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给黑科技一次机会,火箭发射成本真能降低超级多

站酷海洛创意

SpaceX 成功回收一级火箭的技术真的可以降低 99% 的发射成本?

问题补充:

中国航天为第三世界国家发射一颗卫星的价格是多少?

SpaceX 为 NASA 向国际空间站运送一次货物的价格是多少?

太空精酿,【啤博士】成员/航天汪一只

从理论上讲,火箭的发射成本里面,燃料的费用非常低,相比单次猎鹰九号 5400 万美元的发射费用,它的燃料费只有 20 万美元,所以如果能回收单看数据自然大大节约了成本。但从实际意义上讲,不可能节约到 99%的状态,甚至在现有的技术上都不一定能节约成本。

一个例子是著名的航天飞机计划,本来所有的设计就是希望航天飞机能反复回收利用节约成本,但事后证明美国的这个计划并不是完全成功。a. 首先系统必须做的极度复杂,应对航天飞机的发射与控制,这样无疑增大了各种系统的风险。航天里最简单的永远是效率最高的,这是铁律,也是为什么其他国家几乎都是一次性发射飞船;b. 其次航天飞机着陆之后重复使用的难度大大加大,需要大量维护费用,比如飞机表面所有涂层极其昂贵,发动机的维护更是天价,不亚于再换一台新的。所以相较而言,航天飞机的性价比一点都不高,但无奈美国在同时没有其他可以替代的有效计划,只能硬着头皮花大把的预算继续使用。后来的挑战者号和哥伦比亚号的毁灭,则直接导致了这个项目逐渐下马。苏联人早就意识到了这一点,他们的暴风雪号航天飞机做好之后,基本没有用过,也在某种程度上证明了这种可回收空天飞行器不太值得。

航天飞机

可以看到美国的航天飞机花费单次花费为近 15 亿美元!完爆其他的所有航天任务,例如着名的火星探测、深空的旅行者计划,所以重复不见得便宜。不过目前 Space-X 这个真心很便宜了,只不过纠结于它是否也会像航天飞机一样,下面会有分析。

另外在航空方面也有 B-2 和 SR-71 两款着名的飞机作为例子,技术上各种酷炫,但极其昂贵的造价和飞行完的维护费用,真的也只有美国扛得住了。比如说,如果 B-2 不是去扔一颗战略的核弹,基本上它飞一次花掉的钱比扔下去的导弹炸弹都值钱。

B2 轰炸机

SR71 侦察机

针对猎鹰这种火箭,如果想回收也有很多其他问题:

a.为了回收,要增加额外的各种控制和导航空间,导致火箭的设计难度大大提高

b.火箭为了保全,需要留下不少燃料作为后续的“刹车”减速。这对整个推进系统的设计尤其是燃料推送系统的要求极高,要增加很多冗余设计,风险较大。

c.火箭发射一个重要指标就是推重比,相当于有效载荷(卫星或飞船)所占比例越高越好,但如果考虑回收,相当于额外的一些燃料和系统设计会占掉有效载荷的空间,导致发射效率降低。或者是为了达到同样的发射能力,需要更大的火箭设计。

d.类似航天飞机,回收过后的维护尤其对一级发动机的维护,恐怕成本不亚于直接换一个新的了。e.节约成本从本质上讲是当发射频率达到一定数量之后才有意义,比如欧洲,一年恐怕就发射个位数的火箭,就算用可回收火箭,使用频率不够,也会使运营与维护成本占火箭发射总费用的比例极大增加。 从这些方面说,不会很大程度节约成本,或者只是成本略微降低。

中国、俄罗斯、欧洲都是依赖于一次性使用,俄罗斯基本上全是冷战留下的洲际导弹改装,比较便宜,但目前在国际发射市场的名誉极差,掉了很多星。中国性价比较高,单次发射 6000 万美元左右,主要因为咱们的火箭在大批量生产(直接取决于发射频率),所以单款火箭的研发成本在批量生产后会被逐渐摊平,价格降低。欧洲的火箭质量确实更好,但因为造价高(制造批量很小),基本是咱们价格的 5 倍以上。

