发动机热试车画面，图片来源：九州云箭

李丰：这种可回收的火箭发动机跟我们在新闻上看到的一次性火箭发动机相比，研制中需要克服的最大技术差异是什么？

刘洋：最大的不同来自新功能。比如“多次启动”这个功能，要求火箭发动机在飞行中可以随时启停，关机再开机。

这有别于传统的一次性发动机的设计思路。打一个不太恰当的比喻，就是把点火系统从“炸药包”变成了“燃气灶”。燃气灶是，我做几顿饭，开几次燃气灶。但是炸药包不行，炸完一次就没了；再炸一次，还得再拿一个炸药包。

另外就是大范围的推力变化。如果希望火箭发动机的推力在很宽的范围里工作，一是要面临推力调节的主动控制方面的问题。相比于一次性火箭的发动机，可回收火箭的发动机要增加很多分系统，以实现推力调节的主动控制功能。这个功能就相当于家里的自来水管，水流你想要大就大，想要小就小。

二是流量不断变化时，发动机的各个组合件也需要保持正常，例如涡轮泵。涡轮泵可以类比成人的心脏，如果要求人在血压很宽的范围里活着，那就要对心脏提出新的要求。类似地，还有很多因为需求改变而串联出来的技术改变。

所以，可重复的发动机和一次性的发动机相比，更多的变化是整体系统带来的。看似差不多，但实际上方方面面都不太一样。

李丰：我们大部分人很难真实了解发动机的具体的细节，可以科普一下一次性和可回收发动机在设计全系统时，差别率有多大吗？

刘洋：从系统架构来看，差别率可能是 30% 这个量级。但是从零部件产品来看，差别率可能更高一些。

李丰：尽管面对一些挑战，商业航天的可回收对于降成本仍然起到了巨大的作用。现在的可回收发动机能重复使用多少次？

刘洋：我们实际测试的单台发动机，重复使用次数能达到20多次。至于它的上限在哪里，我们还没有摸到。

世界航天发展的历史语境，

与中国商业航天的追赶赛

李丰：谈到商业航天和火箭，今天大家关注最多的还是几个强国。当然可能首屈一指的是美国。火箭或者航天，更早可追溯到50年前美国的“阿波罗计划”。冷战期间，美苏在登月、航天飞机、火箭等方面的竞争，无疑极大促进了双方在航天技术上的发展。

在今天来看，美国仍然是美国，但是苏联解体后变成了不同的国家，其中俄罗斯继承了苏联的大部分航天遗产。

中国作为另外一个，至少经济规模比较大的国家，正在航天领域努力向前跑。跟今天的俄罗斯、美国等相比，中国的商业航天大概在什么样的标尺范畴上呢？

刘洋：今天我们做商业航天，比较多的还是看中美的差距。在美国，SpaceX的猎鹰9号在2015年底第一次实现了发射和回收。

从目前已知的线索来推算，我国要实现这一点，最早要到2025年。从纯静态的角度来看，这个差距是10年。

但国内和国外有一个什么区别呢？就是国内的事情一旦实现了从0到1的突破，再从1走到N，它的效率、整个供应链的能力和生产力水平，是要好于美国的。

李丰：这里有几个有趣的历史事件，以我有限的航空航天知识来回顾一下。世界载人航天技术突飞猛进的很大原因，是美苏对于航天计划的竞争，这是历史上不可回避的现实。

从美国来看，“阿波罗计划”再往前是“曼哈顿计划”，就是做原子弹的事。这两个案例是美国少见的“举国之力”，或者说“集中力量办大事”的事件。

所以，那时的美国国家航空航天局NASA开始获得巨大的经费，开始扩招、大规模急速地发展航天事业。到了80年代末90年代初，美苏之间的竞争发生了明显的变化，尤其是苏联解体后，NASA的航天项目变得不那么紧急，所涉及的研发经费和团队开始较大规模地剪裁。

尽管如此，NASA还是希望继续那些已经在执行的任务，所以出现了“委外”，即委托外部执行。因此，在2000年左右，贝索斯的蓝色起源、马斯克的SpaceX相继出现了。

