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1、运载火箭：航天运输主要载具
1.1、运载火箭概况
运载火箭是自身携带全部推进剂，靠火箭发动机喷射工质(工作介质)产生的反作 用力向前推进的飞行器，能够把人造地球卫星、载人飞船、货运飞船、空间站 或空间探测器等有效载荷送入预定轨道，可在大气层内和大气层外飞行。 火箭可按照不同方式分类：（1）按能源分为化学火箭、核火箭、电火箭以及光 子火箭等，其中化学火箭是目前最常见的火箭类型，化学火箭又分为液体推进剂 火箭、固体推进剂火箭和固液混合推进剂火箭；（2）按运载能力分为小型运载 火箭、中型运载火箭、大型运载火箭、重型运载火箭；（3）按级数分为单级火 箭和多级火箭，多级火箭一般由 2-4 级组成，其中多级火箭按结构形式分为串联 火箭、并联火箭和混合式火箭。
1.2、运载火箭构成
据《运载火箭及总体设计要求概论》（李福昌，余梦伦，朱维增），运载火箭 一般由箭体结构、推进系统、控制系统三大部分构成。箭体结构是安装连接有效 载荷、仪器设备、推进系统和储存推进剂，承受地面操作和飞行中的各种载荷， 维持良好的外形以保证火箭的完整的装置。推进系统是产生推力，为推动火箭提 供能源的装置。控制系统是控制火箭姿态稳定，使其按预定轨道飞行，及控制火 箭发动机关机，达到预定的速度，将有效载荷送入预定的轨道的装置。
（1）箭体结构
箭体结构是运载火箭的基础，用以维持火箭外形，将运载火箭各系统、组件连 接在一起从而形成完整的箭体。据《运载火箭及总体设计要求概论》（李福昌， 余梦伦，朱维增），箭体结构一般包括：有效载荷整流罩、推进剂贮箱、仪器 舱、箱间段、级间段、发动机支承结构、仪器支架、导管、活门和尾段、尾翼 等。有效载荷整流罩的作用是在大气层内飞行时保护有效载荷免受气动载荷及热 流的影响，并使火箭维持良好的气动外形。飞出大气层后，整流罩即被抛弃，以 减轻重量。推进剂贮箱占箭体结构的绝大部分，作用是储存推进剂，同时还是火 箭的承力结构。级间段是多级火箭的级间连接部件，作用是级间热分离时，使上 级发动机的喷流能顺畅排出。
（2）推进系统
推进系统是推动运载火箭飞行并获得一定速度的装置。据《运载火箭及总体设计 要求概论》（李福昌，余梦伦，朱维增），液体火箭的推进系统包括火箭发动机 及推进剂输送系统两部分。液体火箭发动机目前一般采用泵式推进剂供应，按要 求的流量和压力将推进剂泵入推力室，燃烧而产生推力。液体火箭的推进剂输送 系统是按要求将推进剂从推进剂贮箱内输送到发动机泵入口的装置。推进剂贮箱 内必须增压以保证泵不产生气蚀。大型运载火箭在输送系统中还设置了推进剂利 用系统，作用是保证火箭在飞行时、在受各种内外干扰条件下，推进剂按预定混 合比消耗，使剩余量最小，从而增大运载能力。据国家航天局，固体火箭的推进 系统较为简单，主要部分是固体火箭发动机，推进剂直接装在发动机的燃烧室 壳体内。
（3）控制系统
控制系统是用来控制运载火箭沿预定轨道正常可靠飞行的装置。据《运载火箭 及总体设计要求概论》，控制系统由制导、姿态控制和控制系统三部分组成。1） 制导系统由测量、控制装置和计算机等组成，作用是测量和计算火箭的位置、速 度、加速度和轨道参数等，并与预先装定的参数比较，形成制导指令，通过导引 信号控制火箭方向，使其沿一定的轨道飞行，并发出发动机关机指令，使有效载 荷进入预定轨道。2）姿态控制系统由敏感装置、计算机和执行机构组成。其中， 敏感装置测量箭体姿态的变化并输出信号；计算机对各姿态信号和导引指令按一 定控制规律进行运算、校正和放大并输出控制信号；执行机构根据控制信号产生 控制力矩，控制火箭的姿态。3）控制系统包括电源配电、时序和测试线路等， 能够将制导、姿态控制组成一个完整系统。
