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2020年运载火箭行业研究报告
火箭是依靠火箭发动机喷射工质（工作介质）产生的反 作用力向前推进的飞行器，按照火箭用途分类主要包含运载 火箭及探空火箭两种。在航天产业中得到较多应用的是运载 火箭，运载火箭是能够将人造卫星、载人飞船、空间站或空 间探测器等有效载荷送入预定轨道的航天运输工具，由单级 或多级火箭组成。运载火箭与导弹尽管在任务目标、气动布 局、结构与规模上存在一定区别，但主要组成的部组件类似, 具体包括箭体结构、推进系统、控制系统、飞行测量及安全 系统、附加系统等。
运载火箭整机的主要技术指标为运载能力、入轨精度和 可靠性等，其中，运载能力代表了可以送入预定轨道的有效 载荷的重量；入轨精度代表了有效载荷实际运行轨道与预定 轨道的偏差，是运载火箭控制系统的重要指标；可靠性是衡 量火箭系统工作过程中可能出现故障概率的重要指标。以上 技术指标在一定程度上代表了人类自主进入太空的能力。而 在当前商业航天发展过程中，成本特性以及快速响应特性 （发射准备时间）也成为了重要的核心指标，以上各核心指 标与运载火箭整机未来发展趋势也具有不可分割的联系。
2、运载火箭产业市场现状
2.1 运载火箭整机市场规模
在航天发射次数方面，近10年来，全球及我国的火箭 发射次数整体保持上升趋势，2019年，全球发射次数合计 为102次，其中商业发射78次，占比超过75%o市场规 模方面，卫星发射一直是航天火箭发射的主要下游应用领 域。根据美国卫星工业协会（SIA）发布的统计数据（见图 32）,全球当前卫星发射市场在每年45-65亿美元之间波 动，仅占卫星产业总市场的2%左右，主要原因为尽管当前 卫星市场受到组网、星座化的影响而快速增长（详见4.2 节），部分卫星星座甚至拥有上万颗卫星的高密度部署计划, 但受到微小卫星或小卫星占比的提高，运载火箭也同时在向 “一箭多星、星多箭少”的趋势发展。
综合以上，我们预计，未来全球航天发射的年度总次数 在中短期仍将保持在100-160次左右，而火箭发射在航天 产业市场中的占比或将维持在2%左右。具体到我国火箭发 射市场，根据中国与全球卫星发射次数的比例，可以测算得 到我国火箭发射市场近年来的变化。
可以发现，2018年我国卫星发射市场出现了较大幅度 的增长，这主要是由于我国“通导遥”卫星星座部署数量及 完成度较国际航天强国均具有一定差距，而2018年我国卫 星部署频繁，包括北斗三号系统、鸿雁及虹云工程的验证星 发射等，导致2018年我国卫星发射次数达39次，较2017 年增长了 1倍以上，在世界各国航天发射次数中居首位。
但由于2017年我国长征五号遥二火箭发射失利导致多个 航天重大工程的发射进度延迟，以及我国一箭多星发射技术 逐渐成熟，2019年我国航天发射次数有所下滑，当前，截 至2020年6月30日，我国2020年已实现卫星发射15 次，基于航天科技集团在2020年计划发射超40次，在我 国新冠肺炎疫情防控已经取得阶段性成果背景下，我们预计 2020年全国航天发射将集中在下半年，发射次数有望超过 50次。
目前，以美国商业航天火箭发射行业龙头SpaceX为代 表的商业航天发射企业，凭借可重复使用火箭等核心技术， 在商业发射单位报价等方面形成了强大的竞争力，2018年 SpaceX预测其在世界商业发射市场份额将达60%以上。反 观国内，根据航天爱好者网披露的中国航天发射记录，我国 2012年以来在海外商业航天发射市场方面，火箭发射载荷 中包含海外卫星次数合计不超过20次，年均不超过3次, 充分表明了当前我国商业航天发射主要以国内市场为主。