SpaceX龙飞船与猎鹰火箭技术和成本分析

邢强 九天波粒

编者按：2020年5月31日，两位资深宇航员Bob Behnken和Doug Hurley乘坐SpaceX公司载人龙飞船进入太空，私营载人航天大时代自此开启。面对SpaceX在商业航天领域的一骑绝尘，本文摘编邢强博士《SpaceX可回收火箭技术与成本分析》与九天微星《成本相差5384倍！马斯克的SpaceX如何搞翻航天圈》2篇文章，以揭开SpaceX控制成本的层层迷雾。

龙飞船芯片应用状况分析

在航天领域，有一种器件如贵族般存在：宇航级器件。一个二极管只要上天验证成功，就可以从一个工业级“十八线”产品跃升为宇航级“一线”产品，身价可以倍增上百倍甚至上万倍。以现有载人飞船搭载的星载计算机和控制器为例，单个控制器价格为500万人民币左右，一共14个系统，为了追求高可靠性，每个系统1+1备份，一共28个控制器，成本总计约1.4亿元人民币！而SpaceX的龙飞船主控系统的芯片组，仅用了2.6万元人民币，成本相差5384倍！

宇航级器件之所以如此昂贵，是因为使用环境的苛刻。首先，发射时要禁得住剧烈的抖动和很高的温度，才能走出地球，进入外层空间。其次，入轨后面对太阳面的时候，温度迅速提升，最高可达120°C，背离太阳面的时候，温度骤减，最低可至-150°C，就这样90分钟一圈又一圈，周而复始，每圈都是270°C的温差。

对于电子器件来说，温度不是最难熬的，最难熬的是太空中的辐射，这些辐射有来自地球磁场的引力作用，有来自太阳高能粒子，还可能有来自太阳系以外的粒子。而这些粒子，将引发电子器件的神经紊乱，专业名词是：粒子翻转。粒子翻转将造成星载计算机和星载存储器发生偏差进而导致严重错误。

首先，在器件选择上，SpaceX没有选择宇航级器件，而是选择了Intel工业级X86双核处理器，京东售价仅478元人民币。其次，在使用模式上，SpaceX也没有用双核做一件事，而是把双核拆成了两个单核，分别计算同样的数据。每个系统配置3块芯片做冗余，也就是6个核做计算。

SpaceX龙飞船示意图

如果其中1个核的數据和其他5个核不同，那么主控系统会告诉这个核重新启动，再把其他5个核的数据拷贝给重启的核，从而达到数据一直同步。

据SpaceX前火箭总师John Muratore透露，龙飞船一共有18个系统，每个系统配置了3块X86芯片，龙飞船一共有54块。所以龙飞船主控芯片的总价约：2.6万人民币，相当于3600美元！

猎鹰-9一共有9个分立式发动机，每个发动机配置了3块X86芯片，加上主控系统配置了3块，猎鹰-9一共有30块这样的芯片。猎鹰-9主控芯片的总价约：1.4万人民币，约合2000美元！

最后，在软件层面，SpaceX用开源Linux编写操作系统，SpaceX程序员使用的编程语言是C++和Python，火箭主控程序用的是开源的GCC或者GDB。SpaceX还使用了商用的LabView和Matlab。

猎鹰-9可回收火箭技术分析

要想让火箭实现发射后的可回收软着陆，至少要攻克两个技术要点：一是可在较大范围调节推力大小的火箭发动机技术，二是再入段多约束制导控制技术。

猎鹰-9火箭使用梅林发动机，该发动机采用燃气发生器循环，使用RP-1煤油和液氧作为推进剂。梅林发动机使用了早期在阿波罗计划里的登陆舱发动机上所使用的喉栓式喷嘴。推进剂通过一个涡轮泵输出，进入燃烧室。同时，涡轮泵也提供高压液体驱动液压控制器，之后进入低压燃料入口。这样排除了对独立的液压动力系统的依赖，意味着很少会出现由于液压耗尽而失去对推力方向控制的情况。涡轮泵另外的用处是提供侧向推力来控制火箭自旋。

猎鹰-9火箭的第一级在与第二级分离后，用3台发动机完成了程序转弯的过程。在太空中利用姿态控制火箭使箭体旋转180°，令第一级的9台主发动机朝向地面，进行“Boostback Burn”减速。