2、火箭发动机技术路径
据《商业运载火箭主发动机技术发展现状分析与展望》（朱仰招，潘宗方，崔迪 唐尧天，张军），主发动机是运载火箭的核心部件，技术复杂，成本高昂，占 火箭整体成本的 30%～50%，根据运载火箭的飞行要求，主发动机应具备大推 力、高可靠、高比冲、低成本、使用维护简单等理想特征。按使用的推进剂物态 分类，常见的火箭发动机有两种形式——固体火箭发动机和液体火箭发动机。 两种发动机在使用维护、成本、性能等方面各有千秋，因此火箭采用固体发动机 还是液体发动机一直是航天界争议性较高的话题。
2.1、固液火箭结构与工质区别造成性能差异
2.1.1、固液火箭发动机结构及原理差别
据《火箭发动机理论基础》（宁超，田干），固体火箭发动机主要由燃烧室壳 体、固体推进剂装药、喷管和点火装置等主要部分组成。在固体火箭发动机中， 燃烧用的推进剂经压伸或浇注制成所需形状的装药，直接装于燃烧室或发动机壳 体内。由于不需要具有推进剂的输送系统或活门，因此固体推进剂火箭发动机结 构通常比较简单。工作时，由点火装置点燃点火药，进一步将装药迅速加热点燃， 使推进剂的化学能转变成燃烧产物的热能，继而膨胀加速后高速排出产生推力。
据《火箭发动机理论基础》（宁超，田干），液体火箭发动机由推力室（由喷 注器、燃烧室和喷管组成）、推进剂供应系统、推进剂贮箱和各种调节器等部 分组成。大多数液体火箭发动机使用的是双组元推进剂，即氧化剂组元和燃烧剂 组元，它们分别贮存在各自的贮箱中。这种发动机工作时，供应系统将两组元分 别经各自的输送管道输送到发动机头部，由喷注器喷入燃烧室中燃烧，生成高压 和高温的燃烧气体，燃气经喷管膨胀加速后，高速排出产生推动导弹或飞行器的 推力。 系统的可靠性等于系统内部各串联零部件可靠性的乘积。若单个零部件的可靠性 相仿，系统内零部件数量越少，则整个系统的可靠性越高。据《火箭发动机理论 基础》（宁超，田干），液体火箭发动机结构相比更加复杂，系统可靠性相对 偏低。
2.1.2、火箭核心指标运载能力上，液体火箭具备明显优势
运载能力指火箭能送入预定轨道的有效载荷重量，代表了火箭进入太空的能力。 据《火箭发动机理论基础》（杨月诚），固体推进剂能量密度较低，其比冲 （单位推进剂的量所产生的冲量，用来表示推进系统的燃烧效率）范围约为 200- 300s，而液体推进剂的比冲范围约为 250-460s（s 指 1 千克的物质产生 1 千克力 的推力可以持续的秒数）。据中国航天报《各有千秋的液体和固体火箭发动机》 （谢瑞强），比如美国“发现号”航天飞机的固体助推器推力高达 1250t，但真空 比冲只有 242s，而其使用的 RS-25 主发动机 SSME（Space Shuttle Main Engine） 则是真空比冲高达 452s 的高性能氢氧液体火箭发动机。根据齐奥尔科夫斯基公 式，比冲的提高带来运力指数级的提升，SSME 比冲提高了约 70%，性能优势显而易见。
2.1.3、固体火箭预装药，维护方便，可长期贮存，快速响应
据《火箭发动机理论基础》（杨月诚），液体火箭发射准备工作时间较长，维 护使用相对不便。液态推进剂存在易挥发、腐蚀等风险，因此在临发射之前加注 完成后，必须在一定时间内发射出去。据国家航天局官网，以常温推进剂四氧化 二氮和偏二甲肼为例，它们加注后存储周期是 7 天左右；而低温推进剂液氢、液 氧，它们的存储周期则只有 1 天，同时，发射前要做很多检查、维护、加注和泻 放等勤务处理工作。据《火箭发动机理论基础》（杨月诚），固体火箭发动机 结构简单，固体火药预先加工完成装入机体，且固体推进剂装药在运输和使用 时比液体推进剂安全得多，毒性也小。可在发动机内保存时间可长达数年之久， 随时处于战备待发状态，快速响应发射需求。据文昌航天城官网，长征十一号固 体运载火箭可在 24 小时内完成发射准备。