我 们认为，出现该情况的主要原因有两方面，一方面是成本问 题，由于我国商业航天发射产业目前主要以航天科工集团所 属火箭公司的“快舟”系列以及航天科技集团的“长征”系 列为主，尚未有进入应用阶段的可重复使用火箭型号，发射 成本较高（快舟11号（2020年7月首飞失利）LE0轨道 发射成本目标为不高于1万美元/kg,长征11号甲运载火 箭（预计2022年首飞）重视经济性，预计发射成本达到1 万美元/kg,而猎鹰9在2020年3月披露发射成本约为 0. 40万美元/kg）,在国际市场上缺少竞争力；另一方面是 技术问题，美国在2011年通过了沃尔夫法案，基本全面禁 止了中国商业火箭发射的国际合作，导致我国航天产业的国 际化和国际交流遭遇了极大的困难，为我国商业航天发射技 术的发展和商业推广都增添了大量阻碍，研发成本及时间成 本有所提高，竞争力有所下降。
另外，我国2020年长三乙发射印尼卫星失利以及快舟 11号的发射失利，也将对我国商业航天发射在国际上的品 牌产生一定的负面影响。综合以上考虑，可以推断我国未来 短期内的航天发射市场仍将主要集中于国内卫星发射市场， 而未来伴随成本控制能力较强的民营商业航天发展以及国 家队技术水平的提高，该情况有望逐渐改变。卫星按照应 用领域可以分为通信卫星、导航卫星、遥感卫星、科学实验 卫星以及技术验证卫星等，由于卫星发射时实现“一箭多星” 时所需的火箭数量既受卫星自身的种类、所处轨道、质量等 多因素影响，同时也受不同火箭可以携带的运载能力影响。 为实现对我国2020-2025年火箭发射次数的需求进行较为 合理的测算，我们忽略科学实验卫星以及技术验证卫星等商 业价值不大的卫星，仅考虑未来即将部署，实用价值较大的 通信卫星、导航卫星、遥感卫星，并按照重量将其为大卫星 与小卫星（包含微小卫星）两类进行统计（统计过程详见 4. 2. 1. 1节卫星制造市场测算部分）。
基于《欧洲咨询报告》中对2012-2020年各类卫星实 现“一箭多星”时的卫星发射数量及卫星发射次数的比例， 我们对单次火箭发射各类卫星的效率进行了测算（向上取 整），忽略当前未统计的卫星部署计划及发射失败等情况， 2020-2025年的运载火箭发射次数需求将超过180次。
考虑到我国每年运载火箭发射次数与美国接近，按照美 国卫星工业协会（SIA）发布的2014-2019年全球火箭发射 单次市场规模的均值（5931. 25万美元）测算，2020—2025年 的中国火箭发射次数市场合计为108.54-111.51亿美元（约 759. 79-780. 55亿元）,平均每年18. 09-18. 58亿美元（约 126. 63T30. 09 亿元）。
2.2 运载火箭各分系统市场情况
类似于导弹，运载火箭也是一个由若干个相互联系、相 互作用、相互依存的分系统结合而成的复杂系统，其研发生 产同样属于系统工程。具体各分系统概念及功能见于3.1 节。参考国外运载火箭发射成本，主要由火箭硬件成本、直 接操作成本和间接操作成本组成。如图34所示，火箭硬件 成本占发射成本的75%,发射操作、推进剂等直接操作成本 约占15%,行政管理、发射场工程支持与维护等间接操作成 本占10%o按照上节中的测算，即2020-2025年间每年火 箭硬件市场规模约为94. 97-97. 57亿元。美国政府及军方发 射诸如第三代GPS导航定位卫星、军用侦察卫星以及 X-37B飞行器、“好奇号”火星探测器等高价值卫星或有效 载荷，采用了美国ULA公司旗下最具竞争力的运载火箭一 一宇宙神5系列运载火箭，从该系列运载火箭的成本构成 来看，火箭发动机成本占比达到36%,其次为箭体结构及电 气系统（此处的电气系统为广义的电气系统，概念包含了 3. 1节提及的运载火箭控制、飞行测量安全系统中的遥测系 统、附加系统中的狭义电气系统等），分别占比为28%及 21%o可以发现，以上三大部组件合计占比达到火箭硬件总 成本的75%,是运载火箭硬件成本的主要构成。
3、运载火箭产业链分析
