如何看待商业火箭的降本之路？

商业航天成为运载火箭发展新浪潮。

据北大纵横公众号，传统航天以任务保障为核心，偏向于计划、行政管理方式。 在业务运营上以政府、军方计划需求为导向，国家体系内各院所同步进行资源配 置，通过行政命令稳步向前推进。在支持体系上具有专门的人才系统、专项资金 保障，在核算上采用成本加成法定价。美苏争霸时期，两国政府在航天领域投入 大量资金。据《冷战时期苏联与美国外层空间竞争（1945-1969）》（范海虹）， 美国宇航局在 1961-1970 年间，向艾森豪威尔政府与肯尼迪政府提交的太空计划 预算分别为 179.17、430.86 亿美元。水星计划（Project Mercury）是美国首个载 人航天项目，1958-1963年间共耗资约 4亿美元；阿波罗计划（Project Apollo）是 NASA 在 1961 年-1972 年期间执行的载人登月项目，共耗资 254 亿美元。从 1966 年到 1970 年，苏联在外层空间项目的上投入总数为 79 亿卢布，按当时汇率换算约为 240 亿美元，占苏联年均国民经济生产总值的 1.25%左右。 随着竞争落下帷幕，完全依赖于政府投入的产业无法持续发展。据新华网《俄罗 斯航天：走出历史，走向未来》，由于苏联解体前夕的动荡，航空航天部门的资 金供应出现了严重的问题。苏联解体后，俄罗斯军工订单一落千丈，大批配套工 厂倒闭或改行，到了 1994 年，俄航天业从业人数急剧减少 35%，专家流失 50%， 航天部门不得不推出太空旅游等项目以解决政府投入不足的问题。

2023 年全球航天发射次数创新高，2019~2023 年全球航天发射次数从 102 次快速 增长至 223次，年均复合增速 21.60%。据《论商业航天概念内涵及我国商业航天 发展现状》（汪夏，任迪，汪明哲），商业航天活动是以市场机制配置资源，以 企业为主体，以盈利为目的，以航天产品开发、系统运营、应用服务为核心的 航天活动。民营企业成为商业发射中坚力量，技术研发助力降本成为大势所趋。 从美国的商业航天经历中，可以归纳出运载火箭发展的两个大趋势：1）低轨空 间的发射由国家主导逐步转向民营企业运营。2）得益于火箭技术的不断发展， 以及社会资本投入带来的资金支持，商业航天能够以更低的成本完成卫星发射任 务，并不断的拓宽市场。

目前各国主流火箭由于技术路线、发射任务、服务内容不同，火箭发射服务价格 差异较大。整体来看，采用重复回收技术的 SpaceX 的猎鹰 9 系列火箭每千克报 价显著低于其他火箭制造商。据美国联邦航空管理局《商业航天运输年度简编： 2017 年报告》统计数据，猎鹰 9 号火箭 LEO 轨道运载能力为 22.8 吨，每千克报 价 2684 美元，单发火箭发射服务报价 6119.52 万美元。商业航天火箭制造商若想 抢占发射服务市场则需进一步拓展降本增效的新边界，低成本、大运力、可复用 成为主流发展趋势。

运载火箭的成本主要包括火箭成本、发射成本、测控成本以及保险产生费用等， 据 iResearch《2018 年中国商业发射市场研究报告》，SpaceX 猎鹰 9 号运载火箭 发射成本中，火箭成本占比最高，约为 53%；发射和测控成本主要受火箭规模和 品种的影响；保险费用主要取决于火箭发射成功率。因此，在运载火箭发射的成 本构成中，火箭成本是最重要的可控成本。

一二级火箭硬件成本占比高，火箭可回收或为降本突破口。据《Launch Vehicle Recovery and Reuse》(Mohamed M.Ragab)，美国 AtlasV-401 型火箭的一级火箭中， 发动机占据半数以上总成本，箭体结构成本占到 23.6%，推进剂仅占 0.70%；二 级火箭中，发动机、箭体机构和电气设备占比分别为 28.6%，29.5%和 27.1%，推 进剂仅占 0.20%。上述数据表明，硬件成本在火箭中占比较高，如果火箭可多次 重复使用，可通过分摊有效降低硬件成本。因此对于商业发射企业来说，火箭可 回收是降本的重要途径。

回收方式对运载火箭的复用至关重要，火箭回收方式发展至今主要包括伞降回收、 垂直返回及带翼飞回三种： 据新华网 2023年 4月 7日发布的《重复使用火箭：自由往返天地间》，伞降回收 是一种在火箭一级发动机工作结束，完成级间段分离后使用降落伞完成回收的 方式。据《Launch Vehicle Recovery and Reuse》(Mohamed M.Ragab)，虽然这种方 法具有技术成熟、运载能力损失小（约 10%）和成功率高等优势，能在一定程度 上保障地面人员和设施安全。典型代表是美国联合发射联盟公司（ULA，United Launch Alliance）的火神（Vulcan）火箭方案。据《国际太空》2020 年第 12 期， 待火神火箭一、二级分离后，火箭一子级动力舱段将依靠降落伞减速，最后由直 升机在空中回收。ULA 公司表示一子级发动机的回收利用将会使一子级推进系 统成本降低 90%。但据新华网《重复使用火箭：自由往返天地间》，伞降回收对 着陆地形要求高，控制着陆点的难度较大，火箭非正常落地后可能导致发动机报 废，难以满足高频率回收要求。