2.1.4、小型固体火箭成本与技术难度低，但液体火箭仍具性价比和应用场景
据中国航天报《各有千秋的液体和固体火箭发动机》（谢瑞强），支持固体火箭 的一派认为，一些大推力液体火箭发动机的研制难度很高，试验极为漫长，而小 型固体火箭没有复杂的涡轮泵和推进剂输送系统，研制难度就要低得多。据卫星 与网络《下半年，中国的大固体火箭将轮番登场》（张雪松），随着商业航天发 展，对于大运力火箭的需求逐步提高，运载量大的中大型固体火箭却仍然存在诸 多技术难点，比如高能/高比冲推进剂、大尺寸药柱浇筑、高性能壳体等多项技 术仍待解决。据中科院力学研究所《固体火箭与“力箭一号”首飞成功的意义》 （怡心），目前运送总载荷任务的火箭仍以相对技术较为成熟的液体火箭为主。 当前，以小型固体火箭为主的国内的商业运载火箭运载能力较低，导致了发射单 颗卫星性价比很低，一颗卫星的研发成本有时候甚至还达不到一次发射服务价格 的十分之一。据中国航天报《各有千秋的液体和固体火箭发动机》（谢瑞强）， 在国外市场，不管是SpaceX公司研制的猎鹰（Falcon）系列运载火箭，还是Blue Origin 公司研制的新谢泼德（New Shepard）火箭和新格伦（New Glenn）火箭， 均采用液体燃料作为动力。
2.2、固液火箭各有特点不分优劣，满足差异化使用场景为先
运载火箭使用愿景是更具效率和更加经济的完成发射任务，两种火箭瞄准商业 航天市场不同使用场景。据国家航天局 2019 年 08 月 27 日报道，固体火箭以其 准备周期越短、保存时间长、简单便宜、安全可靠、易于转场搬迁的优势。因此， 一方面适合商业航天领域初创企业选用，投入成本低，首发成功率高；另也尤 为适用于卫星的快速响应发射场景，如卫星补网发射，军事火箭领域应用等。 与之对应，液体火箭具有推力大、运载能力强、可控性高、单位成本低等优点。 因此，适合非紧急发射场景下的卫星大规模组网发射任务，实现一箭多星，进 一步在商业航天市场降本增效。长期视角下液体火箭和固体火箭都有广阔的各自 专长的发展空间，固液并存的局面或将一直持续下去。
2.3、液氧甲烷推动剂体系在可重复使用火箭中具有较大潜在价值
大型液体火箭一般采用双组元推进剂，具体可细分为常温推进剂和低温推进剂， 以四氧化二氮/偏二甲肼为代表的常温推进剂体系液体火箭发动机存在无法复用 的问题，并且燃料本身具有毒害。目前以液氧液氢、液氧煤油、液氧甲烷为代表 的低温推进剂体系液体火箭在可重复性方面已得到验证。 据《液体火箭主发动机技术现状与发展建议》（李斌），美国 SpaceX 公司研制 的液氧煤油梅林-1D（Merlin-1D）发动机，9 台并联用于猎鹰-9（Falcon-9）火箭 一子级，已实现回收复用；研制的液氧甲烷猛禽（Raptor）发动机，用于星舰第 一级重型助推器（Super Heavy-Starship），可实现两级完全重用目标。Blue Origin 公司研制的富氧补燃液氧甲烷发动机 BE-4，用于新格伦（New Glenn）火 箭和美国联合发射联盟（ULA，United Launch Alliance）下一代火神（Vulcan） 火箭，均实现一子级回收复用。
2.3.1、液氧甲烷相比液氧液氢及液氧煤油具有综合优势
