就在上周末，美國太空探索公司（SpaceX）又一次吸引了全球關(guān)注航空航天技術(shù)發(fā)展的人的注意：在48小時內(nèi)，兩枚獵鷹9號火箭分別在美國東西海岸發(fā)射了保加利亞首顆通信衛(wèi)星和銥星公司（Iridium）的10顆衛(wèi)星后，兩枚火箭的第一級分別在海上移動平臺上實現(xiàn)了回收。一家怎樣的公司，一枚怎樣的火箭 SpaceX，太空探索技術(shù)公司，是美國一家航空航天業(yè)制造商和太空運輸服務(wù)公司，總部位于美國加利福尼亞州霍桑。SpaceX由特斯拉汽車CEO、前PayPal企業(yè)家伊隆·馬斯克于2002年創(chuàng)辦，目標(biāo)是研發(fā)降低太空運輸成本，并最終使人類移居火星成為可能。 獵鷹9-1.1全推力型火箭全長70米，直徑3.7米，起飛推力7607千牛，起飛重量549噸。獵鷹9號火箭的設(shè)計思路很明確：大量通用器件的應(yīng)用縮短了研發(fā)周期和運營成本。 獵鷹9號是兩級火箭。第一級和第二級都采用默林1D發(fā)動機(jī)。第一級采用9臺默林1D發(fā)動機(jī)，第二級為1臺加大噴管擴(kuò)張比的默林1D真空型發(fā)動機(jī)。也就是說，整枚火箭的主發(fā)動機(jī)用的是一個型號。這種發(fā)動機(jī)通用的設(shè)計理念極大地簡化了火箭對發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的需求。作為后起之秀的SpaceX公司來說，采用了在阿麗亞娜系列、東風(fēng)-長征系列得到過驗證的發(fā)動機(jī)通用理念的做法是很明智的。 默林采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，使用RP-1煤油和液氧作為推進(jìn)劑。該發(fā)動機(jī)是美國在進(jìn)入21世紀(jì)后，從頭開始研制的少有的火箭發(fā)動機(jī)之一（其實能夠排的上號的就兩個，第一要數(shù)洛克達(dá)因RS-68液氫液氧發(fā)動機(jī)，第二就是默林1D發(fā)動機(jī)了）。默林發(fā)動機(jī)使用了早期在阿波羅計劃里的登陸艙發(fā)動機(jī)上所使用的喉栓式噴嘴。推進(jìn)劑通過一個渦輪泵輸出，進(jìn)入燃燒室。同時，渦輪泵也提供高壓液體驅(qū)動液壓控制器，之后進(jìn)入低壓燃料入口。這樣排除了對獨立的液壓動力系統(tǒng)的依賴，這意味著不會出現(xiàn)由于液壓耗盡而失去對推力方向控制的情況。為什么要發(fā)展可重復(fù)使用技術(shù)原因可以總結(jié)為一個詞：成本。不妨和小火箭一起對火箭發(fā)射成本進(jìn)行核算，來發(fā)現(xiàn)可重復(fù)使用火箭能夠節(jié)省多少發(fā)射成本吧。目前，可回收火箭使用的燃料為液氧和RP-1航空煤油。取近幾年和可預(yù)見的短期價格的平均值，液氧的價格折算為人民幣，約為1256元/立方米，或者按重量算的話，在1090元至1200元每噸之間。煤油的價格則在7000元/噸左右。（按極限條件，哪怕按8000元/噸來說也行）。而偏二甲肼每噸的價格在8萬元左右，四氧化二氮的價格也近2萬元/噸。總體來說，按運載能力和彈道反推的話，采用液氧煤油作為燃料的火箭的燃料成本約為采用常溫有毒燃料火箭成本的1/30。而如果拿煤油和液氫來比的話，那更會是1/100的量級了。而實際上，咱們甚至不用過于糾結(jié)于燃料的具體單價。因為燃料成本在火箭發(fā)射總成本中的占比實在是太小了。（火箭燃料在重量上雖然占火箭的90%以上，但成本基本上不到火箭發(fā)射總成本的1%，而SpaceX曾經(jīng)在核算的時候，給出了0.4%的占比。）也就是說，咱們?nèi)コ匈I了些吃的蘋果，花了將近100元，然后在收銀臺買了一個4角錢的塑料袋。火箭燃料成本占發(fā)射成本的比例就相當(dāng)于這個塑料袋與整袋蘋果的比例。 按照小火箭的工程經(jīng)驗和歷史數(shù)據(jù)，基本上火箭本身的成本占發(fā)射總報價的70%。另外的20%要給測控的弟兄們。而對于一枚二級火箭來說，如果大家接受小火箭之前的設(shè)計和計算的話，會按照4.35:1的比例來分配二級運載火箭第一級和第二級的成本。（具體為什么這樣算，爭取以后單獨寫一個成本核算系列來解釋。）好，本著SpaceX每次發(fā)射都保守掙10%的原則，按照其多次發(fā)射報價的平均值反推，獵鷹9號火箭（已經(jīng)把保險相關(guān)費用算進(jìn)去了）：第一級的成本應(yīng)該為3534.2萬美元，第二級的成本應(yīng)為812.4萬美元。