自从1957年苏联把人类第一颗卫星“斯普特尼克”送上天以来,人类就开始了用火箭运送各种卫星、宇航员、设备、甚至小动物上太空的历史,经典流程是这样的:火箭从地球出发,飞行几分钟,达到了预定的高度,把货物丢在太空,然后潇洒地掉进大海里“牺牲”自己。
这种模式在航天发展初期其实还行,毕竟那个时候大家只求“上天”,根本没时间想回来,但随着航天任务越来越频繁,人类面临的课题已经由“如何进入空间站”转到“如何低成本进入空间站”。
火箭本身属于运输工具,运输工具要求满足“可大规模运输”、“低成本”、“可靠性强”,往可重复使用方向发展,也是为了让其回归运输本质,钱学森在1962年写的《星际航行概论》中就已经提到火箭可重复使用的必要性。
钱学森在1962年写的《星际航行概论》中就已经提到火箭可重复使用的必要性。
低成本发射的需求
经常发射火箭的小伙伴都知道,火箭的成本由研发、制造、燃料、发射场、等其他组成,其中研发成本占大头,如果火箭可以回收重复使用,研发成本就可以分摊到每次的发射任务。
众所周知,火箭由三个部分组成:推进剂、发动机、壳体、载荷,发动机和壳体的占整体费用的大头,推进剂只占很小一部分,重复发射可以将壳体和发动机的费用分摊到每次的发射任务。
阿丽亚娜5
以欧洲的主力火箭—阿丽亚娜5为例,推力部分由两级液体火箭加两个火箭助推器组成。
第一级消耗132,270公斤液氧和25,840公斤液氢;目前液氢市场为6.1美元/公斤,液氧的价格为0.27美元/公斤,推进剂花费大约19.3万美元。
第二级消耗约12,220公斤液氧和2,380公斤液氢;耗资约1.8万美元。
两个固体火箭推进器用的是复合推进剂,主要包括过氯酸铵、铝粉、粘合剂,总重47.5万公斤,耗资约475万美元。
所以,整个推进剂的成本约为500万美元,而阿丽亚娜5号的官方给的发射成本为1.65亿~2亿美元,因此推进剂最高占整体成本的3.03%。
如果觉得没有代表性,再举一个例子。
根据Space-X披露的,一枚“猎鹰9”的第一级和第二级总共需要的推进剂是312,200公斤的液氧加186,006公斤的煤油,按照市场价,液氧的价格为0.27美元/公斤,RP-1的价格为2.3美元/公斤,所以发射一次推进剂仅仅需要51.2万美元,而发射一枚全新的“猎鹰9”官方给出的报价是6200万美元,所以推进剂仅占总成本的0.83%。
一枚猎鹰9的推进剂仅占总成本的0.83%
二缩短发射周期
未来的航天市场越来越火爆,但个头和单价在那放着,不可能像富士康的水流线一样6秒生产一台手机,实际上,生产一枚全新火箭,从生产零件齐套、装配、装调、验收交付,平均时间是半年,而猎鹰-9平均周转时间(从一次发射回收后到再次发射的时间)为60天,最短的周转时间仅为21天,这是因为可重复使用运载火箭在经过检查、维护、重新准备后就可以再次使用,马斯克未来的目标是24小时。
马斯克未来的目标是24小时
可以看出来,相比于一次性火箭,采用重复使用运载火箭可以提高发射频率,尤其在应对紧急任务时,重复使用运载火箭更具有优势。
三提前抢占越来越庞大的航天发射市场
2023年全球通过运载火箭向太空投送的货物总计约为1481吨,据《国际宇航科学院出版社》估算,预计到 21世纪中叶,全球进入空间规模需求将超10万吨,超过当前运载能力的两个数量级(没有听错,是两个数量级),市场要求火箭运输稳定可靠的同时,也提出了新的要求,包括研制快、运输快、 测试维护快和发射部署快,减少火箭对发射场地、人员和设备的依赖,如果谁的报价更低、运输更可靠、发射频率更高,谁就能占领更多市场。
四重复使用不仅节约还更安全
火箭残骸砸穿民房事故
历史上发生过很多起火箭残骸坠落伤人事件,例如美国1979年“天空实验室”坠落事件、2013年嫦娥三号火箭残骸砸穿民房事故、2014年印度GSLV-D5火箭事故......如果当时火箭实现了回收,就可以避免类似事件的发生。
五催生新的应用场景和市场需求
一次性运载火箭的研制周期长、发射价格高,世界航天近几年的年均发射次数一般在一百余次,刚刚满足政府、军事需求,民用和商业市场潜力远未得到开发,而人类必将走向太空,可重复使用运载火箭将提供更加经济、快捷、高效的发射服务,促使人类更加频繁地进入和利用空间,促进新型太空经济产业的发展,例如太空旅游、快递运输,还有可能实现卫星的回收等。
9月12日space-x的" 北极星黎明 " 的太空行走任务,任务团队由 4 名美国非职业宇航员组成
我们在上篇文章《一文告诉你火箭垂直回收的难度有多大》提到过要实现火箭回收需要攻克很多技术,这些技术应用到民间领域将会起到连锁反应,产生广泛的经济与技术影响,比如,先进材料、信息通信、先进制造、遥控导航,这也是我国一直努力往火箭回收方向发展的原因。
当初我们错过了大航海时代,也错过了大航海所引发的技术爆发,随后一百多年内我们被西方世界按在地上来回摩擦。
如今,新的航海时代已经到来,必须抓住这次机会,从最新的进度来看,我们在这个领域属于前列,除了美国就是我们,俄罗斯、日本、欧洲、印度都还处于写ppt阶段。
太空资源就在那摆着,谁能先到达那里,谁能大规模投送战略资源,谁才能成为太空霸主,所以将可重复使用火箭比作大航海时代的三桅帆船一点也不为过。
大航海时代的标志物——三桅帆船
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