据《航天动力发展的生力军——液氧甲烷火箭发动机》（王维彬，孙纪国），液 态甲烷正在成为继煤油、液氢等传统燃料之后的一种新型航天能源。液氧甲烷相 比液氧液氢成本更低，比较液氧煤油可回收性能更好，综合优势决定液氧甲烷 作为推进剂更具优势。据国家航天局官网发布的《液氧甲烷火箭发展概览》，在 火箭储箱等结构设计上，液氧与甲烷沸点较为接近，不像液氧和液氢那样沸点温 差悬殊。因此，选择清洁燃料时，液氧甲烷火箭便于使用低温推进剂共底储箱， 从而有效降低储箱重量，缩短长度，促使火箭箭体减重，增强运载能力，还可以 弥补在组合密度上的劣势。此外，甲烷的可挥发性强，因此储箱可以采用自生增 压设计，进一步助力高效减重。据《Compatibility of hydrocarbon fuels with booster engine combustion chamber liners》（S. ROSENBERG and M. GAGE），发动机维 护方面，甲烷结焦温度最高，煤油极限结焦温度最低，在含硫量低于 1毫克/升时， 甲烷几乎不会结焦，在燃烧过程中也几乎不产生积碳，而煤油则更易产生积碳。 相比煤油，液氧甲烷体系发动机的可重复性更好。
液态甲烷使用安全性与液氢基本相同。甲烷没有毒性，且分子量较小，比空气轻， 任何泄出或渗漏，都可以像氢一样，立即上升并散失在大气中，按照规则使用甲 烷安全性较高。据《航天动力发展的生力军——液氧甲烷火箭发动机》（王维彬， 孙纪国），液态甲烷来源于液化天然气（LNG，Liquefied Natural Gas）和固态天 然气水合物（又称“可燃冰”），在世界范围广泛存在着几乎是纯甲烷的天然气水 合物资源，估算资源量为 2x1013t。液态甲烷的制备成本远低于液氢，是液氢的 1/70，是煤油的 1/3。技术成熟情况下，液氧甲烷火箭相比液氧液氢火箭在成本 上将会进一步降低。 液氧甲烷发动机的理论比冲比液氧液氢发动机低约800m/s，比液氧煤油发动机高 约 100m/s；密度比冲是液氧煤油的 0.84 倍，是氢氧发动机的 1.8 倍。综合考虑火 箭性能和结构重量，液氧甲烷发动机与液氧煤油发动机性能相当，但燃料成本 更低，且发动机重复使用的维护性更好。
目前国内外液氧甲烷发动机的研制工作正在积极开展。据 Elon Musk 在 Twitter 的 发文，2023 年 5 月，SpaceX 的猛禽液氧甲烷发动机成功通过一次 45 秒静态点火 测试。据《发射火箭，为何液氧甲烷更具优势》（李成智，晓军），2023 年 7 月， 蓝箭航天研制的朱雀二号遥二运载火箭使用天鹊 80 吨级液氧甲烷发动机，成为 全球首款成功入轨的液氧甲烷火箭。液氧甲烷发动机因其同时具有液氧液氢发动 机大推力、回收性好的优势和液氧煤油发动机成本较低、安全性好、燃料来源 广泛的优点，此外还具有可用共底储箱，结构简化的独特之处，或将为未来商 业航天领域液体火箭动力系统的主要发展方向。
3、商业火箭的降本之路
3.1、商业航天成为运载火箭发展新浪潮
据北大纵横公众号，传统航天以任务保障为核心，偏向于计划、行政管理方式。 在业务运营上以政府、军方计划需求为导向，国家体系内各院所同步进行资源配 置，通过行政命令稳步向前推进。在支持体系上具有专门的人才系统、专项资金 保障，在核算上采用成本加成法定价。美苏争霸时期，两国政府在航天领域投入 大量资金。据《冷战时期苏联与美国外层空间竞争（1945-1969）》（范海虹）， 美国宇航局在 1961-1970 年间，向艾森豪威尔政府与肯尼迪政府提交的太空计划 预算分别为 179.17、430.86 亿美元。水星计划（Project Mercury）是美国首个载 人航天项目，1958-1963年间共耗资约 4亿美元；阿波罗计划（Project Apollo）是 NASA 在 1961 年-1972 年期间执行的载人登月项目，共耗资 254 亿美元。从 1966 年到 1970 年，苏联在外层空间项目的上投入总数为 79 亿卢布，按当时汇率换算约为 240 亿美元，占苏联年均国民经济生产总值的 1.25%左右。 随着竞争落下帷幕，完全依赖于政府投入的产业无法持续发展。据新华网《俄罗 斯航天：走出历史，走向未来》，由于苏联解体前夕的动荡，航空航天部门的资 金供应出现了严重的问题。苏联解体后，俄罗斯军工订单一落千丈，大批配套工 厂倒闭或改行，到了 1994 年，俄航天业从业人数急剧减少 35%，专家流失 50%， 航天部门不得不推出太空旅游等项目以解决政府投入不足的问题。
