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[科技博览] 新太空竞赛开场 预计中国民营火箭也将在今年首飞

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江湖少侠

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发表于 2018-2-8 16:01:58 |显示全部楼层
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美国东部时间2月6日,太空探索技术公司(SpaceX)打破了由联合发射联盟(ULA)保持了多年的记录,成功发射的猎鹰重型火箭(Falcon heavy)将运载火箭的近地轨道运载能力提升至63.8吨。

  在此之前,这一记录是由ULA制造的德尔塔4重型火箭(Delta IV Heavy)实现的28.8吨,该火箭于2004年首次发射,但因发射成本极高,主要为美国政府、军方提供发射服务。

  值得一提的是,猎鹰重型不仅是目前运力最强的火箭,同时也是“最便宜”的火箭。NASA此前曾对美国太空发射成本进行统计分析指出,猎鹰重型是目前单位发射成本最低的火箭,其9000万美元的官网发射报价低于德尔塔4重型的3.36亿美元。从单位质量载荷成本来看,猎鹰重型单位发射成本为1141美元/千克,更是远低于后者的11660美元/千克。

  作为太空时代的唯一交通工具,运载能力的提升以及成本的大幅下降正在掀起革命。正如SpaceX创始人马斯克的宣言,一场新的太空竞赛正在上演。

  低成本革命

  上一轮太空竞赛发生在二十世纪的50、60年代,美国、前苏联为争夺航天地位而展开一系列竞赛,人造卫星、空间探测、载人航天、登月、军事等领域科技实力在此期间突飞猛进,这场完全以国力为资源的竞赛也奠定了今天商业航天的基础。

  近年来,随着各国政府、企业太空活动的不断增加,包括卫星、火箭在内的航天产业开始走出军事、政府领域,大规模投入商业市场,而相应的卫星、火箭产品也在发生巨大的变化。

  以卫星为例,根据UCS(Union of Concerned Scientists)卫星数据库统计,截至2017年8月31日,全球在轨运行的卫星1738颗,其中属于军事、政府卫星约844颗,商业卫星767颗,民用卫星127颗,民用、商业卫星占比达到51.4%。而在美国,民用、商业卫星494颗,军事、政府卫星309颗,民用、商业卫星占比已达61.5%。在这份数据中,美国以803颗卫星排在世界首位,中国以204颗卫星排在第二位。

  因商业航天高速发展,卫星发射数量也在急剧攀升。2013年,全球发射卫星数量首次破百,达到110颗;2016年,这一数字攀升至169颗。2017年的1-8月,全球发射卫星数量达到310颗。

  这主要归因于卫星产业的变革。与国家级高质量、多功能、更可靠、高成本的大卫星不同,近年来的商业卫星公司主要在发射微小卫星、微纳卫星。一般而言,大卫星以吨为单位,而小卫星重量普遍在100-500千克,10-100千克的卫星被归类为微卫星,纳卫星重量则在1-10千克。

  2017年2月,美国卫星公司Planet Labs一次就发射了88颗微纳卫星,用于组建遥感星座,这种卫星质量只有3千克,通过缩小体积大幅降低生产、发射成本,同时也可以通过大量发射低成本卫星提高容错率、降低风险。

  除了Planet Labs之外,OneWeb、劳拉等商业卫星的公司,以及波音、三星等巨头也均致力于微纳卫星。SpaceX在2016年11月曾向FCC(美国通信委员会)提交了包含4428颗卫星的星座计划,中国新进发射的北斗、墨子号、悟空号等卫星也均为微小卫星。体积小、成本低的微小卫星组网正在成为卫星市场的主流趋势。根据目前国内外公司规划数据,未来发射的微小卫星数量过万颗。

  庞大的微小卫星发射市场也使得商业火箭公司开始追求更低的发射成本,围绕这一趋势诞生了多家火箭公司。其中美国初创公司Vertor Space、Roket Labs等公司的火箭发射报价已经低至300万美元,每次发射载荷重量在100千克以上。当然,国内长征十一号、快舟一号,以及零壹空间、翎客航天等民营创业公司也均瞄准这一爆发中的市场。

  火箭竞赛

  除了火箭小型化之外,降低火箭发射成本最主要的方式是实现火箭回收。由于火箭发射中一级火箭成本占比达到90%以上,如果能够成功回收并重复利用,可以大幅降低发射成本。

  多家火箭发射公司均曾研究、尝试这一技术。2015年12月22日,SpaceX首次将入轨火箭成功回收,使得火箭回收广为人知。事实上,在此次回收之前,SpaceX回收失败过3次,2016年的8次成功发射中,同样是5次成功回收、3次失败。但2017年的18次发射中,14次回收全部成功,且其中4次发射使用了回收火箭。根据业内不同分析,成熟的可回收火箭可以将发射成本降低70%-90%。

  值得一提的是,此次成功发射的猎鹰重型火箭的两个助推器均为之前回收的一级火箭,且发射之后再次成功回收,这也是猎鹰重型报价极低的根本原因。

  不过,需要指出,猎鹰重型火箭的目标并非爆发中的微小卫星发射市场,而是太空旅行、深空探索,甚至月球、火星登陆等场景,但现阶段火箭运载能力仍不足以支撑开启这些太空时代。此前,曾发射阿波罗载人登月航天器的土星五号,运载力达到140吨,该火箭一次发射成本惊人,目前已经退役。

  如今,NASA为了登陆火星已经连续研发十年的太空发射系统(SLS),其中包括近地轨道运载力分别为70吨、105吨、130吨三个型号火箭。SLS是未来NASA登月、登陆火星的主力,该计划已经投资了接近200亿美元,预计首个型号火箭在2019年发射。与美国SLS对应,中国正在研发长征九号重型火箭,该火箭理论近地轨道运载能力将达到140吨,预计可在2030年首飞。

  除了国家政府之外,商业公司蓝色起源、ULA同样在研发重型火箭,其中,蓝色起源投资25亿美元研发的New Glenn近地轨道运载能力达到45吨,预计在2020年问世。ULA研发了Vulcan火箭以应对SpaceX的竞争,Vulcan暂未公布近地轨道运载能力,不过其GTO轨道运载力可达23吨,略低于猎鹰重型的26.7吨。

  火箭的运载力与成本,是开启太空时代的钥匙,这场关于运力、成本的竞赛,才刚刚开幕。


  不过,需要指出,虽然太空时代尚未到来,但关于商业航天的市场竞争早在上世纪90年代就已经上演。当时,中国凭借低廉的发射成本在国际发射市场上收获不少订单,其中,在1997-1999年间还为摩托罗拉公司发射过12颗铱星。

  但其后,美国政府发布禁令,禁止中国火箭发射所有美国研制、有美国零件的卫星。中国商业发射订单几乎瞬间断绝,在2000-2007年间,长征系列火箭的发射记录中仅有中巴资源卫星、尼日利亚通信卫星三个商业订单。其后,由于国家发射卫星数量不断提升,长征系列火箭也没有多余的精力承接太多商业订单。

  2014年之后,中国商业航天市场开始向民营企业开放,数十家民营卫星、火箭公司陆续成立,目前,民营卫星公司已经陆续发射卫星,预计民营火箭也将在今年首飞,中国政府、企业都参与到了这场太空竞赛之中。
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