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文 | 火箭派航天
新視角:商業航天的本質升級
随着航天領域的拓展,商業航天正邁向一個新的時代,其中最爲關鍵的挑戰之一是通過低成本的方式解決大規模上天的問題。這挑戰不僅是爲了擴展人類的疆域、獲取更多資源和能源,更是爲了推動地面産業的升級。在大航天時代,商業航天的基本邏輯在于通過技術創新和模式創新來降低發射成本,從而創造更大的商業價值。從過去的簡單 " 有無 " 問題到如今的商業航天,關注點已經從單一任務轉向了成本效益、高效運載的綜合考量。因此,解決大規模上天的難題将成爲商業航天實現本質升級的關鍵一步。
當前市面上的解決方案與火箭價值公式
在探讨大規模上天的問題之前,我們首先需要了解市面上已有的解決方案。除了衆所周知的運載火箭之外,還有空天飛機、太空電梯等多種新概念。然而,這些新概念方案在關鍵技術未突破的情況下尚處于研究階段。因此,運載火箭仍是當前技術條件下的最佳運載方案。
如何衡量一發火箭的價值呢?要從火箭的基本功能說起,火箭本質是一種運載工具,把載荷(貨物)從地面運送到太空。要衡量其價值需要對多個維度和要素進行綜合研究,如火箭性能維度的運載能力、發射保證維度的發射頻率以及成本維度的成本等,這些都會造成火箭價值的變化。綜述,火箭價值的評估公式可簡化爲下面函數:
R π = f ( L,n,C ) ....................... ( 1 )
其中 , R π 是火箭價值;L 是火箭運載能力;n 是年度發射頻率;C 是火箭總成本。
當然,上述三個主要參數也受其他要素的影響,而且三者并非孤立的,而是有内在聯系。
比如火箭的運載能力 L 受火箭整機性能、發動機性能和其他部件系統影響;年度發射頻率 n 受到公司資質、頻率、衛星 / 載荷、生産周轉率、市場 / 需求、信息、總裝總測以及發射台及地面保障等影響;火箭總成本 C 受供應鏈、新技術應用程度、固定資産和 R&D 等因素影響。
運載能力 L 是衡量火箭價值的最重要的衡量維度,每次運送的載荷越多,價值就會越大;其次是效率方面 n,每年可以發射的次數越多,往太空運送的載荷就越多,價值就越大;最後要考慮到成本 C,就是運送每公斤載荷所需的成本,成本越少,說明火箭價值越大。綜上所述,可具體表述爲下式:
其中:C/L 表示載荷單公斤成本。
通過這個公式,我們可以更清晰地了解各類火箭在商業航天市場中的地位。
我們以每次滿載來粗略對比下電子号、獵鷹 9 和長征 3B 世界各型火箭的價值,詳見表 1:
1、電子号發射報價 490 萬美元,制造成本按報價 90% 粗算約 440 萬美元;
2、按《小火箭》公衆号對獵鷹 9 号火箭的成本分析來估算:6210 萬美元是全新的一手 " 獵鷹 9" 發射報價,制造成本約爲 5588 萬美元,如果是二手火箭,重複利用 8 次,平均每枚制造成本約爲 3513 萬美元,重複利用 14 次,平均每枚制造成本約爲 3150 萬美元,目前 SpaceX 公司已有 2 枚 15 手火箭,還有大量 10 手以上的,22 年按平均每枚成本 3513 萬美元,23 年按平均每枚成本 3150 萬美元進行粗算;23 年獵鷹 9 号火箭發射預計可達 100 次。
表 1: 世界各型火箭的價值
從表 1 中的電子号、獵鷹 9 及長征 3B 等火箭價值的對比中可以看出,制造成本最低的爲電子号,其次是長征 3B,獵鷹 9 居末。但若從價值角度出發,獵鷹 9 的價值最高。其原因在于其運載能力的優勢,SpaceX 運用各種創新技術,在确保産品可靠性的同時,通過回收重複使用,提高發射次數、降低成本,爲大規模上天問題提供了解決路徑。但就近日 SpaceX 超重型運載火箭 " 星艦 " 二次試飛的失利來看,想要通過超重型火箭一步到位、成功實現大規模上天之路仍是漫漫。國内的商業航天公司想要複刻 " 馬斯克模式 " 的成功,不僅需要幾十億美金的财力支撐,更要經過長達數年的努力和趕超。創新永無止境,商業航天公司仍需探讨更多解決方案,特别是在大規模上天的需求下,考慮成本和效率仍然是關鍵問題。
電氣化技術革新:航天發展的新動力
在雙碳時代的大背景下,能源正由石油化學能全面過渡電能。在汽車、航空行業,電動汽車、電動飛機正在蓬勃發展。基于芯片、傳感器、通訊、軟件和算法,電動汽車的自動駕駛、無人機上智能控制也在快速進步。以電池、電機、電控爲代表的 " 三電 " 技術的崛起爲解決大規模上天難題提供了新的可能性,火箭作爲航天領域的運輸載體同樣在電氣化技術的推動下受益匪淺,火箭的電氣化将成爲技術發展趨勢之一,如、增壓系統的電氣化(如電子号)、上面級動力系統電氣化(霍爾推進系統)和發射系統的電氣化(電磁彈射)等等。
