洞穴之外|运载火箭价格理论研究

文摘   科技   2024-01-13 12:37   北京  
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火箭的价格可以用理论公式计算。




最近发现一件有意思的事情,因此系统地梳理了一下。

曾统计过,运载能力提升一倍,单价打八折。

当时有人告诉我,其它行业也有这个规律。

一查有个莱特定律:产能提升一倍,单价打八折,因此后来文章就用了两个八折理论。

都说任何事情都有其根源,这个是必然的吗?思考了一下两个八折的确是有机联系的。

对于特定规模发射量,可以采用大运力少数次发射,或小运力多次发射实现(当然前提是单颗星打得动)。多次发射相当于提高了火箭产能,由莱特定律推导出火箭单价只有达到八折定律,在统计意义上才是经济的。一般而言,大火箭由于摊薄了固定部分成本,单价会便宜,那逻辑上是不是小火箭就没有前途了呢?显然不是,国内外还有那么多小火箭在飞。因为八折定律在起作用,如果不满足八折定律,小火箭加足马力像下饺子一样,价格一样能下来,而八折区间正好是大小火箭的平衡点。

因为八折是  ,再乘以重量本身,得到火箭总价正比于运力的2/3次方,因此火箭价格可以写为
火箭分轨道,LEO和SSO轨道,不同火箭运载能力不同。对于LEO轨道,大约是7万元/kg,也就是咱们常说的1万美元/kg,这里隐含运力为1吨,有
当x单位为吨时,价格的单位为亿元。也许你会说,1万美元/kg不是对应SSO运力吗?不要着急,后面会解释。

对国外火箭价格进行计算,其中美元和人民币换算汇率为7。

表 国外火箭LEO运力与价格

型号

LEO运力(t)

实际价格(亿美元)

理论价格(亿美元)

备注

猎鹰重型不复用

63.8

1.5

1.6

相当

猎鹰9复用

17

0.62

0.66

相当

猎鹰9不复用

22.8

0.9

0.8

相当

宇宙神551

19

1.64

0.71

贵1倍

德尔塔4H

28

3.5

0.92

黑店

电子号

0.225

0.075

0.037

贵1倍

联盟号2.1B

8.2

0.8

0.4

贵1倍

注:猎鹰重型重复使用能力未知,一说是28.4吨。

对国内火箭进行计算见下表。

表 国内火箭LEO运力与理论价格

型号

LEO运力(t)

理论价格(亿元)

CZ-2C

4.0

1.8

CZ-3B

11.5

3.6

CZ-2F

8.6

2.9

CZ-7

14

4.1

CZ-5

25

6.0

注:运力数据来自百度。

国内真实的火箭价格我不太知道,但应该有人知道,欢迎留言评论。

再看SSO轨道。SSO轨道与LEO轨道不存在明显的换算关系。总体而言,火箭级数越多,SSO轨道能力与LEO接近程度越高。综合国内多型火箭情况,700km SSO能力约是LEO的65%,由于计算其与LEO轨道的换算关系为  倍,因此价格系数为1.33*0.7=0.93。

统计国内火箭700km SSO运力与价格见下表。

表 国内火箭700km SSO运力与理论价格

型号

700km SSO运力(t)

理论价格(亿元)

CZ-2C

1.3

1.1

KZ-1A

0.2

0.32

CZ-11

0.42

0.52

CZ-6A

4

2.3

CZ-8

5

2.7

CZ-3B

7.1

3.4

同理,500km SSO能力大约是LEO的75%,因此换算系数为0.85。 
由于国家队火箭很少使用500km SSO运力作为指标,而商业航天当前发射均以500km SSO为主,在拟合时发现中国商业航天相对便宜了20%,这里的商业航天不仅仅包括民营航天,也包括CZ-8等。即商业火箭已经将500km SSO单价打到八折(这个八折是不是背后有什么原因,我还不能把逻辑串起来),正好相当于以前LEO单价水平。 
统计国内火箭500km SSO运力与价格见下表。

表 国内商业火箭500km SSO运力与理论价格

型号

500km SSO运力(t)

理论价格(亿元)

