獵鷹-9運載火箭發(fā)射成本研究

朱雄峰 劉陽 劉鷹 譚云濤 雍子豪 王一杉 崔朋 譚勝

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所）

1 引言

獵鷹-9運載火箭是美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）研制的可重復使用運載火箭，旨在通過火箭一子級的重復使用大幅降低發(fā)射成本。SpaceX公司成立于2002年，2008年正式開始獵鷹-9運載火箭的研制，總研制費用約3億美元。2010年6月成功實施了首次發(fā)射，此后開展嘗試一子級垂直著陸回收，經(jīng)過多次失敗后，于2015年12月成功完成了一子級的陸上垂直著陸回收。2016年4月成功實施了首次海上垂直著陸回收。此后進入常態(tài)化的入軌發(fā)射和一子級重復使用，截至2023年8月已實現(xiàn)一子級最高重復使用16次、一子級累計回收200次的紀錄，后續(xù)將實施17次甚至不設(shè)上限的重復使用探索。值得一提的是，2012年獵鷹-9運載火箭成功發(fā)射了“龍”（Dragon）飛船，是目前世界上首個發(fā)射太空飛船的商業(yè)火箭。獵鷹-9運載火箭是迄今世界上首型實現(xiàn)工程化應(yīng)用的垂直起降重復使用運載火箭，并為世界航天發(fā)射運輸發(fā)展提供創(chuàng)新藍本[1-2]。

獵鷹-9運載火箭是兩級串聯(lián)構(gòu)型液氧煤油運載火箭，一子級長40.9m，直徑3.66m，安裝9臺灰背隼-1D（Merlin-1D）液氧煤油發(fā)動機，單臺發(fā)動機海平面推力845kN，海平面比沖2830m/s；二子級長16m，直徑3.66m，安裝1臺灰背隼-1D真空版液氧煤油發(fā)動機。單次發(fā)射服務(wù)價格6200萬美元（2022年由于通貨膨脹等原因價格增至6700萬美元，考慮到本文遴選的實際訂單均在2022年前，為此，后文如無特別說明均采用6200萬美元來分析）。根據(jù)運載火箭的劃代標準，獵鷹-9運載火箭是典型的第4代運載火箭，而其他國家和地區(qū)（包括中國、俄羅斯、歐盟、日本等）的運載火箭仍停留在第3代或者第2代，相比而言，獵鷹-9運載火箭事實上形成了與對手跨代競爭的局面。特別是其成功實施垂直著陸回收以來，承擔了美國一半以上的發(fā)射任務(wù)，并搶占了世界上絕大多數(shù)的商業(yè)發(fā)射訂單，為此，有必要深入分析其發(fā)射成本，深入探討其成本構(gòu)成，為我國運載火箭研究提供參考或借鑒[3-4]。

2 任務(wù)形勢

發(fā)射頻度

運載火箭的投送能力主要包括發(fā)射頻度和投送質(zhì)量。關(guān)于發(fā)射頻度，通過統(tǒng)計近6年的發(fā)射紀錄（統(tǒng)計時間截至2023年6月，如圖1所示），可以看出2018年以來全球總發(fā)射數(shù)量呈上升趨勢，年發(fā)射數(shù)量從102次到186次不等，但獵鷹-9運載火箭年發(fā)射數(shù)量為11～61次（平均6天1次發(fā)射），發(fā)射數(shù)量占比呈上升趨勢，2022年發(fā)射數(shù)量占比達32.8%，而在2023年5月，其發(fā)射數(shù)量占比已達到45.5%。