以新西蘭火箭實驗室的 " 電子号 " 火箭爲例,通過采用電機驅動泵替代傳統的燃氣發生器驅動渦輪泵,成功簡化了系統結構,爲提升發動機性能和增加運載能力創造了可能。
圖:燃氣發生器循環液體火箭發動機(左)和電動泵循環液體火箭發動機(右)
電動泵發動機具備結構簡單、重量輕、深度變推線性可調,易多次起動、控制精度高、響應迅速、組件模塊化标準化程度高、持續升級特性好等特點。相較于傳統的液體火箭發動機,電動泵發動機極大提高了動力系統可操縱性和運載火箭性能優化空間。通過對基本型電動泵發動機的模塊化并聯,可以構造任意推力組合的大型運載火箭動力系統。
通過電動泵發動機看待電氣化對 n、L、C 的影響:
以電動泵發動機并聯爲基礎,配置強大的電池能源系統,爲整箭進行統一供配電,并在開放式箭機、分布式綜合電子設備、電動伺服、非火工品電分離、電驅閥門、高速光纖總線、無纜化激光通訊、無線傳感器網絡、大功率地面無線充電、箭地一體化分布式總線網絡等方面發力,瞄準無人值守自主測試的目标,實現火箭智能飛行控制。以上電氣化技術的應用将有效減少箭上設備數量和體積,大幅降低電纜網的重量,簡化測發流程,爲提高發射頻次、降低制造成本和提升運載能力提供了有力支持。後續通過電動泵發動機的叠代升級,将小型火箭轉變爲中型火箭,在運載能力上進一步突破。
火箭派聯合創始人、火箭副總指揮萬美指出," 以電動泵循環的液體火箭發動機的思路爲例,我們還可以做很多新的嘗試:例如利用一台完整獨立的電動泵發動機去替換原來的燃氣發生器,其推進劑直接來源于貯箱而不再是原來渦輪泵後流量,這樣電動泵發動機這個新的副系統可與渦輪泵解耦進行獨立控制。同理我們還可以通過電機和泵的多台并聯與一台大的推力室适配,也可以設計出一款大推力的電動泵發動機。以上兩種方式均可以在目前電池能量密度和電機功率密度不足的情況下将電動泵發動機推力提上去。相反,當電池能量密度和電機功率密度不斷提升時,這種形式的發動機性能也在提升,顯示出高成長性。"
電氣化火箭的未來前景及發展之路
火箭電氣化之路可持續發展的動力:日新月異的 " 三電 " 技術
以電動泵增壓技術路線爲例,國外 " 電子号 " 火箭目前将單台推力爲 2t 級的電動泵發動機 9 台并聯,實現将 200kg 載荷送到 500km 的 SSO 軌道;國内商業航天公司火箭派研制的 " 達爾文一号 " 新型運載火箭的 SSO 載荷能力初期可達 300kg。依照目前電池和電機的能力,已滿足 10t 級電動泵發動機的研制應用,足以支撐小型火箭的發射需求。
與此同時,高能量密度電池和高功率密度電機技術的發展日新月異。調研發現,未來 10 年内,電池和電機的技術指标發展相當可觀。預計到 2028 年,電機的功率密度、轉速、工作時長等指标都将顯著提升,電池的能量密度和放電倍率也将得到大幅度提升,屆時電動泵發動機的推力可以達到 30t 級,可支撐中型乃至大型火箭的研制,更好地滿足大規模上天的需求。
未來,随着電池、電機與電控的協同發展,以及火箭設計理念的優化革新,電動泵增壓發動機在中型乃至大型液體火箭領域,都将具有較大的發展潛力與較爲廣闊的應用前景。
表:電機發展規劃及主要參數
表:電池發展規劃及主要參數
火箭電氣化的潛力及未來應用場景
" 三電 " 技術正持續賦予商業航天的技術革新更多可能性,如美國 Spinlaunch 公司研制了一款 " 将火箭甩上天 " 的亞軌道加速器,通過地面旋轉系統産生的高速離心力将裝有小型載荷的火箭加速至超高速,使得火箭不再需要龐大的一級箭體,實現整體重量減輕,火箭運載效率提高。
此外,電氣化的發展也催生了電磁化技術的嶄露頭角。中國航天科工三院在 2023 年成功完成商業航天電磁發射高溫超導電動懸浮試驗,展現了電磁發射技術的巨大潛力。如果可以用高溫超導電動懸浮技術來代替或輔助火箭發射技術,就可以解決或緩解傳統火箭發射技術所存在的問題和局限,實現更快速、便捷和更安全、環保的太空探索。
電動泵發動機技術與電磁軌道發射技術的結合在大規模上天問題中具有潛在優勢。這些技術的突破有望整體降低運載火箭發射成本,實現一天内多次發射,常态化航天發射任務。未來,商業航天将通過多種技術方式的組合,創造更多大規模上天的路徑。
結語
在今年年初,特斯拉公司舉辦 2023 年投資者日活動上,CEO 埃隆 · 馬斯克指出 " 最終,即使是火箭也可以電氣化 "。電氣化技術的突飛猛進不僅爲火箭設計帶來了革新,更爲商業航天的廣闊未來鋪就道路。随着電動泵發動機等創新技術的實踐應用,我們正步入一個低成本、高效率、環保的新航天時代。航天領域的未來将不再局限于個别技術或個别企業,而是一個多元化技術并行發展的生态,從馬斯克的 SpaceX 到全球航天企業,各種創新技術如電磁化技術、新型推進技術、太空電梯等将共同構建一個多樣化的商業航天領域。這一切創新都将使人類的太空探索之路更加寬廣,我們有理由相信,在不遠的将來,大規模上天将不再是夢想,而是常态。