谷神星一号

0.3

0.30

力箭一号/捷龙三号/

朱雀二号/天龙二号

1.5

0.90

引力一号

4.2

1.80

知大家看完什么感受?我的感受是这个公式有点准,而且公式揭示了火箭行业的两个本质。

本质之一是火箭售价和理论价格关系如果火箭的售价高于理论价格,那么放到长期来看,这款火箭竞争力堪忧;如果售价低于理论价格,则火箭具有长期竞争力。

对应火箭的商业本质,各行业都是为了挣钱,任何行业挣钱分为四个阶段。

  • 第一阶段是垄断阶段,垄断是暴利的。对应没有龙飞船之前联盟火箭的宰人座位,或黑店ULA,想卖多少卖多少,这时候可以抛弃理论价格。

  • 第二阶段是准入阶段,垄断的暴利刺激其它人迅速进入并拉低价格(前提是自由市场)。对应SpaceX价格系数直接降50%,而目前的中国商业航天直接降了20%。

  • 第三阶段是技术阶段,挣独特技术优势的钱,对应现在的猎鹰9回收,仍可以用常规价格卖火箭,剩下的都是赚到的。

  • 第四阶段是内卷阶段,由于技术长期迭代进化后都会趋同,这时挣的只能是管理效率提升或其它隐形垄断(譬如同一单位内部流通)带来的辛苦钱,此时即使是垄断也是辛苦钱,因为挣的不会超出制度成本太多。对应现在中国大部分行业,都是白菜价在卷卷卷。

本质之二是火箭成本和换算价格关系如果火箭成本在换算价格之上,公司就可以长期盈利;如果成本比不上换算价格,公司长期无法存活。这里成本对应的并不是售价,因为长期来看售价会趋向于理论价格,这也为火箭立项时成本核算提供了依据:对标理论价格研制火箭。

对应火箭的技术和管理先进性本质,其中技术先进性不体现在火箭新还是旧,也不体现在什么创新点上,只体现在运载系数(=运载能力/起飞规模),运载系数越大,技术越先进。在火箭基本不变的情况下,运载能力越大,则赚的越多。以CZ-2C为例,最早CZ-2能力为1.8吨,现在提升到4吨,提升后火箭成本基本不变,但换算价格从1.0亿元提升到了1.76亿元,由于中国的报价体系,加量但从不加价,所以大家都说CZ-2C便宜,它便宜是因为它在改进,它是先进的,这种先进性无关新旧、无关用什么推进剂。就像猎鹰9便宜,它的最大原因是运载能力从v1.1版的10吨提升到了v1.2版的22.8吨,重复使用进一步加大了经济性但不是决定性的。

再看一下本文给出的价格理论模型。 

 商业天直接打八折,即 
这个公式是基于统计长期有效的,我们肯定有很多现实的问题需要回答,其实这些问题的答案依然没有逃脱理论本身:
  • 怎么以最低价发卫星?极小批采购,产量没上来,此外拼单会有时间成本、协调成本等不能完全满足的成本,这些都会折成价格,八折定律依然有效;大批量采购任务,谁单价便宜买谁的,自由市场上尽管压价,产量上来了,保证最后单价都是一样的,它反映的是八折定律的长期内涵。

  • 商业火箭怎么便宜?商业火箭处于挣钱的第二阶段,目前国内商业火箭已经将价格系数打下了20%,商业的近期目标是通过管理能力和运载效率技术提升,进一步将价格系数继续打下50%,这可以类比于猎鹰9通过马斯克极强的成本控制手段和强悍的运载效率,在一次性火箭售价上已经将价格系数打下了50%。

  • 重复使用怎么降低价格?重复使用将进一步降低价格系数,并未改变八折定律。当大家都能返回时,又将开启新一轮的卷卷卷。真正可怕的是Starship的全回收,它虽然不会改变八折定律,但它成量级地改变价格系数,当价格系数为0时,就不存在八折定律了。

  • 中美火箭未来的战场在哪儿?在运载系数的先进性上,得承认我们有差距,但没关系,运载系数不够价格系数来凑,靠我们较为便宜的工业品价格,并创造更多的市场需求,降低价格系数一样可以低成本。中美未来真正的战场未必在一级回收,而是全回收,因为那时的价格系数,将是屠夫级的。




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