江苏深蓝航天有限公司百米级垂直回收试验火箭回收成功

一提到火箭回收,首先想到的就是 SpaceX 开发的猎鹰 9 号火箭。作为火箭回收行业的“领头羊”,2016年4月9日,它尝试了难度极高的海上垂直回收任务,一级火箭稳稳降落在名为“我依然爱你”的海上平台上,完成了历史性突破。

对于猎鹰 9 号火箭在海上的成功回收,SpaceX 创始人兼首席执行官埃隆·马斯克表示:“这是向天空迈出的又一步。”美国商业航天飞行协会发表声明称,使用的快速且可重复的火箭是未来更经济可行的航天飞行的关键,而猎鹰 9 号火箭的成功回收是该领域的“一大步”。

猎鹰九号火箭的成功回收也深刻影响了我国的航天企业。大家都瞄准了火箭回收技术,试图实现火箭的“降本增效”。

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江苏神兰航天有限公司100米垂直回收试验。

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为什么要火箭回收?

我国航天企业致力于火箭回收,这与其各种价值观有关,其中最直观的就是可以大大降低火箭发射成本。

发动机是火箭最有价值的部分。据了解,在火箭研制成本中,发动机成本往往占到一半以上。通过火箭回收,发动机可以重复使用,成本自然降低。

同时,火箭的投送能力也将进一步提升——过去火箭需要重建,而现在只需要修复回收的火箭,然后再添加一个新的子-阶段继续任务。

火箭回收的社会效益也将显着提高。就我国目前的航天发射任务而言,除文昌航天发射场外,其他三个发射中心在执行任务时都需要提前疏散火箭着陆区居民。

近年来,随着社会经济的发展,无人区越来越少,选择火箭着陆区的难度越来越大。火箭回收后,副级可以准确降落在预定区域,火箭碎片对降落区域的安全威胁自然会消除。

另外,探索火箭回收再利用这一新技术的研发和应用,必然会带动产业链上下游的共同发展,这不仅符合我国航天的要求技术和产品赶超时代,也符合刺激内循环主题下产业发展的内生要求。

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火箭回收真的能降低成本吗?

火箭回收有很多优势,比如创新优势、产能优势、综合验证优势,还有一个有待验证的优势:火箭回收真的能降低成本吗?

关于这个问题有很多讨论。俄罗斯 GK 发射服务公司质疑猎鹰 6200 万美元的价格,因为 NASA 通过国际空间站货运合同向 SpaceX 提供了超过 70 亿美元的资金,而国内市场有“锚”客户,他们通过这个大客户,以及上次报告的 6200 万美元的火箭发射服务是典型的倾销。

那么,回收能赚钱吗? Falcon 是否因为回收而更便宜?

作者的回答是:回收肯定能赚钱,但有前提;其次,猎鹰便宜,回收是原因之一,但还有几个更重要的原因。

为简化计算,回收所增加的硬件成本(包括腿、格栅翼、回收电器等)不单独计算,已按次摊销,计入30%的再利用价中。

假设火箭的可回收部分占硬件成本x,这部分的重复使用价格是原价的30%(不确定,这里是GK发射服务公司计算的),携带回收后容量减少y,则回收后单价与回收前单价之比为

(0.3x+(1-x))/(1-y)=(1-0.7x)/(1-y)

对于减少20%-40%的承载能力,回收后的单价与回收前的单价之比可绘制如下图。

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图回收后与回收前的单价比率

从图中可以看出:

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容量损失越大,恢复收益越低;可回收部分的成本越小,回收收益越低;

当产能损失30%时,成本中可收回部分必须占42%以上才能实现收益;