运载火箭研发生产的产业链与导弹武器系统近似，产业 链上游主要为工程研制，具体涉及到运载火箭的总体论证、 设计（包括运载火箭总体设计与分系统设计）、仿真测试、 试验部分，主要由航天科技、航天科工集团所属企事业单位 以及部分商业火箭企业参与实施，同时部分科研院所、厂及 民营企业参与样件的定制化研制、生产、实验。产业链中游 主要以运载火箭研制定型后的试样设计、生产制造及模型总 装为主，其可按照元器件配套加工生产、分系统（部组件） 集成、模型集成进行产业链的再次细分。其中，元器件配套 加工生产及分系统（部组件）由航天科技、航天科工、中国 电科等军工集团所属企事业单位及民营企业参与，总装集成 主要由航天科技、航天科工集团所属总装厂以及部分商业运 载火箭企业参与。产业链下游主要为运载火箭的飞行试验及 应用发射，由运载火箭总体设计单位主要负责运抵发射场， 同时航天测控网相关单位也要参与进火箭的正式发射过程。 具体运载火箭研制产业链及各部分相关的上市公司。
4、运载火箭系统技术发展趋势
4.1 总体技术发展趋势
与种类繁多的导弹整机相比，运载火箭整机方面的技术 发展趋势更为明确，2017年11月中国运载火箭技术研究 院发布了《2017-2045年航天运输系统发展路线图》，系统 规划了航天运输系统的能力建设前景与发展蓝图。根据路线 图中的规划，到2020年，长征系列主流运载火箭达到国际 一流水平，同时面向全球提供多样化的商业发射服务。其中, 低成本中型运载火箭长征八号实现首飞，在役火箭实施智能 化改造，商业固体运载火箭与液体运载火箭可为用户提供 “太空顺风车”、“太空班车”及“VIP专车”等商业发射 服务。
2025年前后，可重复使用的亚轨道运载器研制成功， 亚轨道太空旅游成为现实。同时，空射运载火箭将快速发射 能力提升到小时级，智能化低温上面级投入使用，运载火箭 将有力支撑空间重大基础设施建设、空间站运营维护、无人 月球科考站建设，商业航天建成集地面体验、商业发射、太 空旅游、轨道服务为一体的系统体系。具体来看，从近年来 我国运载火箭整机的研制发展方向上看，运载火箭当前的发 展趋势主要为无毒、无污染、低成本、高可靠、大推力、适 应性强、安全性好等。
除此以外，未来伴随航天发射任务多样化的需求，运载 火箭发射快响应也将成为重要的技术发展趋势。在总装技术 方面，由于运载火箭总装一般为先将除动力系统以外的各分 系统的设备、仪器、阀门、导管、电缆及零部件装入相应部 段后，再进行各部段和发动机的对接，当前装配以手工操作 为主，因此柔性、数字化自动装配技术是运载火箭总装的发 展方向，同时相关文献也总结里了我国航天装备总装技术发 展路径图。
参考近30年来，美俄欧日等主要航天国家，按照模块 化、通用化、系列化的发展思路，研制的宇宙神5、德尔它 4、安加拉、阿里安5、H-2A等主力运载火箭，成功率均都 达到95%以上，部分超过97%,表明当前各航天大国主力运 载火箭的可靠性已达到较高水平。然而随着航天发射市场竞 争程度日渐激烈，以上主力火箭的发射价格大部分超过了 1 亿美元，对下游航天发射市场的拓展产生了较大不利影响。 目前，国外航天研发机构和商业公司纷纷提出了新一代大型 主力运载火箭的研制计划，都把降低发射成本作为一个主要 的目标，如SpaceX通过可重复使用火箭降低成本、轨道 ATK计划进一步优化“飞马座” XL空射运载火箭的发射价 格等，在我国商业航天发射仍处于较早期的阶段，我们认为, 我国无论是航天央企、其他国企还是民营商业航天企业均会 将在保证发射成功率前提下，降低成本都将成为最重要的发 展重点之一。
4.2 重点分系统技术发展趋势
如3.4.1节中分析，运载火箭作为复杂系统工程的产 品，其整机的性能发展趋势主要为无毒、无污染、低成本、 高可靠、大推力、适应性强、安全性好、发射快响应、数字 化以及智能化等，其中低成本是商业航天发射领域考虑的最 主要因素之一。以上整机发展趋势对以运载火箭产业链中上 游的各分系统（部组件）、元器件（零部件）的发展趋势产 生了重要影响，本节将主要针对几个运载火箭成本主要构 成，且与资本市场相关性较强的部分部组件及元器件进行深 入的技术发展趋势及投资机会分析。具体包括箭体结构中的 运载火箭材料及相关加工工艺、推进系统、以控制系统中的 制导系统及其附加系统中的电气系统。
