[科普中國]-5手獵鷹再次成功！火箭回收帶來哪些變革

出品：科普中國

作者：鴻爪雪梨

策劃：武玥彤

監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)部

2020年3月18日，美國太空探索技術(shù)公司SpaceX 的一枚獵鷹-9運(yùn)載火箭成功發(fā)射。本次發(fā)射是獵鷹-9火箭單只火箭的第5次重復(fù)使用。雖然之后火箭在海上平臺(tái)降落時(shí)掉入海中，回收未能成功，但單只火箭5次使用的記錄，已足以傲視全球。

圖1 3月18日獵鷹-9運(yùn)載火箭第5次發(fā)射（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

火箭作為運(yùn)載工具，最重要的使命就是把衛(wèi)星送到預(yù)定軌道上，近幾年，衛(wèi)星行業(yè)發(fā)生了巨大的變化。以往一顆衛(wèi)星體積巨大，功能復(fù)雜，一般重量都在1噸以上，且多為高軌道衛(wèi)星，常用于軍事、導(dǎo)航、遙感等場(chǎng)合，運(yùn)送這種“龐然大物”自然需要國家隊(duì)級(jí)別的“大力水手”，比如長(zhǎng)征三號(hào)、德爾塔系列等。但隨著這些衛(wèi)星陸續(xù)入軌開始工作，且2005年以后，立方星技術(shù)慢慢出現(xiàn)，全球范圍內(nèi)，對(duì)中低軌、重量在100kg-1000kg的中小衛(wèi)星，或者低軌、重量低于100kg的微型衛(wèi)星的需求逐漸凸顯出來。

發(fā)射火箭的價(jià)格高昂，尤其是發(fā)射重型衛(wèi)星的大型火箭價(jià)格更是昂貴。歐洲阿利安5號(hào)（Ariane-5）運(yùn)載火箭每次發(fā)射費(fèi)用約為1.65億美元，每公斤發(fā)射費(fèi)用約為1萬美元。俄羅斯主力運(yùn)載火箭——聯(lián)盟-FG運(yùn)載火箭每次發(fā)射費(fèi)用大約為5000萬美元，每公斤發(fā)射費(fèi)用約為7000美元。我國的長(zhǎng)征-3乙運(yùn)載火箭，每次發(fā)射費(fèi)用也需要7000萬美元，平均每公斤發(fā)射費(fèi)用為14000美元。對(duì)于“小衛(wèi)星”來說，再使用大火箭運(yùn)輸則有些不劃算，因此，小衛(wèi)星的快速增長(zhǎng)，催生了對(duì)小火箭或者低成本火箭的迫切需求。

與國家行為不同，商業(yè)航天事業(yè)對(duì)發(fā)射成本的敏感度極高。主要面向微小衛(wèi)星發(fā)射和組網(wǎng)，具備一箭多星發(fā)射能力的科工集團(tuán)“快舟一號(hào)甲”火箭，其發(fā)射成本約為每公斤1萬美元。對(duì)比之下，SpaceX公司的獵鷹9號(hào)復(fù)用火箭的每公斤發(fā)射費(fèi)用約為2700美元。堪稱火箭發(fā)射領(lǐng)域的價(jià)格屠夫。

同樣是用于發(fā)射衛(wèi)星的輕型火箭，差距為什么這么大呢？

與其他火箭的一二級(jí)助推均配置不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)的總體設(shè)計(jì)不同，獵鷹火箭全箭只采用了Merlin-1這一種發(fā)動(dòng)機(jī)，全箭共計(jì)使用28臺(tái)Merlin 1發(fā)動(dòng)機(jī)。這種設(shè)計(jì)思路由來已久，但SpaceX公司成功將他推向了商業(yè)應(yīng)用。整個(gè)公司能集中全部力量研發(fā)一款發(fā)動(dòng)機(jī)，即便運(yùn)載載重不同，也能通過搭配設(shè)計(jì)來完成任務(wù)，這種操作能夠顯著縮短研制周期，降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，并而源頭上控制火箭成本。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品化，意味著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也有成為流水線產(chǎn)品的潛力，則生產(chǎn)成本也大幅度的降低。

而一級(jí)火箭回收技術(shù)則在降低成本中發(fā)揮了更為關(guān)鍵的作用。獵鷹9號(hào)運(yùn)載火箭的發(fā)射價(jià)格為6200萬美元，利潤(rùn)率為30%，則成本約為4300萬美元。其中一級(jí)火箭成本占發(fā)射價(jià)格的60%、二級(jí)火箭占20%、整流罩占10%，發(fā)射服務(wù)費(fèi)用占10%，而火箭的推進(jìn)劑費(fèi)用只需要30～40萬美元即可。嚴(yán)格來說，除推進(jìn)劑費(fèi)用和發(fā)射服務(wù)費(fèi)為不可回收的費(fèi)用外，火箭箭體和整流罩都可以重復(fù)使用。目前，SpaceX公司已經(jīng)較為熟練的掌握了一級(jí)火箭和整流罩的回收技術(shù)。那么每次火箭發(fā)射實(shí)際上只損失700-800萬美元。

在不考慮火箭制造成本，只粗略概算發(fā)射成本的話，如果按照一枚火箭可使用5次（實(shí)際上設(shè)計(jì)壽命為10次）來算，那么單次火箭的發(fā)射成本約為1300-1400萬美元，而如果每次發(fā)射保持6200萬美元的報(bào)價(jià)，則除首次發(fā)射之外，單次利潤(rùn)可達(dá)到近5000萬美元。

圖2 重型獵鷹首飛時(shí)兩枚助推器一起降落（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

火箭的重復(fù)使用對(duì)航天領(lǐng)域的另一個(gè)啟示，則是把降低發(fā)射成本這一要求直接的擺在了從業(yè)人員的面前。無論是通過采用成熟技術(shù)以簡(jiǎn)化系統(tǒng)，還是突破關(guān)鍵技術(shù)以實(shí)現(xiàn)回收，目的都是相通的。而我國航天集團(tuán)已小有成就的模塊化運(yùn)載火箭也是降低成本的絕佳辦法之一?？陀^的說，作為商業(yè)主體，獵鷹-9火箭有其局限性，比如能承擔(dān)的發(fā)射類型較為單一，面對(duì)深遠(yuǎn)空間輸送或緊急軍事任務(wù)則力不從心；對(duì)元器件的可靠性管控不如國家隊(duì)嚴(yán)格；同時(shí)必須保留一定量的燃料以滿足回收時(shí)的移動(dòng)和姿控需求，對(duì)運(yùn)載量也有影響。

但寸有所長(zhǎng)，在輕量級(jí)發(fā)射領(lǐng)域，SpaceX以一己之力影響傳統(tǒng)航天發(fā)射產(chǎn)業(yè)的發(fā)展思維，并帶領(lǐng)商業(yè)航天企業(yè)開始瓜分低軌、輕量衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)的蛋糕。在馬斯克看來，實(shí)現(xiàn)火箭10次可重復(fù)使用將是一個(gè)重要的里程碑。我們期待“10手”獵鷹成功的那天。