SpaceX幹嘛吃的?

9月16日,微博大佬“PhilLeafSpace”釋出了一條博文稱,長征火箭發射價格較獵鷹9有一定優勢或相當,其資料來源是期刊《AeroSpace China》2022年第8期上的一篇稿件,標題是《國內外運載火箭發射服務價格分析啟示》,給出了中國長征系列火箭的成本與多個國家以及企業的同類型火箭相比,具有相當的優勢。

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這個引發了大討論,有朋友認為中國的火箭果然非常具有競爭力,也有朋友認為中國的火箭成本與國外的報價相比,這算是哪門子對比呢?兩者的標準就不一致!真相究竟如何呢?

專業分析:長征火箭發射價格較獵鷹9有一定優勢或相當

這篇分析文章來自中國航天科技集團有限公司的喬夏君、商顯揚、羅恆和馬昆,內容有如下幾個關鍵,一個是低軌道任務分析,另一個是高軌道任務分析:

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低軌任務中長征火箭可以秒殺大部分任務,但獵鷹”9火箭為兩級串聯全液氧煤油火箭,二級發動機推力較大的優勢可以得到發揮,非常適用於低軌發射任務,而我國第三代火箭末級發動機推力較低,執行低軌任務在價效比上略低於“獵鷹”9運載火箭。

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高軌任務中長征系列全部優於國外火箭,只有獵鷹9火箭可以和長征系列競爭,但由於獵鷹的煤油火箭在高軌任務中比衝不如長征系列的氫氧機大,因此優勢不如長征系列火箭。

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結論,中國長征火箭與國外的火箭相比,低軌只有SpaceX的獵鷹9可以超越長征火箭,高軌則基本完勝,看到這裡大家都是相當興奮,因為大家都知道,SpaceX的獵鷹火箭已經實現了多次回收重複使用,比如在9月11日的星鏈G4-2任務中,成功發射34顆星鏈衛星和bluewalker-3移動端直連衛星通訊測試衛星,B1058號一級首次重複使用14次。

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如此高的重複利用率,SpaceX居然還比不上中國的長征火箭,圍觀群眾幾乎就是相當驚訝,為何SpaceX的成本控制居然如此之差,網友們發出了良心之問:SpaceX到底是幹什麼吃的?

SpaceX的回收技術,真那麼不堪嗎?

我們先來了解下,SpaceX的回收過程到底是怎麼樣的,獵鷹9火箭是SpaceX商業衛星發射的主力,目前在役的獵鷹9號 Block 5,兩級入軌,其中一級火箭因為有9個發動機而得名獵鷹9號運載火箭。

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如果不回收一級火箭,獵鷹九號的LEO運載能力是22。8噸,不過如果回收的話,其運載能力會下降到15。6噸,兩者相差為6。6噸,而SpaceX的報價中,全新的火箭為6200萬美元,如果是二手則為5000萬美元,兩者報價相差1200萬美元。

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假如以損失的運力6。6噸、再以5萬元/千克計算,大約損失3300萬人民幣,摺合美元473萬,大約只有總報價的8%左右,而且在二次發射的報價上低了1200萬美元,這表示以不到500萬美元的價值換回了1200萬的一級火箭,似乎很划算。

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正在張開腿準備著陸地面

不過獵鷹9號火箭是一級火箭回收的,二級火箭不回收,因為一級火箭分離時高度大約60~70千米,此時還可以回收,從這裡飛到分離下方不遠處的船隻時大約需要6分多鐘,之後二級火箭再將載荷送入軌道,與載荷分離時一級火箭已經處在200千米的高度,速度基本就是第一宇宙速度。

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獵鷹九的一級火箭與回收支撐腿

此時如果要回收的話就得減速再入,它還會經歷一個黑障過程,這是穿越大氣層時的高超音速激波加熱導致高溫,二級火箭根本就無法防護,獵鷹9號的二級是不回收的,基本會在大氣層內燒燬。

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SpaceX的獵鷹9回收過程

火箭發射的成本構成

運載火箭的成本主要包括火箭成本、發射成本、測控成本及發射保險成本等,以SpaceX獵鷹9號運載火箭為例,在發射成本中火箭的成本佔比約為53%,因此降低火箭成本可大幅降低火箭發射成本。

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獵鷹9號火箭的一級發動機為9臺默林1D+液氧煤油發動機,二級為1臺默林真空1D+,按發動機來對比,一級火箭幾乎佔了90%,假如按結構算,二級火箭也比一級火箭成本要低得多,因此二級火箭的結構成本要遠低於一級。