不过，SpaceX的猎鹰1号火箭前面三次基本都发射失败了，第四次终于发射成功，SpaceX也迎来了发展的拐点。发射成功后，它有了商业的支持，有了大批资金的投入，才有了今天的可回收火箭等等。

这大概是我能描述出来的美国商业航天和SpaceX最粗线条的历史故事。

今天，中国的商业航天处在完全不同的历史语境中。在卫星频率和轨道资源方面，目前我们也面临着和美国的竞争。我有几个感兴趣的小问题。

第一个问题是，今天中国的商业航天，包括民营商业航天、国营商业航天的发展语境，显然跟当年冷战时美苏的状况，和冷战结束之后美国的状况不同。考虑到今天中国与世界的环境，你怎么看待中国航天包括整个商业航天所面临的情况，以及一个民营创业公司对未来的期待。

第二个问题是，美苏当年的激烈竞争，使航天科技得到了远超一般情况的资金和人员投入，推动了第一个阶段航天科技的超速发展。今天在没有类似美苏冷战的大国激烈竞争的情况下，中国、美国的商业航天会怎样发展？尤其是中国。

第三个问题是，前段时间中国和俄罗斯签订了一个联合声明，提及了航天科技相关合作的内容。在你看来，俄罗斯今天的商业航天技术，有中国能借鉴和学习的吗？

刘洋：我先说一下第三个问题。我觉得俄罗斯作为一个传统的、重工业比较强的国家，它肯定有一些历史底蕴积累，特别是在航天这一块。

您刚刚也提到，为什么美国当年能够举全国之力、有那么大的决心在航天业快速发展，我的粗浅理解是，更多是因为当时美国是落后的。因为相较于苏联，美国在前面几个节点的航天技术上都是落后的，比如第一颗卫星的发射、宇航员第一次上太空，等等。这种落后刺激了它的决心。这也恰巧证明了苏联航天科技有足够的历史积累。

那么，现在我们还有没有可借鉴或者可合作的空间？对于航天来讲，我认为是有的，但是对于商业航天来讲，可能不好说。

说到SpaceX，不论SpaceX是获得了一些美国的支持也好，还是像您刚才讲到的，它是“航天竞赛"的余温影响下的结果也好，我认为现在我们做商业航天，并没有大力地鼓吹“与谁在竞争”的问题。

从客观的角度来说，如果现在我们和世界最先进的商业航天国家——美国来比，我们在商业航天上是落后的那一方。

如果在过去的美苏之间和现在的中美之间比较，我认为我们国家发展商业航天的决心可能会更强。

具体来说，可能是因为近地轨道的资源比较有限。据我了解，不一定十分准确，近地轨道可能能够容纳 10 万颗卫星。SpaceX申报了 4.2万颗，中国各方面加到一起，大概也有4万颗的规划。有限的轨道资源，我认为是促使我国大力发展商业航天的一个动因。

此外，SpaceX采用的垂直整合模式是非常高效的，它吸收了一些美国冷战时期的技术和底蕴，相当于在巨人的肩膀上做创新。

但是，我认为我们不一定要完全和它一样。为什么呢？

因为美国在那个时候不是世界霸主，所以它还没有成为单纯玩尖端科技和金融的国家，所以它在美苏争霸的时候，还是有很强的工业基础、有大量的企业在支撑它的。

然而，放在现在的语境下，面对商业航天之间的竞争，我个人感觉美国想再“提溜”起来那股气，首先是需要决心，其次是需要比较长的时间。因为目前美国仍然处于领先地位，要它重拾决心，我觉得不容易。

反过来，中美在商业航天的发展与竞争中，我们的优势是发展到现在这个地步，我们仍然是全球产业链最完整的国家。无论是体制内还是民间，我们的产业配套能力是非常强的。

在这个优势的作用下，我们不一定非要出来一个像SpaceX那样的企业，到世界舞台上去竞争；我们可以充分利用我们的产业链来分工协作，发挥各自的优势，形成一个集群更优的状态。也就是我们的商业航天产业可能更优，但是其中任意一家企业也许不如SpaceX那么全面。