圖1 世界年發(fā)射數(shù)量對比獵鷹-9年發(fā)射數(shù)量

其原因一方面是獵鷹-9運載火箭承擔建設(shè)“星鏈”（Starlink）巨型星座發(fā)射任務(wù)，以2022年為例，執(zhí)行“星鏈”發(fā)射任務(wù)33次，僅執(zhí)行“星鏈”發(fā)射任務(wù)次數(shù)就比大部分國家發(fā)射次數(shù)多；另一方面是獵鷹-9運載火箭通過靈活的商業(yè)發(fā)射服務(wù)形式，不僅爭取了大量的商業(yè)中大型衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，同時通過拼車發(fā)射以“一箭上百星”的方式發(fā)射了大量的微小衛(wèi)星，其通過軌道轉(zhuǎn)移器“夏爾巴”（Sherpa）和“可擴展適配器”（ESPA）標準架構(gòu)，可服務(wù)于大量公斤級的微小衛(wèi)星發(fā)射。值得注意的是2022年，獵鷹-9運載火箭年發(fā)射61次，美國共發(fā)射87次；到2023年6月，獵鷹-9運載火箭發(fā)射40次，美國共發(fā)射44次，事實上獵鷹-9已成為美國進入空間的主力火箭。

投送質(zhì)量

關(guān)于投送質(zhì)量，通過統(tǒng)計近3年的發(fā)射紀錄（如圖2所示），可以看出近3年來全球總投送質(zhì)量呈上升趨勢，年投送質(zhì)量從2020年的537t增加到2022年的1039t。其中，獵鷹-9運載火箭的年投送質(zhì)量從2020年的300t增加到2022年的642t，獵鷹-9運載火箭年投送質(zhì)量占全球年投送質(zhì)量比重從46.6%增加到61.8%。綜合來看，僅獵鷹-9運載火箭一個型號，年投送質(zhì)量占全球年投送質(zhì)量約一半甚至更多。

圖2 全球年投送質(zhì)量對比獵鷹-9年投送質(zhì)量

其原因主要是獵鷹-9運載火箭承擔建設(shè)“星鏈”衛(wèi)星巨型星座任務(wù)，發(fā)射“星鏈1.0”時，常采用“一箭60星”發(fā)射，單星質(zhì)量0.26t，一次發(fā)射投送質(zhì)量15.6t；發(fā)射“星鏈1.5”時，常采用“一箭54星”發(fā)射，單星質(zhì)量0.3t，一次發(fā)射投送質(zhì)量16.2t。對比運載能力0.2～0.3t區(qū)間小型固體運載火箭，獵鷹-9運載火箭發(fā)射一次“星鏈”衛(wèi)星，就需要小型固體運載火箭數(shù)十次發(fā)射才能達到相當?shù)耐端唾|(zhì)量。因此，運載火箭的投送能力不僅需要提高火箭的發(fā)射頻度，更重要的是需要提高火箭的運載能力。值得注意的是，美國在2020－2022年的年投送質(zhì)量分別為325t、403t和734t，而獵鷹-9運載火箭在2020－2022年的年投送質(zhì)量分別為300t、360t、642t。投送質(zhì)量直接關(guān)乎國家的太空部署能力，獵鷹-9運載火箭完成美國大部分的投送質(zhì)量，其超強的國家動員能力值得高度關(guān)注[5-8]。

3 成本研究

硬件成本

運載火箭的硬件成本主要包括發(fā)動機、箭體結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備、閥門機構(gòu)、火工品、推進劑等。從硬件成本統(tǒng)計圖（如圖3所示）可以看出，一型運載火箭無論是一級還是二級，其發(fā)動機和箭體結(jié)構(gòu)占總硬件成本比例最大，其中一級占比約77.8%、二級占比約58.1%。相反推進劑占總硬件比例較小，其中一級占比約0.7%，二級占比約0.2%[9]。運載火箭垂直著陸回收能收回包括發(fā)動機、箭體結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備、閥門機構(gòu)等絕大部分硬件，因此，無論是一級回收還是二級回收，均能產(chǎn)生十分可觀的經(jīng)濟效益。

