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商业上,火箭怎么能便宜?火箭回收真的降成本吗?

  原作者  洞穴之外 理念世界的影子
  垂直回收是SpaceX的成名之作,它是迄今为止世界唯一具备入轨火箭垂直返回的企业,以及当今唯一具备火箭重复使用能力的企业。
  火箭回收有诸多好处,如创新优势、产能优势、全面验证优势,还有一个待考证的优势:火箭回收真的降成本吗?
  关于这个问题,有很多嘴仗,如《SpaceX倾销?|俄罗斯发射服务商长文质疑SpaceX可重复使用经济性 》,俄罗斯GK发射服务公司质疑Falcon价格6200万美元,是因为NASA已经通过国际空间站货运合同为SpaceX提供了70多亿美元的资金,国内市场有有一个"锚"一样的客户,通过这个大客户已经挣钱了,最后火箭发射服务报6200万美元是典型的倾销 。
  笔者4月29日曾在朋友圈解读过这篇文章:
  西方白头雕彭斯响应老大号召不带口罩了,东方北极熊GK发射服务公司受罗戈津感召well shoot了一把(梗shotwell),射出去这两层半逻辑:第一层,空军和NASA爸爸给钱多,倾销了;第二层,倾销手法还挺高明,爸爸花大价钱买买买,用完你再卖第二次。你大兄弟ULA说了,复用10次才有赚头,你被拆穿了,更坐实了第二点,倾销了。 里面信息量很大,数很多,综合并主观理解一下:1)别信musk和shotwell吹,里面只有整流罩600万美元我信;2)根据CRS合同,将飞船估价4000万,分析一级成本5010万,二级1540万,整流罩600万,我信这个。这里全新箭总价7150万,加上发射场35%占比,全新箭报价9650万是靠谱的;3)一级重用计30%,价1503万,加上二级和整流罩硬件总价3640万,加上发射场35%占比,发射一次需花销4900万;4)商业报价6200万,忙活半天赚1300万,真正赚头在NASA给的8040万和空军的8490万。坐实倾销;5)等等,第三条的9650万,以及火箭研制费用怎么算?难不成新箭首飞都是赔的吗?别忘了除了CRS、COTS、CCtCap等等计划,这些年一共给了70多亿美元。 其实这个计算中有3处逻辑硬伤和1处露怯:1) 谁说报价就是产品价格,即使回收了不要钱,SpaceX仍然可以报6200万美元,因为这个市场它没有竞争者,因此计算中很多数值本身不成立;2) 整流罩600万美元是musk大嘴巴说RUAG供阿里安的整流罩,不是指它自己的整流罩;3) 计算中发射场固定抽额35%,这靶场税可比高通税厉害多了,NASA发射场对SpaceX抽额不知,但可能没有这么高;4)航空航天说倾销也没啥意思,而且北极熊分析时直接使用重复使用一级价格降到30%,就已经输了。Musk大义凛然:你们没有重复使用,需不需要对落后国家提供技术援助(这句是美苏首颗卫星发射时的梗,美国先锋号火箭因为增压能力不足跌落发射台,苏联代表就在联合国嘲讽美国代表:"美国是否愿意接受外国的援助,莫斯科有向落后国家提供技术援助的计划")。
  那么,回收是否挣钱呢?Falcon便宜是因为回收吗?