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那麼根據上文的比例來計算下,全新發射6200萬美元,火箭成本在3300萬美元左右,而上文中一級回收版發射的折扣1200萬美元,這表示回收至少價值至少是高於1200萬的,也就是說回收價值已經超過了36%。

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另外火箭回收後還要檢修、更換不必要的零件等,這些成本也包含在了回收價值在內,因此據筆者估計,這次回收可能會超過50%甚至更高,因為按火箭結構比例,像獵鷹之類的一二級佔比如此懸殊的,一級可能在60%~70%,也就是這次回收至少值2000萬美元。

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其他的發射成本、測控成本及發射保險成本是每次都必須的,這些與是否回收無關,簡單地所回收價值大約能佔整體一次性發射成本的1/3,這個無疑是非常可觀的,筆者很難相信回收了N次的火箭再次發射時成本與同類一次性火箭差不多這個說法。

質疑的聲音:確實可以理解

對此表示懷疑的不止筆者一個,微博科學科普大佬“萌虎鯨”也表示懷疑,他的博文是怎樣寫的:

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儘管筆者並不完全認同“萌虎鯨”的意見,但對他提出的質疑還是表示認可的,因為在這份資料中確實存在不少問題:

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在《AeroSpace China》的2022年8月刊上的文章中只有國外火箭的報價,卻沒有我國火箭發射的具體成本卻沒有展示,假如作為內部報告也問題不大,但如果要以論文的方式發表在公開的學術期刊上,對關心瞭解航天事業的朋友或者行業參考來說,說服力還是不太夠。

我國已經開始回收火箭發動機技術研究

儘管官方檔案給出了我國的長征火箭和SpaceX差不多的價格,但我們依然在發展火箭回收技術,2022年9月13日,

西安航天動力研究所的官方公號中釋出了“

液氧煤油發動機重複使用技術進入實戰階段

”的文章:

近日,由西安航天動力研究所自主研製的某型液氧煤油發動機首次實現重複飛行試驗驗證。該型發動機作為某飛行器主動力裝置參加首飛試驗後,經檢測維護,再次裝配並順利完成了重複飛行試驗,國內首次實現了液體火箭動力的重複使用。

火箭發動機要回收:有幾個要求?

火箭回收就是飛出去又飛回來,需要多個技術支援,一般來說大約有如下幾個關鍵技術:

1、發動機多次點火技術;

2、大範圍變推力技術要求;

3、力、熱防護技術

4、重複使用狀態評估技術

5、重複使用檢測維護技術

從起飛到返回,會經歷一二級分離關機,到姿控、再到返回減速等至少須2次點火,最多可能會達到3次,因此多次點火技術這一關必須要過。不過對於我國這樣的航天大國,重複點火只是小菜一碟。

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另外就是大範圍變推力要求,一級火箭起飛時運送的數百噸甚至更高的載荷(自身全重),返回時幾乎就是一個空殼,因此推力過度非常關鍵,必須要連續可調直至軟著陸。

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另外就是返回過程中的

的氣動力載荷條件、噴口反流熱流等惡劣條件(火箭下落減速時火焰會被氣流反衝甚至衝入發動機位置),這個是必須要從設計層面上解決。

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最後就是技術狀態評估與檢測了,回收火箭是否可以使用,評估就是關鍵,有能力鑑定出飛回來的火箭還能不能再用,或者只能報廢等是需要該項技術做出決定的。

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在這幾個單項技術中我國其實早已具備,但整合到一枚火箭中似乎還有所欠缺,因此還需要一些試驗讓這個技術逐漸成熟最終達到回收火箭是實用化。

中國火箭回收方式:超越SpaceX不是空想!

2022年2月24日,中國航天科技集團公眾號釋出了一篇標題為《還能這樣回收?新一代載人火箭方案有新意!》的文章,披露了一種目前正在測試中回收技術,這要比SpaceX的回收技術更優秀,而且在強橫風下回收成功率更高。

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其迥異於SpaceX的是我國採用的是網系回收?其特點是一個網狀結構,只要火箭回到一個大約50米 x 50米的範圍,即可被自動收緊鋼繩兜住,而且繫留位置是在一級火箭的頂部,這種方式不怕著陸時的強橫風,也不怕著陸時因為垂直姿態不標準而傾倒,回收的姿態寬容度相當高。

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唯一的缺點是必須建一個網系回收的著陸場,但從上述的動圖來看,這個回收設施比起SpaceX因為偶爾的失誤而失敗的比例來看,其價效比要高得多。因此筆者基本認為,這種回收技術對火箭的著陸技術要去更低,回收成功率也將更高,期待這一技術的實用化。(完)

參考:

https://posts。careerengine。us/p/632474ea868acc6c71267d60?from=latest-posts-panel&type=title