SpaceX龍飛船與獵鷹火箭技術(shù)和成本分析

邢 強(qiáng) 九天波粒

編者按：2020年5月31日，兩位資深宇航員Bob Behnken和Doug Hurley乘坐SpaceX公司載人龍飛船進(jìn)入太空，私營載人航天大時代自此開啟。面對SpaceX在商業(yè)航天領(lǐng)域的一騎絕塵，本文摘編邢強(qiáng)博士《SpaceX可回收火箭技術(shù)與成本分析》與九天微星《成本相差5384倍！馬斯克的SpaceX如何搞翻航天圈》2篇文章，以揭開SpaceX控制成本的層層迷霧。

龍飛船芯片應(yīng)用狀況分析

在航天領(lǐng)域，有一種器件如貴族般存在：宇航級器件。一個二極管只要上天驗證成功，就可以從一個工業(yè)級“十八線”產(chǎn)品躍升為宇航級“一線”產(chǎn)品，身價可以倍增上百倍甚至上萬倍。以現(xiàn)有載人飛船搭載的星載計算機(jī)和控制器為例，單個控制器價格為500萬人民幣左右，一共14個系統(tǒng)，為了追求高可靠性，每個系統(tǒng)1+1備份，一共28個控制器，成本總計約1.4億元人民幣！而SpaceX的龍飛船主控系統(tǒng)的芯片組，僅用了2.6萬元人民幣，成本相差5384倍！

宇航級器件之所以如此昂貴，是因為使用環(huán)境的苛刻。首先，發(fā)射時要禁得住劇烈的抖動和很高的溫度，才能走出地球，進(jìn)入外層空間。其次，入軌后面對太陽面的時候，溫度迅速提升，最高可達(dá)120°C，背離太陽面的時候，溫度驟減，最低可至-150°C，就這樣90分鐘一圈又一圈，周而復(fù)始，每圈都是270°C的溫差。

對于電子器件來說，溫度不是最難熬的，最難熬的是太空中的輻射，這些輻射有來自地球磁場的引力作用，有來自太陽高能粒子，還可能有來自太陽系以外的粒子。而這些粒子，將引發(fā)電子器件的神經(jīng)紊亂，專業(yè)名詞是：粒子翻轉(zhuǎn)。粒子翻轉(zhuǎn)將造成星載計算機(jī)和星載存儲器發(fā)生偏差進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重錯誤。

SpaceX龍飛船示意圖

首先，在器件選擇上，SpaceX沒有選擇宇航級器件，而是選擇了Intel工業(yè)級X86雙核處理器，京東售價僅478元人民幣。其次，在使用模式上，SpaceX也沒有用雙核做一件事，而是把雙核拆成了兩個單核，分別計算同樣的數(shù)據(jù)。每個系統(tǒng)配置3塊芯片做冗余，也就是6個核做計算。

如果其中1個核的數(shù)據(jù)和其他5個核不同，那么主控系統(tǒng)會告訴這個核重新啟動，再把其他5個核的數(shù)據(jù)拷貝給重啟的核，從而達(dá)到數(shù)據(jù)一直同步。

據(jù)SpaceX前火箭總師John Muratore透露，龍飛船一共有18個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)配置了3塊X86芯片，龍飛船一共有54塊。所以龍飛船主控芯片的總價約：2.6萬人民幣，相當(dāng)于3600美元！

獵鷹-9一共有9個分立式發(fā)動機(jī)，每個發(fā)動機(jī)配置了3塊X86芯片，加上主控系統(tǒng)配置了3塊，獵鷹-9一共有30塊這樣的芯片。獵鷹-9主控芯片的總價約：1.4萬人民幣，約合2000美元！

最后，在軟件層面，SpaceX用開源Linux編寫操作系統(tǒng)，SpaceX程序員使用的編程語言是C++和Python，火箭主控程序用的是開源的GCC或者GDB。SpaceX還使用了商用的LabView和Matlab。

獵鷹-9可回收火箭技術(shù)分析

要想讓火箭實現(xiàn)發(fā)射后的可回收軟著陸，至少要攻克兩個技術(shù)要點：一是可在較大范圍調(diào)節(jié)推力大小的火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)，二是再入段多約束制導(dǎo)控制技術(shù)。

