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航天飞机 VS 火箭回收:发射成本对比

2016/1/5 8:50:03来源:新浪科技作者:叶子责编:远洋评论:

北京时间1月5日消息,发射卫星、宇宙飞船、载人飞船等任务之所以耗资巨大,是因为运载火箭只能使用一次。在将运载的货物送入轨道之后,运载火箭要么在大气层中燃烧分解,要么坠入海洋之中。

那么,我们能否对这些运载火箭进行重新利用呢?

工程师们已经在这一问题上研究了数十年,最后提出了两种主要的解决方案:使用航天飞机,或者超级火箭。

美国太空探索技术公司(SpaceX)研发了一款能够飞回发射基地的火箭,利用火箭引擎,垂直降落到地面上。

与此同时,英国公司Reaction Engines正在对一款名为Skylon的飞机展开研究。这是一款民用航天飞机,使用了该公司的涡轮喷气/火箭混合式发动机(SABRE“佩刀”发动机)。该飞机能够在宇宙中航行,但它可以像正常的飞机一样,在跑道上起飞和降落。

上述两种方法都具有很好的发展前景,且都有着雄厚的经济背景支持。但究竟哪种方法在经济上更占优势呢?其中一种方法能够完败另一种吗?

综合多方信息,笔者对这一问题给出了解答。

笔者做了一个图表,综合了这两种方案在将运载物送入近地轨道时的每千克成本、以及使用可重复使用运载火箭的效果这两个问题上的表现。

在图表中,笔者将Skylon飞机与SpaceX公司的两款火箭,Falcon 9和Falcon Heavy进行了比较。其中后者将于明年4月首次发射。

此外,该图表中还包括一些成本效益最高的一次性火箭,与上述三款飞机和火箭进行对比。

图表显示,Skylon飞机是三者中最贵的,并且只有在多次发射之后,它的单次发射成本才能下降到与火箭开始时相同的水平。而在发射了同样多的次数之后,两款Falcon火箭的发射成本仍比Skylon飞机要低。

考虑到这一点,欧洲航天局居然仍在大力研究耗资巨大的Ariane 6运载火箭,不得不说令人惊奇。

虽然发射成本大大下降,但Skylon飞机究竟能否在发射市场上获得足够的使用空间、从而降低其单次发射成本,仍是一个值得思考的问题。去年,全球的火箭发射次数仅有92次。

Skylon飞机即使与部分可重利用的Falcon火箭相比,也显得不占优势,更别提与完全可重利用的运载火箭相比了,这其中有几大原因:

首先,Skylon飞机的成本比Falcon 9火箭高30倍,比Falcon Heavy火箭高20倍。虽然它从理论上来说更可靠(笔者对此表示怀疑),但成本上的差距会对保险价格产生巨大的影响,从而进一步增加运营成本。

其次,由于Skylon飞机使用的是相对昂贵的喷气式/火箭混合推进器,为Skylon飞机添加燃料的成本比Falcon 9火箭高6倍,是Falcon Heavy火箭的两倍。

此外,它还需要在5千米长的跑道上起飞和降落,而Falcon 9火箭只需要一块大型直升机停机坪就可以了。因此,Skylon飞机需要更多的运营和维护成本。不过,如果它能够获得商业机场的使用权,这些成本就能有所下降。

Reaction Engines公司近日与BAE系统公司达成了合作伙伴关系,但Skylon目前仍是一个有着约100位支持者的白皮书计划,。在Skylon飞机正式投入使用之前,至少还需要10年左右的研发和测试,以及140亿英镑研究资金。

SpaceX是一家市值约80亿英镑的公司,约有4000名员工。或许短短几年之内,该公司就将研发出完全成熟的可重复使用Falcon火箭。

近期测试显示,该火箭已经能够近乎完美地完成难度很高的自动降落任务。一旦掌握了这一技术,研究人员就会将该火箭拆开,然后对其展开研究。他们还会继续优化设计,提高稳定性,并进一步降低造价。

1996年,中国的长征三号乙火箭在发射时坠毁,美国怀疑自己的编码技术被中国当局窃取、用在了该火箭搭载的国际通信卫星上。随之而来的政治风暴对美国与卫星及其它太空科技相关的立法造成了深远而重大的影响。

这导致SpaceX公司很难吸引到美国境外的客户,也难以与外国政府合作——而外国市场占了全世界火箭发射的三分之二。这就使英国的Skylon飞机具备了极大的竞争优势,因为它不曾面临这样的限制。事实上,在除美国之外的市场上,Skylon飞机简直是一枝独秀。

不过,美国政府已经采取了一些措施,放松相关的规章制度。只有过了一段时间之后,我们才能获知,这些变化是否会涉及SpaceX这样的商业火箭运营商。

在解决一次性火箭这一问题方面,Reaction Engines公司的起步似乎晚了10年之久。相比之下,SpaceX公司已经差不多解决了这一问题。不过,前者的SABRE发动机可谓一大科技进步,在超音速飞机和未来运输机等民航领域,或许有它的用武之地。

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