当第一级再入大气层后，进行“Entry Burn”减速，并逐渐调整箭体姿态。在火箭接近地面时，第一级火箭顶部的4个栅格翼展开，对箭体姿态进行稳定。主发动机再次点火，利用略低于火箭重量的推力使火箭进一步减速。火箭第一级利用带有终端角度、速度和位置约束的制导律接近地面着陆场并实施软着陆，实现火箭第一级的回收。值得注意的是，猎鹰-9火箭栅格翼的材质也由铝合金升级为钛合金材料，以便更好地应对有可能会沉浸在一级火箭发动机尾焰和尾烟中的情况。

既然能够实现在陆地上的回收，那么为什么要专门研究在海面平台上的回收呢？要知道，海上平台在海浪中是难以保证其倾斜角度和位置都是理想状态来等待着猎鹰-9火箭的到来的。海上回收的难度和不可预测性要比陆地回收高得多。

实际上，这主要是由火箭的运载能力与可回收性能之间的权衡造成的。可回收火箭需要比一次性使用的火箭携带更多的燃料，以便在再入大气层的时候，借助自身推力来抵抗地球引力，降低自身的速度，同时也需要借助火箭发动机的推力和栅格翼的空气动力来稳定箭体姿态。

多携带的燃料占用的火箭重量侵蚀了火箭携带其他载荷的能力。因此，可回收火箭几乎不可避免地要比一次性使用火箭少携带一些载荷。当猎鹰-9火箭发射的载荷重量实在太大时，火箭会在任务规划时放弃回收，以便挖掘出火箭自身的运载潜力。

按现有条件计算，猎鹰-9火箭的可回收型号在陆地上回收要损失40%左右的运载能力。而如果将回收地点改在海上，则仅损失16%的运载能力。

为什么会有这样的区别呢？因为陆上回收，要求火箭飞到指定着陆场附近，对火箭再入之后的横程提出了要求，相当于多走了很长一段路。而海上回收的话，可以将回收平台拖到一级火箭落区，“守株待兔”。这样，一级火箭发动机的任务便可集中在减速和稳定姿态方面，不用再飞很长的“冤枉路”了。

有关这个海上浮动平台的名字，还是值得说一说的。它叫做Of Course I Still Love You（当然，我依然爱你）。这个名字在当年SpaceX公司多次尝试在海上回收遇挫时出现，不禁让很多人认为，这是对火箭本身的鼓励。虽然炸了平台，但是，依然爱你。实际上，这个名字是向苏格兰的科幻小说作家伊恩·班克斯致敬。在大西洋上迎接猎鹰-9火箭的平台，长91.1米，宽52.05米，采用4台300马力的发动机来维持在大洋中的稳定。按照快速迭代的设计理念，我们依然能够看到SpaceX一些细节上的改进。比如，之前猎鹰-9火箭成功地在海上回收之后，会有“敢死队”工程师冒着火箭和甲板的余温炙烤和火箭在海浪中倾覆的危险，给火箭绑上固定线缆。而之后升级为回收机器人以尽快抓住猎鹰-9火箭一级的大空壳子，而不再需要让人类工程师去冒风险。

猎鹰-9火箭的一级尾部，有一个用于吊运的孔。对于液体燃料火箭这种“皮薄馅大”的飞行器来说，弹体大部分地方是不能乱踩乱抓的，需要按照规程来对其吊装部位进行操作。海上浮动平台的机器人就是抓住中间部位的那个孔来防止火箭在海浪中倾倒的。

猎鹰-9火箭发射THAICOM- 8卫星时发射时序是：前38分钟开始倒计时准备，发射前35分钟加注煤油和液氧确认，发射前10分钟发动机准备，发射前1分30秒发射指挥确认发射任务。而同样是猎鹰-9火箭在发射SES-10卫星时，倒计时是这样的：发射前78分钟开始倒计时准备，发射前70分钟加注煤油确认，发射前45分钟加注液氧确认，发射前7分钟发动机准备，发射前1分30秒发射指挥确认发射任务。由此可见，同一枚猎鹰-9火箭，在回收之后准备再次使用时，其倒计时准备时间明显变长，而加注时序和加注确认时刻发生了变化，发动机准备的时刻也相应延后。

猎鹰-9可回收火箭成本分析

有人认为猎鹰-9火箭的发射成本和发射报价会在可回收技术成熟之后降到如今的1%;而有人则认为出于可靠性和大量检修的原因，可回收火箭或许会像航天飞机那样，虽技术上可行但并未实现真正的经济效益。首先，在可靠性层面，猎鹰-9火箭的设计理念与通常一次性使用的火箭是不同的。

