运载火箭起源、技术指标及成本分析

运载火箭是实现航天飞行的运载工具。

1. 运载火箭起源于军用背景，逐渐向商业化和军民融合方向发展

运载火箭起源于近代军用，商业化和军民两用是现代大势所趋。运载火箭是一种航 天运载工具，依靠火箭发动机产生的反作用推力，将人造卫星、载人飞船、空间站或空 间探测器等有效载荷送入预定轨道。上世纪 50 年代末，为适用冷战时期太空竞赛的需 求，发达国家在战略导弹的基础上发展出运载火箭，最初用于发射官方和军用的有效载 荷。随着现代火箭技术的成熟，以及有效载荷日趋军民两用，越来越多国家的火箭产业 开始走向商业化。

运载火箭的关键技术指标包括运载能力、入轨精度和可靠性，商业运载火箭对发射 成本提出了更高要求。火箭的运载能力具体指有效载荷的质量，这决定了它航天舞台的 上限；入轨精度则与火箭的控制系统和控制方法密切相关；发射成本取决于所使用的火 箭材料、发动机燃料以及可回收和可复用技术。总而言之，运载火箭的各项指标是由火 箭的结构设计、工程线路、能源供应、技术路线等诸多因素耦合后决定的。 火箭结构形式和组成较灵活，多级串联是目前主流。结构形式上，运载火箭通常由 2-4 多级火箭串联构成，也可并联捆绑助推器，以实现宇宙飞行所必需的宇宙速度。结 构组成上，火箭主要由箭体结构、动力系统、控制系统等构成，前两项为每级火箭所固 有。监测控制系统主要位于火箭末级的仪器舱内，卫星等有效载荷装在仪器舱之上，外 覆整流罩。在发射过程中，火箭一子级（芯级）在点火后率先开始工作，随后与整个火 箭分离，再由二子级继续将有效载荷推向太空，依次类推。卫星送轨任务完成后，火箭 末级将在轨漂泊并坠落烧毁。

火箭推进剂可用能源多样，化学火箭居首，液体火箭备受运载领域青睐。化学动力 是航天飞行的传统动力。化学火箭根据推进剂的形态可进一步划分为固体火箭和液体火 箭。固体和液体火箭在箭体结构和动力系统方面大相径庭，原因是工作机理不同：液体 推进剂平时储存在贮箱内，工作时再输送进发动机燃烧室；而固体推进剂原本就贮存在 燃烧室，无需贮箱和输送系统。尽管液体火箭技术复杂、成本较高，但其具备推力大、 运载能力强、可控性高等优点,更适用于航天运载火箭领域。固体火箭则凭借储存时间 长、准备周期短、结构简单/成本低等优点，普遍应用在小卫星运载和导弹军事火箭领域。

2.发动机是火箭成本的主要部分，其重复使用技术对发射降本至关重要

火箭发动机价值量占比过半，发动机能否满足重复使用是技术路径选择的重要考量。 火箭的成本结构中，一二级火箭的硬件设备，尤其是发动机，占据了成本的绝大部分， 而推进剂成本相对较低。发动机作为火箭中价值最高且技术要求最严格的部分，其能否 实现重复使用，是决定火箭回收和降低发射成本的关键因素。在一次性使用的火箭中， 发动机成本占比高达 54.3%，而箭体结构、电气系统、阀门管路及执行机构、火工品等 其他部分的成本占比相对较小。火箭回收和重复使用已成为降低成本的必然选择，通过 实现火箭的可回收性，可以显著提高硬件设备的使用效率，将高昂的硬件成本分摊到更 多的发射次数上，从而显著降低单次发射的成本。

复用技术带来成本节约，猎鹰 9 通过回收实现单次降本 70%。SpaceX 的猎鹰 9 火 箭通过采用可回收技术，在发射服务定价上实现显著的成本节约。复用型火箭的发射服 务价格约为 5000 万美元，通过一次新箭发射加一次复用型火箭发射，SpaceX 能实现 4700 万美元的利润，这接近一枚新火箭的制造成本，且超过 3 次复用火箭的边际成本。 猎鹰 9 火箭在执行 12 次发射任务时，累计载荷能力为 720%，而累计成本仅为 440%， 意味着执行 12 次任务能节省的成本接近 3 枚全新火箭或 93 枚复用火箭的成本。SpaceX 的回收技术使单次发射成本降低 70%，验证了可回收降本路径的有效性。随着 SpaceX 不断探索火箭二级的可回收技术，预计未来火箭的单次发射成本将进一步降低。

猎鹰系列运载火箭已实现了部分重复使用技术。猎鹰-9 火箭是中型两级火箭，具有 70 米长、3.66 米直径和 549 吨起飞质量，使用液氧/煤油作为推进剂，能够将 22.8 吨载 荷送入近地轨道。该火箭一级具备垂直降落回收能力，可重复使用最多 10 次。猎鹰重 型火箭继承了猎鹰-9 的技术，采用 3 个并联芯级，起飞质量达 1420.8 吨，是目前运载能 力最大的现役火箭，具有 96%的发动机复用率。自 2015 年 12 月至 2020 年 11 月，SpaceX 已成功回收 60 余次火箭一级，并实现了整流罩的回收和重复使用。

3. 先一级重复使用后完全重复使用、多种回收方式并存

重复使用运载火箭涉及到发动机深度推力调节、高精度制导控制等关键技术。可复 用火箭技术的核心在于实现发动机推力的灵活调节、精确的制导控制、优化的气动外形 设计、高效的热防护措施以及快速的检测与维护流程。这些技术确保火箭能够安全返回 并快速准备再次发射，有效降低成本，提高发射效率。例如，SpaceX 的“猎鹰”系列通过其 Merlin 发动机的推力调节能力和在线凸优化制导技术，实现了火箭的垂直着陆。同 时，“星舰”的气动外形经过多轮优化，增强了飞行控制能力。快速的检测与维护流程， 如改进的着陆支架设计和健康管理理念，进一步缩短了火箭的再次发射准备时间。这些 技术的集成应用，为火箭的可复用性提供了强有力的支持。

重复使用运载火箭遵循先一级重复使用后完全重复使用、多种回收方式并存但更倾 向于动力垂直回收、火箭研制理念持续革新的发展途径。当前，技术与经济的现实限制 使得完全重复使用火箭尚不可行，因此业界采取了先实现一级火箭重复使用的策略。一 级火箭重复使用不仅能有效降低发射成本，而且为末级火箭的回收提供了技术积累。动 力垂直回收因其高着陆精度和对现有设计改动小，成为中大型火箭回收的主流方式。火 箭设计也在经历革新，以适应全任务剖面和全生命周期的需求。这包括在上升和返回段 承受的复杂载荷工况、气动控制、热防护，以及多次使用的检测维护和疲劳载荷等因素。 火箭设计需在满足性能的同时，兼顾可回收性和可维护性，特别是在大气层内飞行时， 要优化气动外形和热防护系统，以应对更大的法向载荷和气动热效应。