  笔者的回答是:回收肯定能挣钱,但有前提条件;其次Falcon便宜,回收是原因之一,但还有几个更重要原因。
  为简化计算,不单独计算为回收增加的硬件成本(包括支腿、栅格翼、回收电气等),它们已经被次数分摊,以及纳入30%的复用价格中。
  设火箭可回收部分在硬件成本中占比为x,此部分复用价格为原来的30%(不确定,此处采用GK发射服务公司说法计算),回收后运载能力降低y,则回收后单价与回收前比值为
  (0.3x+(1-x))/(1-y)=(1-0.7x)/(1-y)
  针对运载能力降低20%-40%,可以绘制回收后单价与回收前比值图见下。
  图 回收后单价与回收前比值
  从图中可以读出:
  运力损失越大,回收效益越低;可回收部分成本占比越小,回收效益越低;
  当运力损失30%时,可回收部分成本占比必须高于42%才会取得效益;
  当可回收部分成本占比70%时,回收运力损失20%~40%时,单价为不回收状态60%~90%之间。
  这里的重要变量是运力损失和可回收部分成本占比。
  为简化分析,可假设发动机按数量各级平摊,结构按数量各级平摊(火箭中材料费占比较低),电气系统(不含回收)和整流罩价格基本在上面级。
  对于Falcon 9类似构型,若发动机价格当量35,电气系统当量25,整流罩当量5,结构当量35,则一级可回收部分价格占比为(9/10*35+35/2)/(35+25+5+35)=49%,当运力损失30%时,回收只能打到94折。
  对于Falcon 9,电气系统大量采用通用化技术,假设电气当量降到5,则一级可回收部分价格占比为(9/10*35+35/2)/(35+5+5+35)=61.25%,当运力损失30%时,火箭单价可以打82折;当整流罩进一步回收时,则回收部分价格占比为67.5%,此时火箭单价可打75折。
  若Falcon9为三级火箭,即使电气很便宜,一级价格占比仍为(9/11*35+35/3)/(35+5+5+35)=50.38%,回收的折扣仍不大。
  上次计算中假设和人为设置参数较多,分析结论数值上存在偏差,但笔者认为相关结论仍适用,即Falcon火箭回收确实能够降成本,但如果需要大幅降成本,需要使得能回收部分在价格占比中越大越好,目前Falcon采用二级火箭状态,电气系统成本占比很小,均利好回收 。
  那么,是否只要其它火箭按Falcon状态配置,就可以采用回收大幅降成本,实现商业赚钱这个目的呢?
  Falcon便宜,回收是原因之一,但还有几个更重要原因:
  广泛采用模块化和组合化设计 ,贮箱形式、发动机统一,大幅降低了研制成本和生产线成本;
  广泛采用通用化设计 ,电气系统采用商用、工业类电子元器件,通过冗余设计满足可靠性同时,大幅降低了成本;
  管理成本低 ,公司曾多年维持在百人规模,2012年才扩张到千人,目前也只有6000人,已完成了发动机、火箭、飞船等研制和百次发射;
  火箭运载能力大,降低了每千克单价 。统计国内外多个型号运载能力与单价并进行曲线拟合,可以得出结论:火箭运载能力大1倍,每千克单价打8折。
  图 运载火箭单价与运载能力关系
  类比一下Falcon 1和Falcon 9,Falcon 1运力470kg,价格670万美元,如果Falcon 9单价与之一致,则运力22.8吨报价将达到3.25亿美元。若考虑运载能力增大,可打折(0.8^log2(22.8/0.47))=0.2866,则报价为9300万美元,正好接近Falcon 9不回收状态的报价9000万美元。
  大运载能力带来三个好处:
  火箭大了部件单价降低 。火箭大了,贮箱、发动机等变大,但单价会变低,就像1个100m3贮箱当然要比2个50m3便宜,1台90吨发动机也比3台30吨发动机便宜。
  只有大火箭才能将固定成本比例摊薄 。火箭上有部分固定成本硬件,如电气系统,无论是大火箭、还是小火箭,电气系统价格基本一致,大火箭可以分摊电气系统成本,就像同样花费600万的电气成本,在3000万的小火箭上占比20%,在1亿元的中型火箭上占比只有6%。
  只有大火箭才有运力能力余量用于返回 。就假设一颗卫星500千克,一个1吨能力中型火箭能打2颗,返回后能力即使有700千克能力,也只能打1颗,由于分母的不连续性使得价格优势发生了颠覆性变化。而Falcon能力达到22.8吨,返回状态可打60颗卫星,不会因为差1颗2颗导致价格的剧烈变化。
  综上,火箭回收了的确会便宜,但并不代表具备回收能力的火箭就比不回收的便宜。这里面还涉及火箭大小、火箭可回收部分成本占比,以及设计、生产状态等。
  以上原因中间火箭大小是最重要变量 ,以SpaceX自己的Falcon 1和Falcon 9为例,火箭大小带来的折扣为3折,而回收最多只能带来6~7折折扣。为了达到10万元/kg的行业主流水平,1吨运力火箭是一个平衡值。

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