2023 年全球航天发射次数创新高，2019~2023 年全球航天发射次数从 102 次快速 增长至 223次，年均复合增速 21.60%。据《论商业航天概念内涵及我国商业航天 发展现状》（汪夏，任迪，汪明哲），商业航天活动是以市场机制配置资源，以 企业为主体，以盈利为目的，以航天产品开发、系统运营、应用服务为核心的 航天活动。民营企业成为商业发射中坚力量，技术研发助力降本成为大势所趋。 从美国的商业航天经历中，可以归纳出运载火箭发展的两个大趋势：1）低轨空 间的发射由国家主导逐步转向民营企业运营。2）得益于火箭技术的不断发展， 以及社会资本投入带来的资金支持，商业航天能够以更低的成本完成卫星发射任 务，并不断的拓宽市场。
目前各国主流火箭由于技术路线、发射任务、服务内容不同，火箭发射服务价格 差异较大。整体来看，采用重复回收技术的 SpaceX 的猎鹰 9 系列火箭每千克报 价显著低于其他火箭制造商。据美国联邦航空管理局《商业航天运输年度简编： 2017 年报告》统计数据，猎鹰 9 号火箭 LEO 轨道运载能力为 22.8 吨，每千克报 价 2684 美元，单发火箭发射服务报价 6119.52 万美元。商业航天火箭制造商若想 抢占发射服务市场则需进一步拓展降本增效的新边界，低成本、大运力、可复用 成为主流发展趋势。
运载火箭的成本主要包括火箭成本、发射成本、测控成本以及保险产生费用等， 据 iResearch《2018 年中国商业发射市场研究报告》，SpaceX 猎鹰 9 号运载火箭 发射成本中，火箭成本占比最高，约为 53%；发射和测控成本主要受火箭规模和 品种的影响；保险费用主要取决于火箭发射成功率。因此，在运载火箭发射的成 本构成中，火箭成本是最重要的可控成本。
一二级火箭硬件成本占比高，火箭可回收或为降本突破口。据《Launch Vehicle Recovery and Reuse》(Mohamed M.Ragab)，美国 AtlasV-401 型火箭的一级火箭中， 发动机占据半数以上总成本，箭体结构成本占到 23.6%，推进剂仅占 0.70%；二 级火箭中，发动机、箭体机构和电气设备占比分别为 28.6%，29.5%和 27.1%，推 进剂仅占 0.20%。上述数据表明，硬件成本在火箭中占比较高，如果火箭可多次 重复使用，可通过分摊有效降低硬件成本。因此对于商业发射企业来说，火箭可 回收是降本的重要途径。
3.2、垂直起落或为火箭最可行的回收方案
回收方式对运载火箭的复用至关重要，火箭回收方式发展至今主要包括伞降回收、 垂直返回及带翼飞回三种： 据新华网 2023年 4月 7日发布的《重复使用火箭：自由往返天地间》，伞降回收 是一种在火箭一级发动机工作结束，完成级间段分离后使用降落伞完成回收的 方式。据《Launch Vehicle Recovery and Reuse》(Mohamed M.Ragab)，虽然这种方 法具有技术成熟、运载能力损失小（约 10%）和成功率高等优势，能在一定程度 上保障地面人员和设施安全。典型代表是美国联合发射联盟公司（ULA，United Launch Alliance）的火神（Vulcan）火箭方案。据《国际太空》2020 年第 12 期， 待火神火箭一、二级分离后，火箭一子级动力舱段将依靠降落伞减速，最后由直 升机在空中回收。ULA 公司表示一子级发动机的回收利用将会使一子级推进系 统成本降低 90%。但据新华网《重复使用火箭：自由往返天地间》，伞降回收对 着陆地形要求高，控制着陆点的难度较大，火箭非正常落地后可能导致发动机报 废，难以满足高频率回收要求。