獵鷹-9火箭使用梅林發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，使用RP-1煤油和液氧作為推進(jìn)劑。梅林發(fā)動機(jī)使用了早期在阿波羅計劃里的登陸艙發(fā)動機(jī)上所使用的喉栓式噴嘴。推進(jìn)劑通過一個渦輪泵輸出，進(jìn)入燃燒室。同時，渦輪泵也提供高壓液體驅(qū)動液壓控制器，之后進(jìn)入低壓燃料入口。這樣排除了對獨立的液壓動力系統(tǒng)的依賴，意味著很少會出現(xiàn)由于液壓耗盡而失去對推力方向控制的情況。渦輪泵另外的用處是提供側(cè)向推力來控制火箭自旋。

獵鷹-9火箭的第一級在與第二級分離后，用3臺發(fā)動機(jī)完成了程序轉(zhuǎn)彎的過程。在太空中利用姿態(tài)控制火箭使箭體旋轉(zhuǎn)180°，令第一級的9臺主發(fā)動機(jī)朝向地面，進(jìn)行“Boostback Burn”減速。

當(dāng)?shù)谝患壴偃氪髿鈱雍螅M(jìn)行“Entry Burn”減速，并逐漸調(diào)整箭體姿態(tài)。在火箭接近地面時，第一級火箭頂部的4個柵格翼展開，對箭體姿態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定。主發(fā)動機(jī)再次點火，利用略低于火箭重量的推力使火箭進(jìn)一步減速。火箭第一級利用帶有終端角度、速度和位置約束的制導(dǎo)律接近地面著陸場并實施軟著陸，實現(xiàn)火箭第一級的回收。值得注意的是，獵鷹-9火箭柵格翼的材質(zhì)也由鋁合金升級為鈦合金材料，以便更好地應(yīng)對有可能會沉浸在一級火箭發(fā)動機(jī)尾焰和尾煙中的情況。

既然能夠?qū)崿F(xiàn)在陸地上的回收，那么為什么要專門研究在海面平臺上的回收呢？要知道，海上平臺在海浪中是難以保證其傾斜角度和位置都是理想狀態(tài)來等待著獵鷹-9火箭的到來的。海上回收的難度和不可預(yù)測性要比陸地回收高得多。

實際上，這主要是由火箭的運(yùn)載能力與可回收性能之間的權(quán)衡造成的。可回收火箭需要比一次性使用的火箭攜帶更多的燃料，以便在再入大氣層的時候，借助自身推力來抵抗地球引力，降低自身的速度，同時也需要借助火箭發(fā)動機(jī)的推力和柵格翼的空氣動力來穩(wěn)定箭體姿態(tài)。

多攜帶的燃料占用的火箭重量侵蝕了火箭攜帶其他載荷的能力。因此，可回收火箭幾乎不可避免地要比一次性使用火箭少攜帶一些載荷。當(dāng)獵鷹-9火箭發(fā)射的載荷重量實在太大時，火箭會在任務(wù)規(guī)劃時放棄回收，以便挖掘出火箭自身的運(yùn)載潛力。

按現(xiàn)有條件計算，獵鷹-9火箭的可回收型號在陸地上回收要損失40%左右的運(yùn)載能力。而如果將回收地點改在海上，則僅損失16%的運(yùn)載能力。

為什么會有這樣的區(qū)別呢？因為陸上回收，要求火箭飛到指定著陸場附近，對火箭再入之后的橫程提出了要求，相當(dāng)于多走了很長一段路。而海上回收的話，可以將回收平臺拖到一級火箭落區(qū)，“守株待兔”。這樣，一級火箭發(fā)動機(jī)的任務(wù)便可集中在減速和穩(wěn)定姿態(tài)方面，不用再飛很長的“冤枉路”了。