据新华网《重复使用火箭：自由往返天地间》，带翼飞回是一种配备机翼结构的 一级火箭利用空气动力滑翔降落的回收方式，具有较高的落地精度，尚处于研 发阶段。这种方法对火箭整体结构设计和返回控制技术要求高，典型代表是俄罗 斯提出的安加拉-贝加尔号有翼助推器方案。据《运载火箭助推器回收技术分析 与启示》（陈志会，宁雷，王鹏），贝加尔号是一级带翼飞回式助推器，与安加 拉芯级分离后，可伸出折叠翼变成无人机着陆，并且可重复使用 100 次。据新华 网《重复使用火箭：自由往返天地间》，带翼飞回需要为火箭增加机翼、起落架 等结构，这会增加火箭重量，从而使火箭运载能力损失约 40%。尽管带翼飞回能 够实现火箭的回收利用，但它会对火箭的运载能力造成较大的损失。

据解放军报《重复使用火箭：自由往返天地间》，垂直回收是一种通过重启一级 火箭发动机，减速并调整至指定地点的回收方式，它能够确保火箭子级以稳定 的姿态，按照预定的轨迹飞回预定降落场地。这种方式具有火箭结构改动小、落 地精确度高、可回收火箭核心部件等优势。据《“猎鹰 9”运载火箭海上平台成功 回收的分析及启示》（王芳，程洪玮，彭博），垂直回收需要预留推进剂来重启 发动机，这会对火箭的运载能力造成约 30-50%的损失。虽然垂直回收带来较大 运载能力损失，且对大质量有效载荷适应能力有所降低，但仍将是运载火箭降低 发射成本的可实现途径。典型代表是美国 SpaceX 的猎鹰 9 号火箭。

SpaceX 凭借自主研发和掌握了火箭回收技术等关键技术，成功实现了发射成本 的大幅降低。猎鹰-9 号火箭可在一、二级分离后可通过主发动机再次点火制动减 速，具备垂直降落回收的能力，并可在短期内经过检测、整修再次执行发射任务， 据《国际太空》2020 年第 12 期，其最大使用次数为 10 次。 据《“猎鹰-9”火箭的发射成本与价格策略分析》（刘洁，丁洁，李翔宇，王铮）， 全新火箭成本为 5000 万美元，包括一级火箭和整流罩在内的 3500 万美元初始成 本，和推进剂、发射测控、翻修等相关费用在内的 1500 万美元边际成本，由此 可得，复用 2 次的火箭总成本为 6500 万美元，复用 10 次的火箭总成本为 1.85 亿 美元。据 NASA 2023 年 1 月 26 日报道，猎鹰 9 号火箭 LEO 轨道理论载荷为 22.8 吨，采用重复回收方式的最大实际载荷为 17.4 吨，运载能力损耗约 23.68%。若 以 17.4 吨作为考虑运力损耗的单次发射实际载荷，则发射 2 次火箭（复用 1 次） 的载荷合计为 34.8吨，每千克载荷分摊的制造成本为 1867.82美元；发射 10次火 箭（复用 9次）的载荷合计为 174吨，每千克载荷分摊的火箭制造成本为 1063.22 美元，较复用 1 次的单位成本下降 43.08%，较不回收的单位成本下降 63%。猎 鹰 9 号每千克载荷发射报价为 2684 美元，若以 1063.22 美元作为每千克载荷制造 成本，则发射 10 次的猎鹰 9 号利润率可达 60.39%。随着火箭二级的可回收技术 的不断成熟，火箭单次的发射成本或将进一步下降。

伞降回收、带翼飞回受限，垂直回收商用价值最高。据《运载火箭子级回收技 术研究》（汪小卫，张普卓，吴胜宝，申麟），伞降回收虽然设计简单成本低， 但对着陆地要求高，着陆精度差，且无法满足较大箭体的回收需求。带翼飞回式 对火箭气动外形设计、高速再入过程控制以及热防护系统设计的要求严格，技术 难度较高，且造成较大的运载能力损失，目前仍停留在概念设计阶段。而垂直回 收则通过发动机多次点火减小飞行载荷，使用高精度控制技术确保火箭子级高精 度稳定落地，具有明显的成本削减效果，是商业应用价值最高的回收方式之一， 在当前的火箭回收技术中具有较大的潜力和发展前景。

垂直回收方式分为陆地回收和海上回收两种。新华网 2016 年 01 月 19 日报道， SpaceX 目前尝试的火箭第一级回收方式分为两种，一种是在陆地平台，即发射 运载火箭升空，将卫星送上轨道，再令火箭第一级返回陆地平台，需要预留燃料 （又称“原场回收”）；另一种是在海上回收，即火箭第一级在分离后需垂直下降， 并在海面浮动平台上精准着陆。火箭一子级陆地回收与海上回收均会造成运载能 力损失，但影响程度不同。据《“猎鹰 9”运载火箭海上平台成功回收的分析及启 示》（王芳，程洪玮，彭博）中的测算，原场回收将使火箭运载能力损失 53.5% 左右，而海上回收将使火箭运载能力损失 27.5%左右，这意味着海上回收可以更 好地满足商业发射的需求。 与陆地回收相比，海上回收更利于降本增效。据《“猎鹰 9”运载火箭海上平台成 功回收的分析及启示》（王芳，程洪玮，彭博），海上回收可根据每次发射弹道、 入轨点高度、飞行轨迹等情况调整着陆点，一子级在返回着陆过程中无需进行大 范围横向机动，节省推进剂和预留燃料，提高运载能力。此外，海上平台周边空 旷，有助于安全控制，减少了运载火箭的损失。在商业发射中，降低成本对于提 高市场竞争力非常重要，从经济和效率的角度来看，海上回收方式更适合商业火 箭发射的要求，在未来的商业火箭发射领域或将拥有广阔的应用前景。