造一枚火箭，

难在哪，商业前景如何？

李丰：有道理。航天科技涉及一条比较长的产业链，既包括材料，也包括设备、零部件、装配、传感器、控制系统等等。我们先把这些复杂的控制或者数字化的部分放在一边，如果不算载荷、不算上面的卫星，今天的火箭发动机占火箭的整箭制造成本大概多少？

刘洋：大概能占到一半。

李丰：好，不算载荷和火箭发动机，火箭整个制造过程的复杂程度大概是什么样的？

刘洋：我个人感觉造一枚火箭的复杂度可能比造一架飞机要低，比造一辆车要高。

李丰：从制造业来看，造火箭和火箭发动机，最难的是什么？

刘洋：我只能就火箭发动机来回答这个问题。对火箭发动机而言，不存在太大的制造上的门槛，个别工艺除外。

李丰：我原来理解火箭发动机最难的是，它基本上都是一次性的零部件，或者说大家不会为了这些零部件进行规模化生产，放好多个标准件在那存着。

刘洋：这个跟阶段有关。中国的商业航天目前还是一个偏早期的阶段，这是我们的一个判断。

如果用百米赛跑来衡量，可能前两年大家都在起跑线上做准备，现在可能是发令枪响了，大家刚开始动起来。

而商业航天产业到达高度成熟阶段的一个典型特征是：火箭可以非常高频次地把载荷送到太空当中。

那个时候，整个行业对于火箭总量的需求就完全不一样了。

我们始终有一个观点：商业航天，特别是国内这个阶段的商业航天，正处于供给创造需求的阶段，换句话说是供给太稀缺的阶段。目前卫星端、载荷端、甚至包括 ToC 端应用的想象力都完全没有打开，因为现在还没有几个载荷能真正的上天。

可能很多人会有这么一个疑问：重复使用火箭，是不是意味着火箭的数量要比一次性火箭更少？不是的。

如果永远处在一次性火箭的时代，就永远不会创造出更多需求。因为进入太空的能力太弱，它就只会是一个很小众的行业。

但是，当重复使用技术成熟了，成本足够低了，整个市场的规模就会被打开。这个规模一旦打开了，火箭的总量、发动机的总量也就大了。

总量大到一定程度的时候，非标问题就得到解决了。

李丰：我对车有个粗略的概念，一台车大概有大几千、一万来个零部件构成，当然一个螺丝也算是单个零部件。那么，火箭发动机的零部件的量级大概是什么样的？

刘洋：量级在万以内。但是传统的一次性发动机不一定，它可能会做得非常复杂。

李丰：一次性的反而更复杂？

刘洋：这也就是我刚才说的那个观点，应用场景或者研制目标，会反过来影响产品的设计。

如果做一款传统的一次性使用火箭，你在意的是什么？是它有最高的性能、最大的运力、最高的比冲，然后成本不计、周期不计。这个时候，你会去考虑简化它的设计吗，让它更便宜，让它更可靠、更耐用吗？不会。

所以，一些一次性的火箭发动机零部件会更复杂，而重复使用发动机的零件数要更少。

李丰：这就像从燃油车到新能源车之后，车的零件也变少了，因为出于经济性考虑等因素，它集成度变高了一些。当然可能也是因为比较复杂的动力总成系统被改变了，相关部分的复杂度也降低了。

嫦娥六号如何“惊艳”着陆？

李丰：那回过头来，涉及到控制性降落或者可回收的问题，我问一点外延的话题，跟最近刚发生的、造成了新闻热点的“嫦娥探月”的事情有关。嫦娥六号不久前从月球背面取了大概两公斤的月壤回来，其他国家可以来申请月壤样本。

我简单看了一下报道，嫦娥让大家诧异、惊艳的能力是“着陆”，包括在月球背面着陆和返回后在地球着陆。这两件事的难度级别大概是什么样的？你做火箭可回收发动机和这个事部分沾边，从你的角度看，这是一个什么样的过程？