据新华网《重复使用火箭：自由往返天地间》，带翼飞回是一种配备机翼结构的 一级火箭利用空气动力滑翔降落的回收方式，具有较高的落地精度，尚处于研 发阶段。这种方法对火箭整体结构设计和返回控制技术要求高，典型代表是俄罗 斯提出的安加拉-贝加尔号有翼助推器方案。据《运载火箭助推器回收技术分析 与启示》（陈志会，宁雷，王鹏），贝加尔号是一级带翼飞回式助推器，与安加 拉芯级分离后，可伸出折叠翼变成无人机着陆，并且可重复使用 100 次。据新华 网《重复使用火箭：自由往返天地间》，带翼飞回需要为火箭增加机翼、起落架 等结构，这会增加火箭重量，从而使火箭运载能力损失约 40%。尽管带翼飞回能 够实现火箭的回收利用，但它会对火箭的运载能力造成较大的损失。
据解放军报《重复使用火箭：自由往返天地间》，垂直回收是一种通过重启一级 火箭发动机，减速并调整至指定地点的回收方式，它能够确保火箭子级以稳定 的姿态，按照预定的轨迹飞回预定降落场地。这种方式具有火箭结构改动小、落 地精确度高、可回收火箭核心部件等优势。据《“猎鹰 9”运载火箭海上平台成功 回收的分析及启示》（王芳，程洪玮，彭博），垂直回收需要预留推进剂来重启 发动机，这会对火箭的运载能力造成约 30-50%的损失。虽然垂直回收带来较大 运载能力损失，且对大质量有效载荷适应能力有所降低，但仍将是运载火箭降低 发射成本的可实现途径。典型代表是美国 SpaceX 的猎鹰 9 号火箭。
SpaceX 凭借自主研发和掌握了火箭回收技术等关键技术，成功实现了发射成本 的大幅降低。猎鹰-9 号火箭可在一、二级分离后可通过主发动机再次点火制动减 速，具备垂直降落回收的能力，并可在短期内经过检测、整修再次执行发射任务， 据《国际太空》2020 年第 12 期，其最大使用次数为 10 次。 据《“猎鹰-9”火箭的发射成本与价格策略分析》（刘洁，丁洁，李翔宇，王铮）， 全新火箭成本为 5000 万美元，包括一级火箭和整流罩在内的 3500 万美元初始成 本，和推进剂、发射测控、翻修等相关费用在内的 1500 万美元边际成本，由此 可得，复用 2 次的火箭总成本为 6500 万美元，复用 10 次的火箭总成本为 1.85 亿 美元。据 NASA 2023 年 1 月 26 日报道，猎鹰 9 号火箭 LEO 轨道理论载荷为 22.8 吨，采用重复回收方式的最大实际载荷为 17.4 吨，运载能力损耗约 23.68%。若 以 17.4 吨作为考虑运力损耗的单次发射实际载荷，则发射 2 次火箭（复用 1 次） 的载荷合计为 34.8吨，每千克载荷分摊的制造成本为 1867.82美元；发射 10次火 箭（复用 9次）的载荷合计为 174吨，每千克载荷分摊的火箭制造成本为 1063.22 美元，较复用 1 次的单位成本下降 43.08%，较不回收的单位成本下降 63%。猎 鹰 9 号每千克载荷发射报价为 2684 美元，若以 1063.22 美元作为每千克载荷制造 成本，则发射 10 次的猎鹰 9 号利润率可达 60.39%。随着火箭二级的可回收技术 的不断成熟，火箭单次的发射成本或将进一步下降。