按現(xiàn)代航天發(fā)射和卡納維拉爾角場地租用的費用推算，單次發(fā)射的指揮、測控的成本為：1242萬美元。利潤，咱們按報價的10%來保守計算，取621萬美元。好了，那么問題來了，每次回收后的檢測、維護(hù)保養(yǎng)可都是要有費用的。暫且將其設(shè)為X萬美元。問：假如SpaceX公司要實現(xiàn)重復(fù)使用2次火箭，可將第2次發(fā)射的報價降低20%（打八折）的話，每次回收后的檢測、維護(hù)保養(yǎng)費用應(yīng)該控制在多少錢以內(nèi)？小火箭在這里和大家一起計算一下：第一次發(fā)射，全新的火箭，第一級的成本為3534.2萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，給測控的弟兄們1242萬美元，利潤為621萬美元。報價就是6209.6萬美元。第二次發(fā)射，成功回收了第一級，第一級的成本要和第一次發(fā)射的攤平，為3534.2萬美元的一半（注意，這里不能按0計算，而是要用類似折舊的算法了），也就是1767.1萬美元。第二級得新造一個，也就是還是812.4萬美元，給測控的弟兄們還得有1242萬美元。加上X萬美元的檢測維修第一級火箭的費用，第二次發(fā)射的總成本為（3821.5+X）萬美元。鎖定10%利潤的話，報價為（3821.5+X）/0.9萬美元。那么，用（3821.5+X）/0.9=80%*6209.6，就可以求出：X=649.4萬美元。也就是說，按照小火箭的估算，如果獵鷹9號可回收火箭只能回收第一級，而且只重復(fù)用了1次的話，只要回收后的維護(hù)保養(yǎng)費用控制在649.4萬美元以內(nèi)，第二次發(fā)射的報價就能打八折。而我們不妨認(rèn)為SpaceX公司對回收后的第一級火箭進(jìn)行檢測和維修的總費用為295萬美元。這是基于現(xiàn)有技術(shù)條件下的比較樂觀的估計。由此可見，火箭回收以后，第2次發(fā)射打8折是非常可行的。目前的可重復(fù)使用技術(shù)如何實現(xiàn)要想讓火箭實現(xiàn)發(fā)射后的可回收軟著陸，至少要攻克兩個技術(shù)要點：一是可在較大范圍調(diào)節(jié)推力大小的火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)；二是再入段多約束制導(dǎo)控制技術(shù)。 獵鷹9號火箭的第一級在與第二級分離后，用3臺發(fā)動機(jī)完成了程序轉(zhuǎn)彎的過程。在太空中利用姿態(tài)控制火箭使箭體旋轉(zhuǎn)180°，令第一級的9臺主發(fā)動機(jī)朝向地面，進(jìn)行“BoostbackBurn”減速。具體的彈道，詳見小火箭的計算： 另外，在多約束制導(dǎo)中，對于火箭的位置和姿態(tài)的精準(zhǔn)控制是火箭回收的關(guān)鍵。而獵鷹9號火箭采用的柵格翼就是用來增強(qiáng)火箭第一級在回收過程中的姿態(tài)控制能力的。 這是小火箭對獵鷹9號火箭柵格翼的流場計算： 以下視頻是小火箭對獵鷹9號火箭柵格翼的計算結(jié)果：https://v.qq.com/x/page/z0178cdikl3.html發(fā)展可重復(fù)使用的火箭不應(yīng)當(dāng)也不會是美國SpaceX公司和藍(lán)色起源公司等少數(shù)幾家公司所追求的目標(biāo)。作為擁有成熟發(fā)射體系和高可靠性火箭系列的航天大國，中國也在做相關(guān)的努力和嘗試。我國對火箭助推器的傘降回收和傘翼滑翔回收的研究可追溯到SpaceX公司成立之前。對帶有滑翔翼傘的可定點回收助推器的研制已進(jìn)入樣機(jī)驗證階段。而另外一種結(jié)合了降落傘和氣囊的回收方案則已做過高空熱氣球投放試驗。對于類似“獵鷹”9號火箭第一級的回收技術(shù)，也將進(jìn)行相關(guān)設(shè)計和試驗。而這個方案，需要對可大幅度調(diào)節(jié)推力并可多次啟動的液體火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)、帶有多種約束的再入飛行器制導(dǎo)控制技術(shù)、回收飛行器與著陸場的適配方案、火箭下降段的燃料可靠與優(yōu)化供應(yīng)技術(shù)等進(jìn)行研究。作者簡介：邢強(qiáng)博士，美國航空航天學(xué)會會員，小火箭彈道優(yōu)化工作室與小火箭公眾號創(chuàng)始人。本文：由科普中國和企鵝科學(xué)聯(lián)合出品，轉(zhuǎn)載請注明出處。

SpaceX邁向可重復(fù)使用火箭新時代

圖文簡介

十天內(nèi)三次發(fā)射！這就是SpaceX