爲啥說SpaceX發射星鏈是免費的?

2021年5月9日SpaceX歷史性創下複用火箭最新紀錄:一箭十飛十回收!不禁讓人再度聚焦「火箭複用路徑圖」,就此牽出一連串問題。

●問題之一:獵鷹9號火箭複用極限是多少?

馬斯克最近表態:「一箭十飛並非上限,更不是什麼極限數字。只要火箭條件允許就會一直飛下去,直到報廢爲止。」這就意味着獵鷹9號火箭重複使用沒有明顯限制,發射上百次在理論上也是可能的。

四年前,即2018年5月11日首次啓用獵鷹9號B5款型火箭之時,馬斯克當時放出豪言壯語:未來目標是一箭百飛,現階段目標是一箭十飛。

SpaceX再創複用里程碑:一箭十飛十回收!複用無上限,直到報廢

●問題之二:SpaceX複用火箭需要哪些前提條件?

簡單來說分爲如下七步:①一級火箭實現軟着陸、整流罩安全回收(二級火箭/上面級還不能回收複用);②陸路運輸至德州麥格雷戈火箭測試基地進行復查、翻新、測試;③主要是對9臺梅林發動機進行脫油清理,採用煤油+液氧作爲推進劑的梅林發動機不可避免地產生老毛病:積碳問題,需要耗時耗力拆裝渦輪機才能徹底清理乾淨;④需要對箭體本身、燃料罐/液氧罐、柵格翼、着陸腿、整流罩等硬件進行全面檢查,包括X射線複檢,試圖發現潛在裂縫或者其他異常;⑤重新裝配一級火箭,執行靜態點火測試;⑥由火箭測試基地再次運抵發射場,一二級火箭+整流罩/有效載荷進行水平整合;⑦發射前執行一系列複檢,視情況而定是否執行發射臺靜態點火測試(事實上每次試射都會不可避免地對發動機造成損耗),之後整裝待發,既定發射。

經過這些繁複而必要的程序後,我們再看看複用一級火箭以及整流罩成績單:

▲SpaceX複用回收統計表·三體引力波製圖

★複用一級火箭:從2017年3月30日第一次重複使用一級火箭發射至今,截至目前(2021年5月11日)已經複用63次。同枚一級火箭最高使用次數:十次(B1051.10)。一級火箭兩次發射間隔即最快週轉時間:27天4小時4分鐘(B1061.4~B1061.5)。複用一級火箭最大耗時過程就是翻新處理梅林發動機,從最初幾個月現已壓縮到數天內完成。順便提下,星艦系統採用燃燒更乾淨、也更充分的猛禽發動機,理論上會比梅林發動機複用翻新容易得多,不需要拆裝渦輪機,因此複用效率、次數有望大幅提升。

★複用整流罩:從2019年11月11日發射首批1.0版星鏈以來,截至目前(2021年5月11日)已經重複使用整流罩:19次、複用片數:33片。其中7次使用三手整流罩、兩次使用四手整流罩、10次使用二手整流罩。同一片整流罩最快週轉時間:41天(2021年3月24日~2021年5月5日)。

▲全球主要火箭發射價對照圖(發射均價/每公斤載荷運價)

●問題之三:SpaceX複用發射到底節省多少$?

首先需要說明的是,SpaceX屬於私營太空公司,而非IPO公開募股上市公司,因此沒規定、沒義務、沒可能向外界披露相關財務信息。不過我們還是可以簡單粗略做些統計。

從2017年首次複用火箭算起,SpaceX迄今總計發射過63次複用火箭。如果按照每枚6200萬美元新火箭發射價累加的話,63次發射總價超過39億美元。事實上照此單價的話,SpaceX根本也不會發射這麼多次數。畢竟,這些發射訂單大部分都是靠「低價、高效」策略纔會取得。

根據不完全統計,從2017年首次複用火箭一直到2021年1月,至少已經爲SpaceX節省超過14億美元。(信息源:Primal Space製作出品視頻)

由於SpaceX沒有義務向外界披露財務信息,所以這一數據是由專業機構依照公開可循信息估算出來的。事實上這筆精算賬目遠比想象得複雜,下面我們就會略知一二。

●問題之四:SpaceX發射價是如何構成的?

▲全新獵鷹9號火箭發射價格構成圖·三體引力波製圖

根據最近相關信息披露,大抵可以繪製一張全新火箭發射價構成餅狀圖:一級火箭生產成本約爲3000萬美元,佔比48%;二級火箭生產成本約爲1000萬美元,佔比16%;整流罩生產成本約550萬美元(新版整流罩最初600萬)佔比9%;燃料費、發射場地費及其他費約爲500萬美元,佔比8%;商業發射毛利潤1150萬美元,佔比19%。

請注意,這只是全新獵鷹9號火箭商業發射價構成圖,並不適用於更爲複雜覈算的複用發射價。那麼獵鷹9號火箭複用發射價格又是如何構成的?

