獵鷹-9運載火箭發射成本研究

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研究所）

1 引言

獵鷹-9運載火箭是美國太空探索技術公司（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射，此后開展嘗試一子級垂直著陸回收，經過多次失敗后，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。此后進入常態化的入軌發射和一子級重復使用，截至2023年8月已實現一子級最高重復使用16次、一子級累計回收200次的紀錄，后續將實施17次甚至不設上限的重復使用探索。值得一提的是，2012年獵鷹-9運載火箭成功發射了“龍”（Dragon）飛船，是目前世界上首個發射太空飛船的商業火箭。獵鷹-9運載火箭是迄今世界上首型實現工程化應用的垂直起降重復使用運載火箭，并為世界航天發射運輸發展提供創新藍本[1-2]。

獵鷹-9運載火箭是兩級串聯構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）液氧煤油發動機，單臺發動機海平面推力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真空版液氧煤油發動機。單次發射服務價格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（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射任務，并搶占了世界上絕大多數的商業發射訂單，為此，有必要深入分析其發射成本，深入探討其成本構成，為我國運載火箭研究提供參考或借鑒[3-4]。

2 任務形勢

發射頻度

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

圖1 世界年發射數量對比獵鷹-9年發射數量

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

投送質量

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

圖2 全球年投送質量對比獵鷹-9年投送質量

其原因主要是獵鷹-9運載火箭承擔建設“星鏈”衛星巨型星座任務，發射“星鏈1.0”時，常采用“一箭60星”發射，單星質量0.26t，一次發射投送質量15.6t；發射“星鏈1.5”時，常采用“一箭54星”發射，單星質量0.3t，一次發射投送質量16.2t。對比運載能力0.2～0.3t區間小型固體運載火箭，獵鷹-9運載火箭發射一次“星鏈”衛星，就需要小型固體運載火箭數十次發射才能達到相當的投送質量。因此，運載火箭的投送能力不僅需要提高火箭的發射頻度，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年的年投送質量分別為300t、360t、642t。投送質量直接關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量，其超強的國家動員能力值得高度關注[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動機、箭體結構、電氣設備、閥門機構、火工品、推進劑等。從硬件成本統計圖（如圖3所示）可以看出，一型運載火箭無論是一級還是二級，其發動機和箭體結構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動機、箭體結構、電氣設備、閥門機構等絕大部分硬件，因此，無論是一級回收還是二級回收，均能產生十分可觀的經濟效益。

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

發射成本

運載火箭發射成本表征發射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，其既可以發射近地軌道、也可以地球同步轉移軌道，運載能力分別為22.8t和8.3t。為將發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發射軌道，其至少應能發射近地軌道，為此采用近地軌道運載能力進行核算發射成本可更大范圍覆蓋各類運載火箭。因此，這里發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，適用于中高軌道發射的運載火箭，按照其折算近地軌道運載能力對應的發射成本來計算。

根據美國國家航空航天局艾姆斯研究中心（NASA's Ames Research Center）的運載火箭發射成本統計數據[10]，獵鷹-9運載火箭近地軌道發射成本約1.8萬元/kg（注：后文中出現的此類單位均指的是人民幣，與文中美元相區別），同樣承擔國際商業發射任務的主力運載火箭阿里安-5G（Ariane-5G）近地軌道發射成本約8.5萬元/kg，“聯盟”（Soyuz）近地軌道發射成本約4.9萬元/kg，質子SL-13（Proton SL-13）近地軌道發射成本約2.6萬元/kg。獵鷹-9運載火箭對比國際商業發射任務的主力運載火箭，發射成本具有明顯優勢。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射成本約0.9萬元/kg，是世界上現役運載火箭中，唯一一型近地軌道發射成本低于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公司創始人埃隆.馬斯克（Elon Musk）對外公開的價格構成。其公開內容有：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，因此隨著復用次數的增加，其總體上平均成本應逐漸降低。

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10次以上時平均成本降低較少，后面逐步穩定在約1700萬美元。如若按照1700萬美元的平均成本來測算，獵鷹-9的發射成本將降低至約0.5萬元/kg，該成本遠低于世界上現役運載火箭的發射成本，這也是支撐其“星鏈”衛星大規模高頻次組網的必由手段。

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，并不表明其每次發射任務的合同價格均為6200萬美元，通過調查統計，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用戶的不同需求，合同價格具有較大差異，如美空軍發射GPS衛星時要求獵鷹-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射任務時，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射任務往往對運載火箭會提出額外的要求，另一方面也體現了美國軍民領域對商業運載火箭的支持態度；相反，獵鷹-9運載火箭在承擔商業發射任務時，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射任務獲得的高額利潤反哺商業發射任務。

圖5 獵鷹-9運載火箭典型合同報價

4 結論

獵鷹-9運載火箭是當前世界上首型實現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年首次實施發射后的10余年時間里，獵鷹-9運載火箭共實施了250余次發射、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射頻度還是在投送質量上都占據絕對主力，甚至比大部分航天國家年投送能力更強，在主力發射“星鏈”衛星星座的同時，還承攬了絕大部分國際商業發射訂單。作為商業運載火箭新秀，獵鷹-9運載火箭為其他商業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省硬件成本，使近地軌道發射成本降低到1.8萬元/kg，達到世界領先；通過極具競爭力的發射成本承攬了大量軍民航天發射任務，并反哺商業航天發射任務，其商業發射任務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射成本。作為未來發展趨勢，有必要加快重復使用運載火箭相關關鍵技術研究和工程研制，提高運載火箭綜合性能和市場競爭力。