伞降回收、带翼飞回受限，垂直回收商用价值最高。据《运载火箭子级回收技 术研究》（汪小卫，张普卓，吴胜宝，申麟），伞降回收虽然设计简单成本低， 但对着陆地要求高，着陆精度差，且无法满足较大箭体的回收需求。带翼飞回式 对火箭气动外形设计、高速再入过程控制以及热防护系统设计的要求严格，技术 难度较高，且造成较大的运载能力损失，目前仍停留在概念设计阶段。而垂直回 收则通过发动机多次点火减小飞行载荷，使用高精度控制技术确保火箭子级高精 度稳定落地，具有明显的成本削减效果，是商业应用价值最高的回收方式之一， 在当前的火箭回收技术中具有较大的潜力和发展前景。
垂直回收方式分为陆地回收和海上回收两种。新华网 2016 年 01 月 19 日报道， SpaceX 目前尝试的火箭第一级回收方式分为两种，一种是在陆地平台，即发射 运载火箭升空，将卫星送上轨道，再令火箭第一级返回陆地平台，需要预留燃料 （又称“原场回收”）；另一种是在海上回收，即火箭第一级在分离后需垂直下降， 并在海面浮动平台上精准着陆。火箭一子级陆地回收与海上回收均会造成运载能 力损失，但影响程度不同。据《“猎鹰 9”运载火箭海上平台成功回收的分析及启 示》（王芳，程洪玮，彭博）中的测算，原场回收将使火箭运载能力损失 53.5% 左右，而海上回收将使火箭运载能力损失 27.5%左右，这意味着海上回收可以更 好地满足商业发射的需求。 与陆地回收相比，海上回收更利于降本增效。据《“猎鹰 9”运载火箭海上平台成 功回收的分析及启示》（王芳，程洪玮，彭博），海上回收可根据每次发射弹道、 入轨点高度、飞行轨迹等情况调整着陆点，一子级在返回着陆过程中无需进行大 范围横向机动，节省推进剂和预留燃料，提高运载能力。此外，海上平台周边空 旷，有助于安全控制，减少了运载火箭的损失。在商业发射中，降低成本对于提 高市场竞争力非常重要，从经济和效率的角度来看，海上回收方式更适合商业火 箭发射的要求，在未来的商业火箭发射领域或将拥有广阔的应用前景。
3.3、商业火箭其他可行降本路径
3.3.1、使用低成本材料和标准
综合考虑成本性能，采用低成本材料或将得到最佳的费效比。据《运载火箭箭 体结构低成本途径及性能影响分析》（郑正路，叶青，李烁，胡冬生，冷月，阮 小鹏），运载火箭贮箱壁板采用光简结构的壁板可以提高生产效率；三级液体火 箭二三级采用铝锂合金替代铝合金材料，并在一级采用简化设计方案，可使单位 运载能力的成本下降约 2.2%。
对标 SpaceX，使用较低标准商业替代品。SpaceX 注重对通用成熟技术的应用， 尽可能使用低成本标准的商业替代品。据《SpaceX 公司低成本路径探析》（庞 娟，苏鑫鑫），公司自主研制的灰背隼系列发动机源自阿波罗计划登月舱下降级 发动机的针栓式喷注器，应用于猎鹰-1和猎鹰-9火箭一二级。此外，据《SpaceX 公司低成本路径探析》（庞娟，苏鑫鑫），猎鹰-9 火箭铝锂合金板材、碳纤维复 合材料、搅拌摩擦焊接及箱底旋压设备等均采用工业级成熟产品代替宇航级设备。
3.3.2、“三化”设计与批量生产摊低费用
“三化”设计即指模块化、标准化、通用化设计。据《运载火箭箭体结构低成本途径及性能影响分析》（郑正路，叶青，李烁，胡冬生，冷月，阮小鹏）分析，在 结构设计时，对运载火箭的箱间段、级间段等均匀承载的部段通过统一条布局以 及端框、中间框、开口等实现结构部段的产品化，对于承力壁板、仪器支架、星 箭接口等可做成通用化、标准化部件，通过简化设计、降低模具成本减少结构成 本。 此外，还可以实现配件批量化生产。通过建造专门的火箭智能生产线，建设零部件立体仓库及智能物流系统，提高生产转运效率，并采用火箭生产数字化管理系 统，实现型号生产的数字化管控，通过规模效应不断摊薄火箭成本。据《运载火 箭箭体结构低成本途径及性能影响分析》（郑正路，叶青，李烁，胡冬生，冷月， 阮小鹏）分析，假定某固体火箭结构系统单套的成本为 240 万元，当需要大批量 生产时需要当投入的智能化生产线的费用为 11000 万元。当产量为单发的情况下， 结构成本主要集中在材料费和人工费上。但当年产量持续增加的情况下，为提高 效率，引入智能化生产线进行大批量生产，当产量大于 92 套（发）时批量化生 产的成本小于单套（发）生产的成本，由此实现降本目标。
