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SpaceX的火箭回收技术是否真能降低 99%发射成本?

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,更多的是技术本身的意义和扩展潜力。

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。

SpaceX的火箭回收技术是否真能降低 99%发射成本?

航天飞机

SpaceX的火箭回收技术是否真能降低 99%发射成本?

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,例如著名的火星探测、深空的旅行者计划,所以重复不见得便宜。不过目前SpaceX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-71两款著名的飞机作为例子,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。

SpaceX的火箭回收技术是否真能降低 99%发射成本?

B2轰炸机

SpaceX的火箭回收技术是否真能降低 99%发射成本?

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。

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。中国长征三号系列性价比较高,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3-5倍。

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,火箭回收技术目前仅此一家。

b.SpaceX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SpaceX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,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。

前面说了,咱们的价格,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。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。

从这个角度讲,一枚新的猎鹰都不算贵,更何况多次回收更加便宜。

我国火箭最大的瓶颈是推送能力,在长征五号完全成功之前最大低轨(小于1000 KM)推送能力依然不如猎鹰-9。在SpaceX成功试射了猎鹰重型火箭后进一步差距拉大,它的低轨运载能力在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SpaceX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。

下面额外解读一些关于猎鹰九号的问题:

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?

SpaceX的火箭回收技术是否真能降低 99%发射成本?

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. 失败的火箭发射,一旦轨迹出了问题往地面打去就是一枚洲际导弹,落到城市自然影响力不必多说。所以世界各国的发射场有基本的规定,尽力回避人类聚集区。而对于NASA这种用了很多海边发射场(比如卡纳尔维拉尔角)的,火箭的轨迹是严格不许进入大陆区域的,只能往海面发射(这也回答了下面有人问关于为什么不落到沙漠的)。下图是个典型的案例,对于一个靠海的发射场,轨迹的选择。

SpaceX的火箭回收技术是否真能降低 99%发射成本?

c. 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。

d. 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,为什么要垂直回收?

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、火箭迅速沉入海底,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。

有了推进剂交叉输送技术之后是不是可以制造笋式火箭了?

从理论上讲,如果能尽快的抛掉多余的重量(壳体)部分,对于提高火箭的最终输送能力是直接有帮助的。但也不仅仅是一个推进剂技术能解决的,还有很多火箭制造技术和系统安全工程等问题,不可否认,是一个需要全面研究才能真正执行的大系统。

为什么不能在上面加一个降落伞来减速?

使用降落伞回收会非常受大气影响,导致火箭的降落地点不能固定下来。而海上平台虽然可以移动,但至少在执行某次任务的时候,它相对于火箭是个固定的点,任务开始前已经固定在海上了,所以当天的气象情况很容易干扰降落伞。另外,降落伞在某些阶段也必须扔掉(载人飞船落地后降落伞也必须自动脱落,否则飞船就给带着到处跑了),否则会在最后阶段有极大干扰。所以最后还是需要发动机工作来减速。综合下来,不如完全不用,只依赖发动机工作。

SpaceX的火箭回收技术是否真能降低 99%发射成本?

航天飞机的固体助推器也是可以回收的 为啥降落伞减速加直接落海里都可以 猎鹰要用这么复杂的方法回收?

回收的最有意义的其实是火箭发动机,极其昂贵,并非一些不太重要的结构。比如战斗机一般都会挂着副油箱起飞,战斗前不管是否里面有油都会强行抛掉,主要是副油箱和里面的油真心不值钱。所以SpaceX也是主要回收下面这一级和里面的火箭,其他的也不关注了。

来源: 太空精酿

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