●問題之五:SpaceX複用發射價如何構成?

根據馬斯克給出的複用邊際成本(Marginal Cost)~1500萬美元,即發射一次複用火箭所需的增量成本,這當中包括回收、翻新一級火箭費用25萬美元(你沒看錯只有25萬$);二級火箭製造成本同樣還是1000萬美元;燃料費、發射場地費及其他費約爲500萬美元,以及回收檢修整流罩費用(幾乎可以忽略不計)。

▲複用獵鷹9號火箭商業發射價格構成圖·三體引力波製圖

這張複用火箭發射價構成餅狀圖:一級火箭回收翻新成本僅有25萬美元,僅佔發射價1%;二級火箭生產成本還是1000萬美元,佔比37%;回收檢修整流罩費用幾乎可以忽略不計,不妨計入燃料費、發射場地費及其他費當中,約爲500萬美元,佔比18%;商業發射毛利潤約爲1200萬美元,佔比高達44%——前提是這筆複用發射訂單需要來自外部商業客戶買單,否則爲自家星鏈任務發射,不可能按照這個毛利潤進行財務覈算。

這意味着什麼?

至少意味着前兩次商業發射之後,從第三次一直到第五次發射自家星鏈的話,從發射成本覈算角度衡量:全是免費的。

這筆賬目其實很簡單:前兩次商發由外部客戶全部買單,總髮射收入爲1.12億美元(第一發:6200萬美元+複用第二發5000萬美元),而SpaceX總成本僅爲6500萬美元(第一發發射成本5000萬美元+第二發邊際成本1500萬美元),所以兩次發射後SpaceX會賺得4700萬美元利潤,這筆收入至少可以支付三次Starlink星鏈發射費用(三次複用邊際成本1500萬×3=4500萬美元),不僅免費還有結餘。

整個航天產業能夠如此精於此道者,不僅無出其右,甚至都沒有近身模仿者。

●問題之六:一箭十飛複用發射價又是如何覈算的?

▲圖表數據信息源:elonx.net、wikipedia.org

爲了更便於理解這張一箭十飛覈算發射價表,我們不妨還得了解下幾個前提條件:

①二級火箭製造成本保持不變:1000萬美元;整流罩製造成本保持不變:550萬美元;回收檢修整流罩費用幾乎可以忽略不計;一級火箭回收翻新成本不變:25萬美元;燃料費、發射場地費及其他費不變:500萬美元。按照SpaceX不斷削減成本的慣性做法,事實上這些成本還會隨着時間逐步降低,此處爲了方便覈算,暫且忽略。

②整流罩按照複用一次的簡單方法覈算,事實上如上所述,整流罩使用從全新到二手再到四手都有,此處爲了方便覈算,僅以一手、二手交替使用爲例。

③目前一枚複用火箭發射外部商業客戶最多4次(B1046、B1058),再加上從發射成本覈算角度來看,一枚複用火箭只要承接過4次商業發射任務,其餘6次發射自家星鏈任務都屬於免費午餐。

事實上,SpaceX正是按照這個「免費套餐」不斷部署一批批星鏈的。剛剛實現一箭十飛的B1051.10,看似只完成三次商業發射(載人龍飛船DM-1、RCM、SXM-7),但是承運NASA商業載人發射包括試飛任務,發射價遠高於一般商業發射價,發射利潤足夠支持多次星鏈任務。

如果排除國家戰略、政府投入、不正當競爭等因素,純粹從商業成本覈算上做下對比,那些正在或者打算部署全球巨型星座的競爭者們,比如光頭貝旗下的柯伊伯星座、英倫政府背景的一網星座、加國政府背景的Telesat星座等等,要想試圖直接PK星鏈星座,最好先看看這份複用發射價格表,好好掂量一下自身實力……

由SpaceX開創的火箭複用模式,從最初被業界所不齒,一直到如今被效仿,短短几年工夫徹底改寫全球航天發射領域市場格局、發展趨勢。相比之下,其他發射商不管是國家隊還是新老勁旅,至少需要5~10年才能初步掌握回收/複用火箭技術。

到那時,一路遙遙領先的SpaceX不再僅僅是個地球圈的「價格屠夫」,很可能已經成爲深空界的「世外高人」,早已嫺熟掌控星艦系統,在地球編織點對點的全球一小時交通網;在地月之間構建繁忙的載人月球航班;在地火之間打造定期的火星運輸線……這一切不再是白日夢,不再是馬斯克一個人夢想,而是人類跨出母星搖籃、構建跨星球文明、開啓大航天時代的現實寫照。

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