3.3.3、掌握核心技术与整合产业链
据《基于专利分析的 SpaceX 公司发展策略研究》（景晨思，佟艳春，曲晶，马 利娟，董晓军），SpaceX 自主研发核心技术，在推进器技术领域，公司一直沿 用轴针式喷嘴发动机，这种发动机燃烧效率高、流量易控、结构简单；在材料技 术领域，公司拥有激光穿孔金属蜂窝材料及其制造方法专利；在电源技术领域公 司对预先分配航天器电池电量储存进行了专利保护，对火箭进行电源管理。 SpaceX 独自承担火箭绝大多数设备的研发制造，注重核心技术专利研发，科技 赋能“猎鹰-9”火箭回收复用、降本增效。
3.4、国内外火箭回收技术现状
3.4.1、SpaceX 的火箭回收之路
SpaceX 公司经历了伞降回收和垂直起降两大阶段。最初公司选择伞降方式，但 在猎鹰-1 和猎鹰-9 火箭的前两次发射任务中，由于液体火箭贮箱落海时遭受的巨 大冲击不可控，发动机受海水的浸泡侵蚀会带来较大价值损失，公司的尝试均以 失败告终。2010年底，猎鹰-9火箭第二次发射，在返回过程中，一子级再次因承 受不住力/热载荷而损毁。
2011 年 9 月，马斯克正式披露猎鹰-9 火箭垂直起降返回着陆方案，开启了火箭回 收和复用的历程。据《SpaceX 公司重复使用运载火箭发展分析》（杨开，米 鑫），SpaceX 公司的垂直起降技术研究大致可以分为技术验证、型号迭代升级 和稳定应用三个阶段。 在技术验证阶段，SpaceX 公司主要采用验证机飞行试验+发射任务验证相结合的 方式。从 2010 年启动研制到 2015 年首次成功回收一子级，公司用大约 5 年时间 完成了研制和转化应用。同时，SpaceX 坚持技术验证和技术应用同步进行，通 过 8 次发射任务和 4 次受控返回试验来验证垂直起降技术，持续改进和优化垂直 起降技术。 在型号迭代升级阶段，SpaceX 公司经过多年的研发和验证，成功将垂直起降技 术应用到实际发射任务中，实现了运载火箭的重复使用。2015 年 12 月公司在陆 地上成功完成了火箭一子级回收。由于海上回收一子级在返回着陆过程中无需进 行大范围横向机动，可以节省推进剂和预留燃料，实现成本最优，公司转向尝试海上回收，并于 2016 年 4 月成功利用海上平台回收一子级，基本掌握了垂直起 降技术。公司不断对“猎鹰-9”进行迭代升级，经过 5 年时间形成猎鹰－9-B5 最终 构型。
在稳定应用阶段，据《SpaceX 公司重复使用运载火箭发展分析》（杨开，米 鑫），SpaceX公司的猎鹰-9-B5最终构型在很少维护的情况下可重复使用 10次， 充分维护最多可以复用 100 次。截至 2020 年 8 月 23 日，猎鹰-9 共执行 90 次发射 任务，其中海上回收任务 48 次，成功 41 次，陆地回收任务 12 次，成功 11 次， 成功率高达 87%。回收复用技术的突破和稳定应用显著降低发射价格和周期，采 用复用一子级的猎鹰-9 的发射成本低至 3000 万美元，发射任务的平均周转时间 为 155 天，最短的周转时间仅为 51 天。
3.4.2、我国可回收火箭技术进展
我国在火箭垂直回收领域取得重要进展。据中国航天报，2020 年 12 月，长征八 号运载火箭首飞成功，研制团队此前围绕火箭一级回收开展技术尝试，以垂直起 飞和垂直降落为目标，并对着陆缓冲、低空低速的返回段制导、自主控制等回收 技术进行试验。
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