猎鹰-9火箭1.1型的发动机为9台发动机并联。SpaceX通过动力冗余来保证发动机和火箭的可靠性。在火箭飞行的过程中，这9台发动机当中任何1台因故障关机，都不会影响猎鹰-9火箭完成发射任务的能力。当火箭飞行90秒后，即使坏掉2台发动机都没问题。目前，可回收火箭使用的燃料为液氧和RP-1航空煤油。取近几年和可预见的短期价格的平均值，液氧的价格折算为人民币，约为1256元/立方米，或者按重量计算，每吨在1090～1200元之间。煤油的价格则在7000元/吨左右。而偏二甲肼每吨的价格在8万元左右，四氧化二氮的价格也近2万元/吨。总体来说，按运载能力和弹道反推的话，采用液氧煤油作为燃料的火箭其燃料成本约为采用常温有毒燃料火箭成本的1/30。而如果拿煤油和液氢来比的话，那更会是1/100的量级了。

獵鹰-9火箭一、二级分离示意图

SpaceX整流罩回收船（左）于2018年5月回收整流罩部分成功（右）

实际上，不用过于纠结于燃料的具体单价，因为燃料成本在火箭发射总成本中的占比非常小。火箭燃料在重量上虽然占火箭的90%以上，但成本基本上不到火箭发射总成本的1%，而SpaceX曾经在核算的时候，给出了0.4%的占比。假设SpaceX公司把单次火箭发射的利润保守锁定为10%，基本上火箭本身的成本占发射总报价的70%，另外的20%用于分担测控的成本。而对于一枚二级火箭来说，按照4.35：1的比例来分配二级运载火箭第一级和第二级的成本。第一级的成本应该为3534.2万美元，第二级的成本应为812.4万美元。按现代航天发射和卡纳维拉尔角场地租用的费用推算，单次发射的指挥、测控成本为1242万美元。利润按报价的10%来保守计算，取621万美元。每次回收后的检测、维护保养暂且将其设为X万美元。报价就是6209.6万美元。

第二次发射，成功回收了第一级，第一级的成本要和第一次发射的摊平，为3534.2万美元的一半，也就是1767.1万美元。第二级需要新造一个，即还是812.4万美元，测控成本1242万美元。加上X万美元的检测维修第一级火箭的费用，第二次发射的总成本为（3821.5+X）万美元。锁定10%利润的话，报价为（3821.5+X）/0.9万美元。那么，用（3821.5+X）/0.9=80%*6209.6，就可以求出：X=649.4万美元。

也就是说，按照估算，如果猎鹰-9可回收火箭只能回收第一级，而且只重复用了1次的话，只要回收后的维护保养费用控制在649.4万美元以内，第二次发射的报价就能打八折。假设SpaceX公司对回收后的第一级火箭进行检测和维修的总费用为295万美元。由此可见，火箭回收以后，第2次发射打8折是完全可以实现的。

第1次发射为全新的火箭。第一级的成本为3534.2万美元，第二级的成本为812.4万美元，测控成本为1242万美元，利润为621万美元。第1次发射报价为6209.6万美元。

第2次发射的检修费用295万美元，第一级成本为1767.1万美元，第二级成本为812.4万美元，测控1242万美元。成本为4116.5万美元，利润为457.4万美元（成本的1/9）。第2次发射报价为4573.9万美元，是首次报价的73.3%。

第3次发射的检修费用295万美元，第一级成本为1178.1万美元，第二级成本为812.4万美元，测控1242万美元。成本为3527.5万美元，利润为391.9万美元（成本的1/9）。第3次发射报价为3919.4万美元，是首次报价的63.1%。

依次计算到第8次发射，检修费用为295万美元，第一级成本为441.8万美元，第二级成本为812.4万美元，测控1242万美元。成本为2791.2万美元，利润为310.1万美元（成本的1/9）。第8次发射报价为3101.3万美元，是首次报价的49.9%。第8次发射，最终实现将单次发射的报价打半价。

依次计算到第14次发射，第14次发射报价为2890.9万美元，是首次报价的46.5%。报价降幅受到严重限制，其根本原因在于：对于第一级火箭的维护保养成本已经高于第一级火箭的残余价值。

按照这样计算，再考虑折旧和可靠性的风险，实际上，这枚猎鹰-9可回收火箭在第10次发射之后就应该退役。此时，维护保养的费用已经和第一级火箭的残余价值比较接近了。

计算后的结论是：如果SpaceX公司能够把对第一级火箭的检测维修成本控制在295万美元以内的话，同一枚火箭的第8次发射报价将会是一次性火箭的一半。如果平均每一枚火箭能够发射3次的话，报价可以变为原报价的63.1%。

摘编自小火箭微信公众号和九天微星微信公众号

责任编辑：彭振忠