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文 | 邢强 瞭望智库特约研究员 本文为瞭望智库原创文章，转载请在文前注明出处。 北京时间2017年3月31日清晨6点27分，美国太空探索技术公司（SpaceX）的一枚“猎鹰”9号火箭，将一枚商业通信卫星（卢森堡SES SA公司的SES-10）成功送入太空轨道。 之后，该火箭的第一级顺利降落在大西洋的海上回收平台上。 这次发射给整个航天领域带来一场“大地震”：在人类航天史上，首次使用回收火箭成功发射卫星，并且再次成功回收一级箭体！ 笔者认为，其意义不亚于加加林于1961年4月12日完成的世界首次载人宇宙飞行——从此，火箭不再是一次性产品，而成了可以重复使用的运载工具。人类朝星际旅行的梦想又迈进了一大步！ 正在发射的猎鹰九号火箭（图片来源：spaceX官网）
1 星际穿越：巨富的烧钱游戏！太空探索技术公司（又称SpaceX）是美国一家商业航天制造商，为全球客户提供飞行器研制和太空运输服务。 2002年，美国科技狂人埃隆·马斯克（PayPal的合伙创始人、特斯拉汽车公司的首席执行官）创办了这家公司，总部位于美国加利福尼亚州，颇具硅谷风格。 在创办伊始，马斯克就发出了在当时看来几乎不可能完成的豪言壮语——研制能够大幅降低太空运输成本的飞行器，最终使人类向火星殖民成为可能。 “猎鹰”9号火箭就是该公司的成名之作，堪称航天技术发展史上新里程碑。 “猎鹰”9号是中型两级入轨系列运载火箭。“9”来自于火箭第一级并联的9台发动机。 最新版本的“猎鹰”9号火箭，发射质量为549.05吨，近地轨道运载能力为22.8吨，运载能力与欧洲阿丽亚娜-5运载火箭大体相当。 正在试车的梅林发动机(图片来源：spaceX官网) 注：猎鹰九号的一级火箭并联使用了九台这种发动机，使一级火箭拥有了强大的7607kN的海平面推力 正在起飞的猎鹰九号火箭尾部特写(图片来源：spaceX官网) 马斯克为啥非要坚持发展火箭重复使用技术？ 很简单，因为钱！ 航天历来是有钱人的烧钱游戏。 *按照上世纪六七十年代的货币价值计算，美国载人登月使用的土星5号火箭，其总拨款高达65亿美元； *整个阿波罗计划总耗资达到了天价——240亿美元。 随着航天商业化的发展，对于如今的发射任务而言，美苏冷战时期追求技术展示的目标早已淡化，商业效益和社会效益才是重中之重——以往不计成本的技术竞赛已经转型为关注风险与收益的商业行为。 大多数商业卫星通过国际招投标形式选择太空运输服务商，所以，在国际商业航天市场，成本已经成为决定服务商能否占据优势地位的重要因素之一。
2 如何使星际旅行更便宜？现代运载火箭，无论是执行近地轨道运载任务还是地球同步转移轨道运载任务，其发射技术都已经相当成熟。 经过几十年的工程实践，各航天大国都已经摸索出适合自己国情的途径，在优化研制和发射流程、有效利用资源、优化时间/人力/物资管理等方面，已经难有潜力可挖。 而降低成本是各国航天领域都在关注的重点。发展可重复使用的运载器是降低成本的关键： 当火箭能够重复使用时，每次发射任务所消耗就只是火箭燃料了。而燃料成本在火箭发射总成本中的占比微乎其微。 在重量上，火箭燃料占到整个火箭的90%，而成本不到火箭发射总成本的1%，SpaceX甚至给出了0.4%的占比。 打个比方，去超市买苹果花了100元，然后在收银台买了一个4角钱的塑料袋。 火箭燃料成本占发射成本的比例就相当于这个塑料袋与整袋苹果的比例。 因此，从理论上讲，火箭重复利用能够带来航天成本的大幅度减少。 当然，现实往往不会如我们期望的那般完美。 失败案例：比一次性火箭还烧钱的航天飞机 回顾人类航天历史，我们会发现，运载工具重复使用并不是spaceX的首创。航天飞机是其中一个典例。 1981年4月12日，美国的航天飞机首飞。 很多人曾经相信：它的到来将大大降低昂贵的天地往返运输成本。 然而，它一次又一次地用高昂的发射报价打破了人们的美梦。 航天飞机虽然可以重复使用，但是，每次使用后的检测和维护既费时、又费钱。并且，即便花费了高额的维护和检测代价，也没能避免2次机毁人亡的灾难性事故发生。 