有關(guān)這個海上浮動平臺的名字，還是值得說一說的。它叫做Of Course I Still Love You（當(dāng)然，我依然愛你）。這個名字在當(dāng)年SpaceX公司多次嘗試在海上回收遇挫時出現(xiàn)，不禁讓很多人認(rèn)為，這是對火箭本身的鼓勵。雖然炸了平臺，但是，依然愛你。實際上，這個名字是向蘇格蘭的科幻小說作家伊恩·班克斯致敬。在大西洋上迎接獵鷹-9火箭的平臺，長91.1米，寬52.05米，采用4臺300馬力的發(fā)動機(jī)來維持在大洋中的穩(wěn)定。按照快速迭代的設(shè)計理念，我們依然能夠看到SpaceX一些細(xì)節(jié)上的改進(jìn)。比如，之前獵鷹-9火箭成功地在海上回收之后，會有“敢死隊”工程師冒著火箭和甲板的余溫炙烤和火箭在海浪中傾覆的危險，給火箭綁上固定線纜。而之后升級為回收機(jī)器人以盡快抓住獵鷹-9火箭一級的大空殼子，而不再需要讓人類工程師去冒風(fēng)險。

獵鷹-9火箭的一級尾部，有一個用于吊運(yùn)的孔。對于液體燃料火箭這種“皮薄餡大”的飛行器來說，彈體大部分地方是不能亂踩亂抓的，需要按照規(guī)程來對其吊裝部位進(jìn)行操作。海上浮動平臺的機(jī)器人就是抓住中間部位的那個孔來防止火箭在海浪中傾倒的。

獵鷹-9火箭發(fā)射THAICOM-8衛(wèi)星時發(fā)射時序是：前38分鐘開始倒計時準(zhǔn)備，發(fā)射前35分鐘加注煤油和液氧確認(rèn)，發(fā)射前10分鐘發(fā)動機(jī)準(zhǔn)備，發(fā)射前1分30秒發(fā)射指揮確認(rèn)發(fā)射任務(wù)。而同樣是獵鷹-9火箭在發(fā)射SES-10衛(wèi)星時，倒計時是這樣的：發(fā)射前78分鐘開始倒計時準(zhǔn)備，發(fā)射前70分鐘加注煤油確認(rèn)，發(fā)射前45分鐘加注液氧確認(rèn)，發(fā)射前7分鐘發(fā)動機(jī)準(zhǔn)備，發(fā)射前1分30秒發(fā)射指揮確認(rèn)發(fā)射任務(wù)。由此可見，同一枚獵鷹-9火箭，在回收之后準(zhǔn)備再次使用時，其倒計時準(zhǔn)備時間明顯變長，而加注時序和加注確認(rèn)時刻發(fā)生了變化，發(fā)動機(jī)準(zhǔn)備的時刻也相應(yīng)延后。

獵鷹-9可回收火箭成本分析

有人認(rèn)為獵鷹-9火箭的發(fā)射成本和發(fā)射報價會在可回收技術(shù)成熟之后降到如今的1%；而有人則認(rèn)為出于可靠性和大量檢修的原因，可回收火箭或許會像航天飛機(jī)那樣，雖技術(shù)上可行但并未實現(xiàn)真正的經(jīng)濟(jì)效益。首先，在可靠性層面，獵鷹-9火箭的設(shè)計理念與通常一次性使用的火箭是不同的。

獵鷹-9火箭1.1型的發(fā)動機(jī)為9臺發(fā)動機(jī)并聯(lián)。SpaceX通過動力冗余來保證發(fā)動機(jī)和火箭的可靠性。在火箭飛行的過程中，這9臺發(fā)動機(jī)當(dāng)中任何1臺因故障關(guān)機(jī)，都不會影響獵鷹-9火箭完成發(fā)射任務(wù)的能力。當(dāng)火箭飛行90秒后，即使壞掉2臺發(fā)動機(jī)都沒問題。目前，可回收火箭使用的燃料為液氧和RP-1航空煤油。取近幾年和可預(yù)見的短期價格的平均值，液氧的價格折算為人民幣，約為1256元/立方米，或者按重量計算，每噸在1090～1200元之間。煤油的價格則在7000元/噸左右。而偏二甲肼每噸的價格在8萬元左右，四氧化二氮的價格也近2萬元/噸。總體來說，按運(yùn)載能力和彈道反推的話，采用液氧煤油作為燃料的火箭其燃料成本約為采用常溫有毒燃料火箭成本的1/30。而如果拿煤油和液氫來比的話，那更會是1/100的量級了。