那么猎鹰的优势在于:

a.黑科技,就好比 B-2 和 SR-71,虽然很贵,确实是杀手锏。猎鹰本质上也是一枚洲际导弹,一个可以回收的导弹你懂得,也是一个在大气层里可以做大规模机动的顶级杀伤武器了。能做到几乎静态回收,也就鲜有反导武器能对付了。

b.Space-X 毕竟是一家要盈利的商业公司,他们做猎鹰的研发费用只有三亿美元,基本上都比其他主流(欧洲和俄罗斯和美国其他火箭)成本低了一个数量级。所以对于美国军方,成本很低,2008 年与 space-X 签了 12 次发射合同,火箭 + 飞船,总共才 16 亿美元。所以为什么不投资一次让他们试验这种可能会 duang 一下的黑科技呢?

c. 猎鹰提供了一个极好的试验平台,相当于超高动态飞行器的复杂控制,能验证很多最新的技术。加上航天飞机带来的空天飞机试验背景(题主可以搜一下各种美国的 X 系列),永远不知道结合在一起会拿出什么黑科技来。

所以总体看来,能不能节省 99%成本不是最核心的,技术成熟后(20 年)如果有足够的发射频率有可能大规模节省成本。但其他意义不是现在这点投资能衡量的,这个项目成本很低,但验证的技术都很高大上,属于性价比特别高的一个项目,估计要远超航天飞机。

第二个问题,

前面说了,中国的价格,比如长征三号乙是 6000 万美元。这是个很大的优势,便宜又非常可靠,所以在世界火箭发射市场尤其商业方面有很大拓展空间。

第三个问题,

猎鹰目前的成本是飞船加火箭约 1.3 亿美元,火箭 5000-6000 万美元,飞船送货价格 7000-8000 万美元。

题外话:

我国目前火箭最大的瓶颈是推送能力,目前最大低轨(小于 1000 KM)推送能力依然不如猎鹰 -9。今年 Space-X 宣布了猎鹰重型火箭,低轨运载能力在 45 吨,如果增加推进剂交叉输送技术,能增加到 53 吨或以上。咱们还没有到能试验这种技术的水平。目前 SPACE-X 的回收水准已经到了 10 米以内,把一个 5 倍马赫速度下来的火箭控制到这种程度,着实不易啊也眼看就要成功了。火箭方面,我们还有不少的路要走。

@文正 提问为什么需要垂直落在海上平台?为什么不用直升机低速捕捉?

首先,为什么在海上?

a. 火箭本身的调整也是有极限的,它不可能直直地朝着一个固定的回收点飞去。而且每次飞行任务也不一定完全重复,例如不同的轨道、不同的分离状态,所以弄在海上平台,平台本身也可以提前移动到最理想的位置上,欢迎火箭的归来。

b. 安全问题,海上毕竟容错率较高,没有人住在这里,就算中途失败也不会落在陆地上造成危害。

c. 运回来的优势太大了,轻轻松松拖回来,比落在某块陆地上难度小很多。

第二,为什么要垂直?

很专业的问题,

a. 猎鹰的一级火箭带有 4 条长达 21 米的碳素纤维及蜂窝铝合金着陆腿,可以理解为四条腿,缓冲作用,站着肯定最好。万一倒了,因为火箭很重,还是有一定的相对速度,摔坏了或者碰坏了都得不偿失,而且基本都会爆炸的(几次失败都是倒了就爆了)。

b. 火箭的发动机都在底部,喷射方向沿着火箭躯壳方向,当垂直落地时喷出的能量得到最大利用。否则以任何其他角度来落地,如何使相对速度(比如水平速度)逼近于 0?对于一个几乎没有气动调整能力的火箭壳体而言,不可能啊!

c. 如果是其他方式,不管什么原因,都有可能滚 / 滑进海里,发动机进水、剩余燃料外泄、火箭迅速沈入海底,都导致回收没有意义了。

第三,为什么不用直升机抓获?

我只能说太天真了啊!

a. 得用多大的直升机抓起这个庞然大物呢?

最牛逼的俄罗斯米 -26 改装版本极限能带 26 吨,美国最牛的支奴干改装版本极限 15 吨,如果是有效的吊重质量就更小了,吊起猎鹰将将够用或者不可能(不知道一级回收回来的到底多重,不过猎鹰 9 空重大概在 60 吨左右)。

b. 在空中抓住它可能么?答案是必然不可能啊,这就不用解释了!

c. 在它落地后呢?已经落好了,用船拖回来即可,还用啥直升机?

d. 直升机也不便宜啊,为了回收一个火箭的躯壳部分,用一架支奴干这种直升机(也 4000 万美元量级),随便出点差错,值得么?

哈哈,所以目前的方案确实已经基本最优了。