正在发射的美国“哥伦比亚”号航天飞机 注：该机于2003年2月1日在返回中由于隔热层脱落而失事，7名宇航员全部遇难。 如果从1972年开始计算，美国花在航天飞机研制、制造、发射和维修上的费用高达1960亿美元。 美国航天飞机机队共执行了135次任务，一次发射成本约为14.5亿美元。 这个价格远远高于任何一款“一次性”火箭的报价： “大力神”4号运载火箭创造了一次性使用火箭的最高报价纪录——1999年，其单次发射报价为4.32亿美元！ 航天飞机的单次发射成本是“大力神”4号报价的3.4倍！ 据相关统计，航天飞机的研发和运营费用，相当于开凿巴拿马运河、制造原子弹的“曼哈顿”计划和载人登月的“阿波罗”计划的耗资总和！ 2011年6月1日，“奋进”号执行完最后一次任务后返回地面，7月21日，美国所有航天飞机正式退役。 航天飞机的时代终结了——系统方案复杂性和对分系统可靠性极度依赖，使其与成本“暗礁”发生碰撞，最终黯然退出历史舞台。 如今，SpaceX公司的“猎鹰”9号，再次将可重复使用运载器带到世人面前。
3 “猎鹰”9号多省钱？我们来算笔账SpaceX公司至今未给出火箭可重复使用后的报价方案。但是，我们可以依据其以往的报价和工程技术经验，对其成本和今后的发射报价作出估算。 大体上，一枚商业火箭一次发射服务的总报价可以分成三部分：火箭本身成本、发射测控保障成本和利润。 火箭成本按照构造可划分成两部分：第一级和第二级。由于spaceX已经实现了对一级火箭的回收再利用，对回收火箭进行检测维修的费用，实际上就是火箭再利用时一级火箭的成本。 请拿好算账用的小本本，笔者要开始烧脑了。 目前，spaceX对猎鹰九号火箭发射的报价在6200万美元左右。 按照笔者的工程经验和历史数据计算，火箭本身的成本约占发射总报价的70%；发射场、发射空域协调、测控服务、安全保障等费用约占20%；另外10%是SpaceX的利润（保守估计），第一级和第二级的成本比例约为4.35:1。 按照其多次发射报价的平均值反推，“猎鹰”9号火箭（计入保险相关费用）第一级成本约为3534.2万美元，第二级成本约812.4万美元。 按现代航天发射和卡纳维拉尔角场地租用费用推算，单次发射的指挥、测控等成本共计为1242万美元。 第一级火箭成功回收后，其检测维修费用约为295万美元。 第二次发射复用第一次发射的第一级火箭，可平摊成本约1767.1万美元。 在其他成本和利润率保持不变的前提下，发射报价可以降到4573.9万美元，比起按现有技术条件下的一次性发射的方式要低26.7%。 也就是说，如果对“二手”火箭的检测维修成本控制在295万美元，第二次发射的发射报价就可以打八折了。 按照这样的算法，我们会发现：如果第一级重复使用8次，其报价就可以降到一次性使用火箭的一半了。 由上可知，发展可重复使用火箭能够显著降低单次发射成本，使商业航天公司能够向用户开出一个极具吸引力的报价。 那么，当年航天飞机没做到的事情，“猎鹰”9号为何能做到呢？ 航天飞机的系统过于复杂，成本和技术均无法被控制在一个可得到广泛接受的水平。 而“猎鹰”9号采用了传统火箭和飞船的设计，结构比较简单，相较航天飞机，可靠性强、成本容易控制。并且，它采取了循序渐进的解决方案——先掌握第一级火箭的重复使用技术，然后回收整流罩，最后再尝试回收第二级火箭——并没有在一开始就强调整体重复利用，因此降低了风险。 另外，SpaceX公司接到了NASA（美国宇航局）的货运大订单，这个计划在商业上也是行得通的。 当然，火箭是不可能永远重复使用下去的。 如果按照上述方式继续计算下去，我们会发现，在第14次重复使用的火箭发射中，检测维护成本已经非常接近第一级火箭的残余价值。更何况，随着一级火箭使用次数的增加，其可靠性会逐渐下降，当突破某个临界值的时候，维修就失去了意义，只得报废。 按照目前的技术状态，综合考虑检测维修费用和可靠性，笔者认为，在大修前的使用次数尽量不要超过10次。 正在厂房中组装的猎鹰九号火箭(图片来源：spaceX官网) |
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