圖3 典型運載火箭的一級、二級硬件成本

獵鷹-9運載火箭通過一子級回收，實現(xiàn)了一子級大部分硬件的重復使用，這為其超低成本實施發(fā)射奠定了堅實的基礎(chǔ)。此外，火箭重復使用降低了硬件成本，不僅體現(xiàn)在直接降低了運載火箭的硬件成本，還體現(xiàn)在大幅降低了配套產(chǎn)保條件的成本。以獵鷹-9一子級重復使用15次為例，為滿足該任務(wù)，僅需生產(chǎn)9臺灰背隼-1D發(fā)動機；相反，在一子級一次使用情況下，為滿足該任務(wù)，需生產(chǎn)135臺灰背隼-1D發(fā)動機。生產(chǎn)發(fā)動機是整個運載火箭研制過程耗時最長、經(jīng)費開支最大的一項工作，僅發(fā)動機數(shù)量這一項，帶來的配套產(chǎn)保條件成本降低也是相當可觀的。發(fā)動機產(chǎn)保條件可能不會分攤到每一次航天發(fā)射任務(wù)上，但至少會體現(xiàn)在型號研發(fā)的總投入，帶來總投入的增加。

發(fā)射成本

運載火箭發(fā)射成本表征發(fā)射1kg載荷到指定軌道的成本，通常采用火箭成本與最大運載能力的比值來表征。一型運載火箭在不同發(fā)射軌道、不同高度下其運載能力差異較大，以獵鷹-9運載火箭為例，其既可以發(fā)射近地軌道、也可以地球同步轉(zhuǎn)移軌道，運載能力分別為22.8t和8.3t。為將發(fā)射成本比較拉到同一水平線上，需采用同一軌道的運載能力進行計算。一型運載火箭無論適配哪種最優(yōu)發(fā)射軌道，其至少應(yīng)能發(fā)射近地軌道，為此采用近地軌道運載能力進行核算發(fā)射成本可更大范圍覆蓋各類運載火箭。因此，這里發(fā)射成本采用火箭成本與近地軌道最大運載能力的比值來表示，適用于中高軌道發(fā)射的運載火箭，按照其折算近地軌道運載能力對應(yīng)的發(fā)射成本來計算。

根據(jù)美國國家航空航天局艾姆斯研究中心（NASA's Ames Research Center）的運載火箭發(fā)射成本統(tǒng)計數(shù)據(jù)[10]，獵鷹-9運載火箭近地軌道發(fā)射成本約1.8萬元/kg（注：后文中出現(xiàn)的此類單位均指的是人民幣，與文中美元相區(qū)別），同樣承擔國際商業(yè)發(fā)射任務(wù)的主力運載火箭阿里安-5G（Ariane-5G）近地軌道發(fā)射成本約8.5萬元/kg，“聯(lián)盟”（Soyuz）近地軌道發(fā)射成本約4.9萬元/kg，質(zhì)子SL-13（Proton SL-13）近地軌道發(fā)射成本約2.6萬元/kg。獵鷹-9運載火箭對比國際商業(yè)發(fā)射任務(wù)的主力運載火箭，發(fā)射成本具有明顯優(yōu)勢。作為獵鷹-9系列運載火箭，“獵鷹重型”（Falcon Heavy）運載火箭近地軌道發(fā)射成本約0.9萬元/kg，是世界上現(xiàn)役運載火箭中，唯一一型近地軌道發(fā)射成本低于1.0萬元/kg的運載火箭。

平均成本

由于運載火箭的平均成本公開信息不是很充分，因此難以十分準確地測算。本文分析主要基于SpaceX公司創(chuàng)始人埃隆.馬斯克（Elon Musk）對外公開的價格構(gòu)成。其公開內(nèi)容有：①獵鷹-9運載火箭的復用成本為1500萬美元，其中制造不可復用的二子級成本1000萬美元，整流罩、推進劑、氦氣、維修一子級等成本約500萬美元，特別需要說明的是維修一子級成本僅約合25萬美元。②一子級成本約占總成本的60%，二子級成本約占總成本的20%，以二子級成本1000萬美元計算，一子級成本約為3000萬美元。③一枚全新的獵鷹-9運載火箭，一子級3000萬美元、二子級1000萬美元、整流罩等500萬美元，總成本約合4500萬美元[11]。在一次使用情況下獵鷹-9運載火箭的成本為4500萬美元，在復用情況下，一子級不需額外投入，僅需投入二子級和整流罩等，因此隨著復用次數(shù)的增加，其總體上平均成本應(yīng)逐漸降低。