当可回收部分成本占70%,回收能力损失20%-40%时,单价在不可回收状态的60%-90%之间。

这里的重要变量是产能损失和可收回成本的百分比。

为了简化分析,可以假设发动机在各级数量上均摊,结构在各个层级按数量均摊(火箭中材料成本占比较低) ,而电气系统(不含回收)和整流罩的价格基本处于较高水平。

对于猎鹰9的类似配置,如果发动机价格相当于35,电气系统相当于25,整流罩相当于5,结构相当于35,价格一级可恢复部分的比例为(9/10*35+35/2)/(35+25+5+35)=49%,当容量损失30%时,回收只能享受 4% 的折扣。

对于猎鹰 9 号,电气系统使用了大量通用技术。假设电当量降为5,一级可回收部分的价格比为(9/10*35+35/2)/(35+5+5+35)= 61.25%,容量损失30%时中国有可回收式火箭吗,火箭单价可优惠12%;整流罩进一步回收时,回收部分价格将占67.5%,此时火箭的单价可以优惠25%。

如果猎鹰9是三级火箭,即使电费便宜,一级价格的比例仍然是(9/11*35+35/3)/(35+5+ 5+35) =50.38%,回收折扣还是不大。

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注:为简化计算,不包括回收的附加硬件成本(包括支腿、格栅翼、回收电器等),已由多次回收分摊,并反映在30%的再利用价格中。

上一次计算中有很多假设和人为设定的参数,分析结果存在偏差,但笔者认为相关结论还是适用的,即猎鹰火箭回收确实可以降低成本,但如果成本需要大大降低,需要回收。价格越大越好。目前猎鹰采用的是两级火箭状态,电气系统成本占比较小,利于回收利用。

那么,只要按照猎鹰状态配置其他火箭,我们就可以利用回收来大大降低成本,达到赚钱的目的吗?

猎鹰便宜,回收是原因之一中国有可回收式火箭吗,但还有几个更重要的原因:

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模块化和组合式设计广泛采用,油箱形式和发动机统一,大大降低了开发成本和生产线成本;

通用化设计应用广泛,电气系统采用工商业电子元器件。冗余设计满足可靠性,大大降低成本;

管理成本低。公司多年来一直保持100人的规模。 2012年,它扩大到1000人。目前,它只有6000人。已完成发动机、火箭、航天器等研制和数百次发射;

火箭的运载能力大,降低了每公斤的单价。统计国内外多个型号的运载能力和单价,并进行曲线拟合,得出火箭运载能力大一倍,每公斤单价优惠20%。

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运载火箭单价与运载能力的关系

相比猎鹰 1 号和猎鹰 9 号,猎鹰 1 号的容量为 470 公斤,售价为 670 万美元。如果猎鹰9号的单价与此一致,那么容量22.8吨的报价将达到3.25亿美元。如果考虑增加承载能力,可以获得折扣(0.8^log2(22.8/0.47))=0. 2866,那么报价是 9300 万美元,接近不可回收状态下猎鹰 9 号的 9000 万美元报价。

大容量带来三个好处:

较大型火箭的单价降低。火箭越大,油箱和发动机就越大,但单价会更低。就像一个 100 立方米的坦克当然比两个 50 立方米的坦克便宜,一个 90 吨的发动机也比三个 30 吨的发动机便宜。

只有大火箭才能稀释固定成本比。火箭上有一些固定成本的硬件,例如电气系统。无论是大型火箭还是小型火箭,电气系统的价格基本相同。它占火箭的20%,而1亿元的中型火箭只占6%。

只有大型火箭才有回报的容量余量。假设一颗容量为 500 公斤的卫星和一颗容量为 1 吨的中型火箭可以击中 2 颗卫星。即使一颗卫星的容量是700公斤,也只能击中1颗卫星。由于分母的不连续性,价格优势发生了颠覆性的变化。猎鹰的容量达到22.8吨,返航状态下可以击中60颗卫星,价格不会因为1颗或2颗卫星的差异而发生剧烈变化。

综上所述,回收火箭确实会更便宜,但这并不意味着有回收能力的火箭比没有回收的火箭便宜。这还涉及火箭的尺寸,火箭可回收部分的成本比例,以及设计和生产情况。

由于上述原因,火箭的大小是最重要的变量。以 SpaceX 自己的猎鹰 1 号和猎鹰 9 号为例,火箭尺寸带来的折扣是 30%,而回收只能带来 60-30% 的折扣。要达到10万元/公斤的行业主流水平,1吨火箭是一个平衡值。

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回收火箭的方法有哪些?