4.3 2.1箭体结构分系统（材料制造及加工）
运载火箭的箭体结构是火箭的主体。主要包括整流罩、 级间段、尾段等部段，而液体运载火箭还包括压力容器部件 即推进剂贮箱等。其中，贮箱主要采用铝合金材料。推进剂 贮箱的成形工艺主要包括钺金成形工艺、拼焊工艺以及铳削 工艺。整流罩、级间段、尾段等干部段结构大多采用铝合金 钾接结构、整体铸造后机加结构或复合材料夹芯结构，主要 涉及到的成形工艺包括钾接、铸造、镀金成形、热压罐固化 等工艺。箭体结构生产成本主要取决于材料、工装模具、人 工工时以及设备损耗等其他费用。
可以看出，在单发生产时的情况下箭体结构主要成本取 决于人工工时、原材料以及模具工装的成本。而在系列定型 后，大批量运载火箭生产时生产线等固定资产投资占比将达 到箭体结构成本的一半，材料成本及人工工时费用将下降至 15%o由于我国运载火箭当前仍以单发生产为主，未来有望 转入大批量商业运载火箭生产，因此，目前材料成本及工时 费用（受加工工艺影响）等仍是箭体结构的主要成本构成。
目前，普通高性能金属材料仍是航天结构材料的重要组 成部分，但其应用已基本接近技术的极限，随着航天飞行器 迫切的减重需求，具有优异力学性能的轻质结构材料，尤其 是以铝合金、镁合金、钛合金及复合材料等材料为代表的轻 质结构材料成为航空航天研究的热点。轻质合金结构材料方 面，涉及到的技术发展重点包括超高强铝合金，在力学性能 的大幅度提升造成相应的塑性降低、淬透性差、淬火残余应 力大、机加工难度大等一系列问题；耐高温高强镁合金中， 工业化变形镁合金总体强度水平不高、塑性较差，大尺寸结 构件抗拉强度和延伸率有待提高，高强耐热变形镁合金大尺 寸铸锭的熔铸技术和加工成型技术有待提高、镁合金结构件 全生命周期防护技术；大多耐高温高强钛合金工程化应用水 平不成熟。轻质复合材料方面，发展趋势为提高结构复合材 料的耐高温性能、力学性能，掌握耐高温树脂基结构成型技 术，降低制造成本，形成具有自主知识产权的结构复合材料 体系。
4. 2.2推进系统
火箭推进系统是产生火箭推进力的系统，是火箭中最重 要的分系统之一。火箭推进系统主要包括主动力系统、辅助 动力系统及增压输送系统三部分，我们着重分析主动力系 统，即为运载火箭提供飞行主推力的发动机系统。目前，运 载火箭主动力系统主要采用火箭发动机，具体可分为固体火 箭发动机以及液体火箭发动机。总体来看，发展大型、重型 运载火箭及可重复使用火箭是一个国家迈向航天强国的必 然途径，大推力、低成本、高可靠和使用维护方便是动力系 统的重点发展方向，同时，在高可靠的基础上实现低成本是 重中之重。
① 固体火箭发动机固体火箭发动机方面，目前，运载 火箭固体火箭发动机主要为大型（大推力）固体火箭发动机, 其技术发展趋势类似于导弹大型固体火箭发动机发展趋势， 详情可见2. 4. 2. 3节。
②液体火箭发动机液体火箭发动机方面。由于我国新 一代中型运载火箭和重型运载火箭对大推力液氧/煤油发 动机和液氢/液氧发动机提出了新的研制需求，对比冲、推 力、推质比等性能的需求有所提升，还需要具备推力调节、 故障诊断等功能，并大幅优化使用维护条件，因此需要发动 机大范围节流技术；同时需要对现有液氧/煤油发动机和液 氢/液氧发动机改进，以便将为新一代火箭适应未来任务提 供强有力支撑；加大对具有系统结构简单、组件相互独立性 好、研制周期短、研制费用低等优点的开式循环液氧/煤油 发动机的相关研究。
③航天推进系统其他技术发展方向（可重复使用、核 动力、电推进）针对航天推进系统还有其他技术发展趋势， 中短期来看，包括具有良好的机动性、灵活性，可实现快速 进入空间的先进空射动力系统技术，远期来看还包括：比冲 可达千秒量级，推力可达百吨量级，可在发射后半年内载人 登陆火星，是可预见的未来太空探索的首选推进系统的核热 推进系统；使用起来类似液体推进剂，可有效提高使用维护 性的凝胶推进系统；低成本、无毒、无污染、高可靠、使用 维护方便的可重复使用火箭发动机，特别是液氧/甲烷推进 剂组合的可重复使用火箭发动机，是可重复使用火箭发动机 的重要发展方向之一。