獵鷹-9火箭一、二級分離示意圖

SpaceX整流罩回收船（左）于2018年5月回收整流罩部分成功（右）

實際上，不用過于糾結(jié)于燃料的具體單價，因為燃料成本在火箭發(fā)射總成本中的占比非常小。火箭燃料在重量上雖然占火箭的90%以上，但成本基本上不到火箭發(fā)射總成本的1%，而SpaceX曾經(jīng)在核算的時候，給出了0.4%的占比。假設(shè)SpaceX公司把單次火箭發(fā)射的利潤保守鎖定為10%，基本上火箭本身的成本占發(fā)射總報價的70%，另外的20%用于分擔(dān)測控的成本。而對于一枚二級火箭來說，按照4.35:1的比例來分配二級運(yùn)載火箭第一級和第二級的成本。第一級的成本應(yīng)該為3534.2萬美元，第二級的成本應(yīng)為812.4萬美元。按現(xiàn)代航天發(fā)射和卡納維拉爾角場地租用的費(fèi)用推算，單次發(fā)射的指揮、測控成本為1242萬美元。利潤按報價的10%來保守計算，取621萬美元。每次回收后的檢測、維護(hù)保養(yǎng)暫且將其設(shè)為X萬美元。報價就是6209.6萬美元。

第二次發(fā)射，成功回收了第一級，第一級的成本要和第一次發(fā)射的攤平，為3534.2萬美元的一半，也就是1767.1萬美元。第二級需要新造一個，即還是812.4萬美元，測控成本1242萬美元。加上X萬美元的檢測維修第一級火箭的費(fèi)用，第二次發(fā)射的總成本為（3821.5+X）萬美元。鎖定10%利潤的話，報價為（3821.5+X）/0.9萬美元。那么，用（3821.5+X）/0.9=80%＊6209.6，就可以求出：X=649.4萬美元。

也就是說，按照估算，如果獵鷹-9可回收火箭只能回收第一級，而且只重復(fù)用了1次的話，只要回收后的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用控制在649.4萬美元以內(nèi)，第二次發(fā)射的報價就能打八折。假設(shè)SpaceX公司對回收后的第一級火箭進(jìn)行檢測和維修的總費(fèi)用為295萬美元。由此可見，火箭回收以后，第2次發(fā)射打8折是完全可以實現(xiàn)的。

第1次發(fā)射為全新的火箭。第一級的成本為3534.2萬美元，第二級的成本為812.4萬美元，測控成本為1242萬美元，利潤為621萬美元。第1次發(fā)射報價為6209.6萬美元。

第2次發(fā)射的檢修費(fèi)用295萬美元，第一級成本為1767.1萬美元，第二級成本為812.4萬美元，測控1242萬美元。成本為4116.5萬美元，利潤為457.4萬美元（成本的1/9）。第2次發(fā)射報價為4573.9萬美元，是首次報價的73.3%。

第3次發(fā)射的檢修費(fèi)用295萬美元，第一級成本為1178.1萬美元，第二級成本為812.4萬美元，測控1242萬美元。成本為3527.5萬美元，利潤為391.9萬美元（成本的1/9）。第3次發(fā)射報價為3919.4萬美元，是首次報價的63.1%。

依次計算到第8次發(fā)射，檢修費(fèi)用為295萬美元，第一級成本為441.8萬美元，第二級成本為812.4萬美元，測控1242萬美元。成本為2791.2萬美元，利潤為310.1萬美元（成本的1/9）。第8次發(fā)射報價為3101.3萬美元，是首次報價的49.9%。第8次發(fā)射，最終實現(xiàn)將單次發(fā)射的報價打半價。

依次計算到第14次發(fā)射，第14次發(fā)射報價為2890.9萬美元，是首次報價的46.5%。報價降幅受到嚴(yán)重限制，其根本原因在于：對于第一級火箭的維護(hù)保養(yǎng)成本已經(jīng)高于第一級火箭的殘余價值。

按照這樣計算，再考慮折舊和可靠性的風(fēng)險，實際上，這枚獵鷹-9可回收火箭在第10次發(fā)射之后就應(yīng)該退役。此時，維護(hù)保養(yǎng)的費(fèi)用已經(jīng)和第一級火箭的殘余價值比較接近了。

計算后的結(jié)論是：如果SpaceX公司能夠把對第一級火箭的檢測維修成本控制在295萬美元以內(nèi)的話，同一枚火箭的第8次發(fā)射報價將會是一次性火箭的一半。如果平均每一枚火箭能夠發(fā)射3次的話，報價可以變?yōu)樵瓐髢r的63.1%。