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

液氧甲烷发动机成本低、性能适中、结焦少、与液氧沸点接近，商业航天需要在成本和性能之间获取平衡，液氧甲烷发动机将是商业趋势。作为一种被广泛使用的清洁能源，甲烷燃烧热值高，资源丰富，与液氧温度相近，可以设计成共底贮箱以降低结构质量和复杂度。液氧甲烷推进剂比冲性能介于液氧液氢推进剂和液氧煤油推进剂之间，密度比冲较高，能有效提高火箭运载能力。在所有烃类燃料组合中，液氧甲烷发动机自洁净性较好，是最不容易结焦和积碳的，利于回收可重复使用。
目前科学家们已经在诸如火星、土卫六等星球上发现存在液体甲烷“海洋”，如果未来开展星际航行，或可直接从目标星球获取液体甲烷作为燃料。目前，美国 SpaceX（未上市）和蓝色起源积极开展液氧甲烷发动机的研制工作，其发动机型号分别为“猛禽”和 BE-4，国内则有蓝箭航天的“天鹊”80t。我们认为，液氧甲烷火箭推进剂综合优势突出，液氧甲烷发动机或为民营火箭公司未来一致选择。
2、火箭可回收技术是商业航天关键运载火箭的研制复杂，耗资巨大，成本问题已成为制约航天事业发展的主要因素之一。随着航天技术的发展，大幅度降低成本成为运载火箭研制中必须重点考虑的问题。运载火箭作为商业航天主要的运载工具，降低其商用成本、满足市场所需是运载火箭大规模商业化应用的关键，也是构建整个商业航天生态的基石。
有效降低火箭成本的三种途径为：一是火箭回收与重复使用；二是垂直整合产业链与自主研发核心技术；三是采用通用化设计，使用市场货架产品。其中，火箭可回收技术是降低成本最核心且有效的方式。
运载工具的一次性使用是航天发射成本高昂的重要原因之一，火箭回收与重复使用有望将发射成本降至三分之一。在搭载有效载荷飞行并最终把有效载荷送入预定轨道的过程中，运载火箭各子级按时序分离、报废。可重复使用火箭通过对发动机、箭体及其它设备的垂直回收与重复使用，能够大幅降低发射成本。SpaceX凭借技术突破，自研掌握了火箭回收技术等关键技术，于 2015 年 12 月成功回收“猎鹰 9 号”一级火箭，将“猎鹰 9 号”发射费用降至每千克 0.62 亿美元，约为同类型运载火箭发射价格的 30%，竞争优势明显。
运载火箭实现可重复使用需要在火箭完成使命后，使其安全返回地面才能在检修后再次投入使用。因此，回收方式对可重复使用运载火箭的设计至关重要，可分为伞降回收、垂直回收及带翼飞回三种：
伞降回收是一级火箭完成级间段分离后使用降落伞进行回收的方式，具有技术成熟度高、运载能力损失小（约 10%）、成功率高等优势，尤其能减少对地面人员设施的危害。但伞降回收对着陆地形要求高且难以控制着陆点，火箭落地后发动机也随之报废，与真正意义上的“回收利用”差距很大。采用伞降回收的代表火箭如联合发射联盟公司（UnitedLaunch Alliance，ULA）（未上市）的“火神”火箭，该火箭一级发动机结束工作完成级间分离后，使用降落伞进行减速，由直升机在空中实现回收。

文章插图
“火神”火箭 SMART 技术示意图
垂直回收是通过重启一级火箭发动机以减速并调整至指定地点的回收方式，重启发动机需预留推进剂，火箭运载能力损失约 30-50%。采用垂直回收的代表火箭如 SpaceX（未上市）的“猎鹰 9 号”运载火箭，该火箭一级火箭分离后，通过姿态控制系统使一级火箭倒转，重启发动机反推火箭进入预定返回轨道，据报道，“猎鹰 9 号”火箭运载能力因回收会损失运载能力达 40%以上。

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