圖4是復用情況下獵鷹-9運載火箭的平均成本變化情況。可以看出，獵鷹-9運載火箭的平均成本在復用初期降低幅度較大，當復用次數(shù)10次以上時平均成本降低較少，后面逐步穩(wěn)定在約1700萬美元。如若按照1700萬美元的平均成本來測算，獵鷹-9的發(fā)射成本將降低至約0.5萬元/kg，該成本遠低于世界上現(xiàn)役運載火箭的發(fā)射成本，這也是支撐其“星鏈”衛(wèi)星大規(guī)模高頻次組網(wǎng)的必由手段。

圖4 復用情況下獵鷹-9運載火箭的平均成本

合同報價

獵鷹-9運載火箭的官方對外報價為6200萬美元，其宣傳意義較大，并不表明其每次發(fā)射任務(wù)的合同價格均為6200萬美元，通過調(diào)查統(tǒng)計，其實際簽訂合同的價格更具有代表意義。在簽訂實際合同時往往會根據(jù)用戶的不同需求，合同價格具有較大差異，如美空軍發(fā)射GPS衛(wèi)星時要求獵鷹-9運載火箭不進行一子級回收等，如此將帶來價格較大漲幅。

圖5是獵鷹-9運載火箭典型合同報價[12-15]，按照合同類型區(qū)分軍用、民用和商用。可以看出，軍用合同價格7500萬～9900萬美元不等，高于獵鷹-9運載火箭的官方對外報價，民用合同價格5030萬～11200萬美元，同樣大部分高于獵鷹-9運載火箭的官方報價，商業(yè)合同價格5220萬～6150萬美元，低于其官方報價6200萬美元。可以看出，獵鷹-9運載火箭在承擔軍民發(fā)射任務(wù)時，其合同通常高于獵鷹-9運載火箭的官方報價，這一方面源于軍民類發(fā)射任務(wù)往往對運載火箭會提出額外的要求，另一方面也體現(xiàn)了美國軍民領(lǐng)域?qū)ι虡I(yè)運載火箭的支持態(tài)度；相反，獵鷹-9運載火箭在承擔商業(yè)發(fā)射任務(wù)時，其合同價格通常低于獵鷹-9運載火箭的官方報價，這一方面體現(xiàn)了SpaceX公司對宣傳價格的自信，另一方面也源于其承擔軍民發(fā)射任務(wù)獲得的高額利潤反哺商業(yè)發(fā)射任務(wù)。

圖5 獵鷹-9運載火箭典型合同報價

4 結(jié)論

獵鷹-9運載火箭是當前世界上首型實現(xiàn)工程使用的垂直起降重復使用運載火箭，按照最新的火箭劃代標準，是典型的第4代運載火箭，相比世界其他現(xiàn)役運載火箭主要還停留在第2代和第3代。在2010年首次實施發(fā)射后的10余年時間里，獵鷹-9運載火箭共實施了250余次發(fā)射、一子級累計回收達到200次。特別是近3年來，獵鷹-9運載火箭無論是在發(fā)射頻度還是在投送質(zhì)量上都占據(jù)絕對主力，甚至比大部分航天國家年投送能力更強，在主力發(fā)射“星鏈”衛(wèi)星星座的同時，還承攬了絕大部分國際商業(yè)發(fā)射訂單。作為商業(yè)運載火箭新秀，獵鷹-9運載火箭為其他商業(yè)運載火箭提供了新的標桿。本文從成本入手探究獵鷹-9運載火箭的成功之處，通過一子級的重復使用大幅節(jié)省硬件成本，使近地軌道發(fā)射成本降低到1.8萬元/kg，達到世界領(lǐng)先；通過極具競爭力的發(fā)射成本承攬了大量軍民航天發(fā)射任務(wù)，并反哺商業(yè)航天發(fā)射任務(wù)，其商業(yè)發(fā)射任務(wù)合同價格甚至低于宣稱價格。論文研究表明，以獵鷹-9為代表的重復使用運載火箭可切實降低發(fā)射成本。作為未來發(fā)展趨勢，有必要加快重復使用運載火箭相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究和工程研制，提高運載火箭綜合性能和市場競爭力。