4. 2.3制导系统
类似于导弹制导系统，运载火箭控制系统中的制导系统 是由测量、控制装置和箭载计算机等组成。其功用是测量和 计算火箭的位置、速度、加速度、轨道参数等，与预先装定 的参数比较，形成制导指令。考虑到中国长征火箭系列的制 导系统一般采用惯性制导，而控制装置及箭载计算机主要为 军工央企相关企事业单位为参与主体，相关投资标的较少。 具体到惯性制导方面，我国运载火箭主要采用激光惯性测量 单元和光纤惯性测量单元互为主备份，测量箭体转动角速 率、平移加速度。光纤速率陀螺和横法向加速度计组合正用 于火箭稳定系统和姿态控制系统，测量箭体的偏航、俯仰和 滚动角速度，以及箭体线加速度和姿态信息。目前，宇航用 惯性技术的发展趋势集中在如何进一步提高惯性仪表和系 统的精度；实现惯性仪表和系统的高可靠、长寿命、长期免 标定；以及实现轻质化、低功耗和低成本。
4. 2.3电气系统
运载火箭电气系统主要负责实现飞行过程及地面测试 过程中的导航制导控制、参数测量、遥测遥控、供配电管理 以及故障诊断功能，是运载火箭的重要组成部分之一。目前 运载火箭整机对电气系统的研制需求可以分解为大结构尺 寸对轻量化需求、大功率负载对能源需求、全天候无依托测 控需求、高智能的飞行故障适应性需求以及子级独立应用/ 测试需求。综合国内外的技术发展差距和火箭发展需求，后 续运载火箭电气系统发展主要瞄准集成化、轻质化、智能化、 便捷化发展方向。涉及到的相关技术包括综合电子类技术 （模块化集成技术、高速实时总线技术、分时分区操作系 统）、轻质化技术（光纤互联技术、箭地无线供电、无线传 感技术以及高压供电体制）、多电火箭技术（电静压伺服机 构及流体动力电源技术）、智能化技术（智能测试技术及智 能控制技术）以及便捷化技术（远程异地实时交互、子级独 立测试、高码率天基测控及推进剂液位测量技术）等。
5、运载火箭产业投资机会分析
综合以上分析，关于运载火箭产业投资，我们有如下判 断及建议：
（1）在当前“一箭多星”发射技术的日益成熟背景下, 我们测算出中国未来运载火箭产业的市场规模将处于每年 128亿元左右，由于运载火箭产业需要前期大量的研发投入 以及生产线的固定资产投资，因此我们判断，航天发射市场 规模或难以同时承载以航天科工所属火箭公司和航天科技 集团所属运载火箭研究院等为代表的商业航天“国家队”， 以及众多民营商业航天发射企业。考虑到大量民营商业航天 发射企业的运载火箭所用元器件、部组件均需要采购自航天 央企所属的相关单位，我们预计，运载火箭市场整体将由以 航天科工、航天科技所属商业航天企业（如航天科工火箭及 长城火箭）以及少数民营商业航天公司龙头占据、大量的民 营商业航天发射企业或将会在竞争过程中被整合或淘汰。
（2）当前业务包含火箭设计为主业的上市公司仅为航 天科技集团所属中天火箭（主要为探空火箭），类似于导弹 产业，建议关注在运载火箭领域具有深厚技术积淀的航天科 工及航天科技集团相关科研院所、厂的资产证券化。（3）在 运载火箭中，发动机、箭体结构及相关加工工艺、控制系统 中的制导系统及其附加系统中的电气系统是运载火箭成本 的主要构成。其中，动力系统方面，上市公司包括中天火箭, 建议关注航天科工六院、航天科技四院、航天科技六院相关 资产证券化情况，以及部分拥有先进动力系统技术且具有良 好成本控制能力的民营商业航天公司；箭体结构方面，上市 公司包括光威复材及中简科技等，建议重点关注拥有 3. 4.2.1节相关航天用先进材料制造加工技术的标的；电气 系统方面，上市公司包括航天电子及中天火箭等，建议重点 关注航天军工央企所属相关上市公司以及与航天央企相关 单位存在稳定供应关系的相关项目标的。