5手猎鹰再次成功!火箭回收带来哪些变革

科普中国-军事科技前沿 2020-04-09 作者:鸿爪雪梨

  出品:科普中国

  作者:鸿爪雪梨

  策划:武玥彤

  监制:光明网科普事业部

  2020年3月18日,美国太空探索技术公司SpaceX 的一枚猎鹰-9运载火箭成功发射。本次发射是猎鹰-9火箭单只火箭的第5次重复使用。虽然之后火箭在海上平台降落时掉入海中,回收未能成功,但单只火箭5次使用的记录,已足以傲视全球。

  

  图1 3月18日猎鹰-9运载火箭第5次发射(图片来自网络)

  火箭作为运载工具,最重要的使命就是把卫星送到预定轨道上,近几年,卫星行业发生了巨大的变化。以往一颗卫星体积巨大,功能复杂,一般重量都在1吨以上,且多为高轨道卫星,常用于军事、导航、遥感等场合,运送这种“庞然大物”自然需要国家队级别的“大力水手”,比如长征三号、德尔塔系列等。但随着这些卫星陆续入轨开始工作,且2005年以后,立方星技术慢慢出现,全球范围内,对中低轨、重量在100kg-1000kg的中小卫星,或者低轨、重量低于100kg的微型卫星的需求逐渐凸显出来。

  发射火箭的价格高昂,尤其是发射重型卫星的大型火箭价格更是昂贵。欧洲阿利安5号(Ariane-5)运载火箭每次发射费用约为1.65亿美元,每公斤发射费用约为1万美元。俄罗斯主力运载火箭——联盟-FG运载火箭每次发射费用大约为5000万美元,每公斤发射费用约为7000美元。我国的长征-3乙运载火箭,每次发射费用也需要7000万美元,平均每公斤发射费用为14000美元。对于“小卫星”来说,再使用大火箭运输则有些不划算,因此,小卫星的快速增长,催生了对小火箭或者低成本火箭的迫切需求。

  与国家行为不同,商业航天事业对发射成本的敏感度极高。主要面向微小卫星发射和组网,具备一箭多星发射能力的科工集团“快舟一号甲”火箭,其发射成本约为每公斤1万美元。对比之下,SpaceX公司的猎鹰9号复用火箭的每公斤发射费用约为2700美元。堪称火箭发射领域的价格屠夫。

  同样是用于发射卫星的轻型火箭,差距为什么这么大呢?

  与其他火箭的一二级助推均配置不同类型的发动机的总体设计不同,猎鹰火箭全箭只采用了Merlin-1这一种发动机,全箭共计使用28台Merlin 1发动机。这种设计思路由来已久,但SpaceX公司成功将他推向了商业应用。整个公司能集中全部力量研发一款发动机,即便运载载重不同,也能通过搭配设计来完成任务,这种操作能够显著缩短研制周期,降低研发风险,并而源头上控制火箭成本。同时还可以实现火箭发动机的产品化,意味着火箭发动机也有成为流水线产品的潜力,则生产成本也大幅度的降低。

  而一级火箭回收技术则在降低成本中发挥了更为关键的作用。猎鹰9号运载火箭的发射价格为6200万美元,利润率为30%,则成本约为4300万美元。其中一级火箭成本占发射价格的60%、二级火箭占20%、整流罩占10%,发射服务费用占10%,而火箭的推进剂费用只需要30~40万美元即可。严格来说,除推进剂费用和发射服务费为不可回收的费用外,火箭箭体和整流罩都可以重复使用。目前,SpaceX公司已经较为熟练的掌握了一级火箭和整流罩的回收技术。那么每次火箭发射实际上只损失700-800万美元。

  在不考虑火箭制造成本,只粗略概算发射成本的话,如果按照一枚火箭可使用5次(实际上设计寿命为10次)来算,那么单次火箭的发射成本约为1300-1400万美元,而如果每次发射保持6200万美元的报价,则除首次发射之外,单次利润可达到近5000万美元。

  

  图2 重型猎鹰首飞时两枚助推器一起降落(图片来自网络)

  火箭的重复使用对航天领域的另一个启示,则是把降低发射成本这一要求直接的摆在了从业人员的面前。无论是通过采用成熟技术以简化系统,还是突破关键技术以实现回收,目的都是相通的。而我国航天集团已小有成就的模块化运载火箭也是降低成本的绝佳办法之一。客观的说,作为商业主体,猎鹰-9火箭有其局限性,比如能承担的发射类型较为单一,面对深远空间输送或紧急军事任务则力不从心;对元器件的可靠性管控不如国家队严格;同时必须保留一定量的燃料以满足回收时的移动和姿控需求,对运载量也有影响。

  但寸有所长,在轻量级发射领域,SpaceX以一己之力影响传统航天发射产业的发展思维,并带领商业航天企业开始瓜分低轨、轻量卫星发射市场的蛋糕。在马斯克看来,实现火箭10次可重复使用将是一个重要的里程碑。我们期待“10手”猎鹰成功的那天。

责任编辑:王超

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