火箭回收的价值是显而易见的,那么具体有哪些途径呢?

首先,降落伞回收似乎是最简单的,也是许多国家尝试过的。

和名字一样,就是在要回收的火箭副级上安装一个“降落伞”。分阶段完成任务后,会被“降落伞”拉回地面。

降落伞回收的优点是占用发射载荷小,技术难度低,成功率高。特别是可以减少对地面人员和设施的伤害。此前我国长征三号乙火箭曾做过助推器回收试验,试验效果良好。

还有在火箭上安装网格方向舵来控制降落区的回收。我国曾用装备格栅舵的长征二号丙火箭对火箭残骸进行了可控坠落技术试验,最终取得了良好的效果。

虽然上述两种回收方式对地面人员和设施的危害较小,但火箭着陆后发动机也会报废,离我们想要的“回收”还差得很远。

最后,猎鹰 9 号火箭完成了垂直回收。

垂直回收方式虽然不错,但也有一定的弊端。为了让火箭顺利返回,必须预留一定量的推进剂,这会导致火箭失去很多运载能力。据报道,猎鹰九号火箭的运载能力将因回收而损失40%以上。

如果比较三种回收方式,经济价值最高的一定是垂直回收。

4

我国在火箭回收方面做了哪些工作?

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除了上面提到的降落伞回收和网格方向舵控制降落区,我国在火箭垂直回收方面做了很多尝试。

2020年12月22日,我国新一代运载火箭长征八号在中国文昌航天发射场首飞,为我国未来中低轨卫星发射的迫切需求提供了新的解决方案。

据航天科技集团长霸火箭总设计师宋正宇介绍,长霸火箭是在项目之初根据不同发射需求设计的一款两速配置的智能火箭。它拥有“可重复使用技术”等独特技能,是我国未来商业航天发射服务的主力军。

长霸火箭研制团队围绕火箭第一级回收进行了大量技术尝试,瞄准垂直起降,逐步进行火箭回收。

据了解,长八火箭已在着陆缓冲机构、低空低速返航段制导、自主控制等回收技术领域进行了试验,将进一步攻克中国航天关键回收技术。未来。

我国民营商业航天公司也围绕火箭垂直回收做了大量工作。

2021年7月,江苏神兰航天有限公司完成了首次10米垂直起降自由飞行,即“蚱蜢跳跃”运载火箭垂直回收飞行试验。 10月13日,公司完成了100米水平垂直恢复试验,在航天界引发热议。

实现火箭垂直回收有两大难点。一是发动机推力可调,可重复使用,二是控制系统准确。深蓝航天CEO霍亮介绍,2019年以来,公司在这两方面的工程技术上不断取得突破和积累。

在发动机技术方面,公司率先将针头喷射技术应用于低温无毒推进剂,这也是美国猎鹰九号火箭使用的“梅林”发动机采用的技术方向,实现了推力调整平稳,工作稳定。同时,公司还开发了经过工程验证的50kN针头螺栓发动机,已反复使用10次以上。 Rutherford”引擎使用相同的技术机制。

在回收控制系统方面,深蓝航天在现有基础上继续深入探索和工程实践,解决了一些具体的工程问题。例如,发动机的响应特性和垂直下落过程的动态测量误差。

深蓝航天投资副总裁舒浩然表示,公司今年将进行1公里、10公里级火箭垂直回收试验验证,成功将推动我国火箭垂直回收进入新阶段。

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SpaceX探索火箭回收的道路是曲折的,这也告诉中国航天,探索新技术,必须在人力、物力和财力上下功夫,才能真正实现颠覆性突破。

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