智东西内参|太空旅行、卫星互联照进现实！揭秘飞速发展的商业航天，可回收火箭为核心

2022 年 2 月 11 日下午，SpaceX公司创始人、首席执行官兼首席工程师埃隆·马斯克发布了 2 年半以来最新的星舰（Starship），整个发布会持续了近 80 分钟。最新发布的星舰直径 9 米，高 50 米，加上火箭助推器高达 120 米，有效载荷 100-150 吨，能携带 200 吨推进剂进入轨道，为其他太空中的星际飞船“加油”。
马斯克表示达到目前的全球发射载荷数，星舰只需要一年时间。目前，全球已发射的载荷数为 15,517 吨。按照星舰快速重复使用的能力，每艘星舰按照每周保守 3 次轨道发射计算，只要使用一艘星舰，一年后，该星舰发射的载荷质量将超过人类历史上全部的载荷发射质量，达到 15,500 吨。马斯克还表示，理论上“星舰”飞船每 6-8 小时就能够重复使用，这样一天可以进行 3 次发射，而“超重”助推器大约每小时即可发射一次。快速重复使用也意味着降低成本，“每次飞行可能只需几百万美元，甚至最少可能只要 100 万美元。”马斯克说，按照太空标准来衡量，这个价格低得离谱。
向火星移民需要 100 万吨的货物运量，从而使火星城市具备自支持能力，而每 2 年一次的地火运输窗口期，确实需要星舰具备这种快速可重复使用的能力。在轨推进剂加注是实现人类去往火星必需的技术，因为火星太遥远了。SpaceX 已经掌握了龙飞船（Dragon）与国际空间站间不同公司对接机构的对接，对于星舰间的对接将更加容易。马斯克表示，SpaceX 将在 2023 年底进行在轨推进剂加注尝试。
根据火箭运力统计表进行估算，2021 年国内发射卫星的火箭总运力约为 140.4t/700km，与未来平均每年对火箭运力需求 343t/700km 差距较大。通过需求测算以及现有运力统计，预计未来国内火箭运力缺口较大，这部分缺口是商业火箭公司的主要市场。

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国内外代表性商业火箭公司技术路线对比
1、液氧甲烷，民营火箭动力一致选择在火箭技术领域，长期存在着所谓的“固液之争”，即固体火箭和液体火箭，哪个更适合航天发射。早在上世纪七八十年代，就曾经有过一场影响深远的大讨论。液体派认为，液体发动机在运输时燃料储箱是空的，总体较轻，运输车辆的负荷较小，工程上更易实现，燃料在发射场里加注就可以了。固体派则认为，固体火箭的燃料是在车间里浇铸完成的，不需要考虑燃料加注的问题，起竖后经过简单检测就可以发射。双方支持者各执一词，各自强调的优点正是对方的软肋，一时相持不下。

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固体燃料火箭与液体燃料火箭对比
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。在一次性使用运载火箭成本构成中，发动机约占总成本的 54.3%，箭体结构约占总成本的23.6%，电气系统约占 8%，阀门管路及执行机构约占 8.1%，点火、级间分离等火工品约占 5.3%，推进剂成本约占 0.7%。作为火箭中价值最高的部分，发动机能否满足重复使用需求是火箭回收的前提条件，而火箭回收是商业航天降低成本的必由之路。因此发动机是否满足重复使用将决定能否实现火箭回收，是民营火箭公司技术路径选择的重要考量。
液氧液氢、液氧甲烷、液氧煤油 3 种低温推进剂均满足发动机重复使用基本需求，国外已有阶段性成果。SpaceX采用液氧煤油推进剂的梅林发动机已经成功实现多次飞行回收，重复使用发动机先驱 SSME 发动机则使用了液氧液氢推进剂，而同样使用液氧液氢推进剂的 BE-3 和ＲL10 发动机也得以成功回收。目前国际上对于液氧甲烷发动机还没有研制成功飞行的先例，但研制历程已达几十年，NASA 将 RS-18 改造为月球着陆器下降级液氧甲烷发动机，并开展了高空模拟试车和推进剂在月球表面的长期贮存模拟试验研究。

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