刘洋：落月的过程和商用的重复使用的火箭反推着陆的过程，可以做一个简单的类比，只不过在月球上引力更小。在月球上反推减速着陆的技术，在嫦娥六号上并不是第一次用，在之前的嫦娥四号、嫦娥五号上已经得到了验证。

嫦娥六号的落月是自主闭环控制的，它自己有一个大脑，可以根据高度和速度等调整发动机的推力。

落月过程中的发动机和火箭发射回收的发动机，主要区别就在于：首先吨位不同，因为在太空中不用克服那么大的引力做功；再加上相对于火箭而言，这个运载器本身的重量是很小的，所以落月发动机的推力是比较小的。

较小的推力，使得它和发射火箭的发动机的系统有较大区别：它就不再有我们刚才说的“心脏”的装置——涡轮泵来负责提高压力，它带的推进剂天然就是高压的，通过挤压的方式进入发动机实现反推。

这种方式好在哪呢？就是它的推力调节和控制更容易了，打个不太恰当的比喻，它真的变成你家的自来水管的状态了。这是落月的技术。

而返回后的着陆过程，其实离我们从事的专业相对有点远，我也是简单了解了一下。嫦娥六号着陆的过程，有点类似于航天器、载人飞船返回的过程，最大的不同点在于，它两次进入大气层减速，然后才落到我们国家的着陆场。

嫦娥六号为什么需要载入大气层两次呢？

因为它是从月球轨道上回来的，回来的速度是第二宇宙速度，11.2公里/秒。而落到地球轨道上、能够安全返回的速度是第一宇宙速度，7.9公里/秒。

所以如果是惯常的空间站的返回飞船，它是绕地球旋转的，速度是第一宇宙速度，只需要完成从7.9公里/秒降到0，实现落地。

对于嫦娥六号来说，它需要完成两个过程，第一步是从第二宇宙速度降到第一宇宙速度，第二步才是从第一宇宙速度降到0。所以它为了完成第一步就需要先进入大气层，靠大气层的摩擦，使速度减到第一宇宙速度。

我们可能有一个疑问，嫦娥六号为什么不先到地球轨道然后慢慢减速到7.9公里/秒，再下落呢？

那是因为，从11.2公里/秒减到7.9公里/秒，可能需要额外带非常多的推进剂，带着这么多东西可能它都到不了月球，以至于可能这个方案不能成立。所以它只能硬生生地从第二宇宙速度降到零。

你可以理解成嫦娥六号在大气层里“打了个水漂”，最后着陆下来。这和重复使用火箭完全不一样。

李丰：另外一个小话题，看到嫦娥六号落地的照片，有好多人说外面是不是有烧蚀，说耐高温材料还可以有更大的提高。我有两个问题，第一个是大家根据表面状况来评价是合理的吗？第二个是我们把火箭发上去再收回来的时候，火箭表面同样会出现烧蚀问题吗，或者说这个问题能被更好地解决吗？

刘洋：第一个问题，分两方面回答，首先通过表面颜色来判断它受热的程度，是可以判断的。但是你要根据颜色等表面状态间接去判断它的技术水平，这个我就不太了解了。因为就像刚才说的，对于它来说，从第二宇宙速度降到第一宇宙速度的过程是很残酷的。

第二个问题是它和火箭的回收有没有什么值得借鉴之处。我们刚才提到，火箭回收的最大特点是，火箭是可以产生反推力来帮助它减速的。而且火箭一般回收的是一级，一级火箭在要回收之前，它的末速度是没有第一宇宙速度那么快的，因为它要靠第二级再进一步载荷加速。

所以，首先一级火箭的初速度就没有那么快，第二它又有主发动机产生非常大的推力来反推，这就导致它的受热，要比嫦娥六号或者其他飞船小很多。

李丰：好奇SpaceX回收回来的火箭，或者说回收回来的一级发动机，表面会有明显的烧蚀痕迹吗？

刘洋：SpaceX的那个猎鹰火箭回来，表面也是黑黑的，但是它不是烧蚀的，主要是因为它是用的液氧煤油推进剂。液氧煤油产出来的燃气，本身就存在结焦、积碳等氧化过程。

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