商業上,火箭怎麼能便宜?---火箭回收真的降成本嗎?

星光的遠征tel 發佈 2021-08-03T07:38:52.685412+00:00

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,它是迄今為止世界唯一具備入軌火箭垂直返回的企業,以及當今唯一具備火箭重複使用能力的企業。 火箭回收有諸多好處,如創新優勢、產能優勢、全面驗證優勢,還有一個待考證的優勢:火箭回收真的降成本嗎?

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,它是迄今為止世界唯一具備入軌火箭垂直返回的企業,以及當今唯一具備火箭重複使用能力的企業。

火箭回收有諸多好處,如創新優勢、產能優勢、全面驗證優勢,還有一個待考證的優勢:火箭回收真的降成本嗎?

關於這個問題,有很多嘴仗,如《SpaceX傾銷?|俄羅斯發射服務商長文質疑SpaceX可重複使用經濟性》,俄羅斯GK發射服務公司質疑Falcon價格6200萬美元,是因為NASA已經通過國際空間站貨運合同為SpaceX提供了70多億美元的資金,國內市場有有一個「錨」一樣的客戶,通過這個大客戶已經掙錢了,最後火箭發射服務報6200萬美元是典型的傾銷

筆者4月29日曾在朋友圈解讀過這篇文章:


西方白頭雕彭斯響應老大號召不帶口罩了,東方北極熊GK發射服務公司受羅戈津感召well shoot了一把(梗shotwell),射出去這兩層半邏輯:第一層,空軍和NASA爸爸給錢多,傾銷了;第二層,傾銷手法還挺高明,爸爸花大價錢買買買,用完你再賣第二次。你大兄弟ULA說了,復用10次才有賺頭,你被拆穿了,更坐實了第二點,傾銷了。 裡面信息量很大,數很多,綜合併主觀理解一下:1)別信musk和shotwell吹,裡面只有整流罩600萬美元我信;2)根據CRS合同,將飛船估價4000萬,分析一級成本5010萬,二級1540萬,整流罩600萬,我信這個。這裡全新箭總價7150萬,加上發射場35%占比,全新箭報價9650萬是靠譜的;3)一級重用計30%,價1503萬,加上二級和整流罩硬體總價3640萬,加上發射場35%占比,發射一次需花銷4900萬;4)商業報價6200萬,忙活半天賺1300萬,真正賺頭在NASA給的8040萬和空軍的8490萬。坐實傾銷;5)等等,第三條的9650萬,以及火箭研製費用怎麼算?難不成新箭首飛都是賠的嗎?別忘了除了CRS、COTS、CCtCap等等計劃,這些年一共給了70多億美元。 其實這個計算中有3處邏輯硬傷和1處露怯:1) 誰說報價就是產品價格,即使回收了不要錢,SpaceX仍然可以報6200萬美元,因為這個市場它沒有競爭者,因此計算中很多數值本身不成立;2) 整流罩600萬美元是musk大嘴巴說RUAG供阿里安的整流罩,不是指它自己的整流罩;3) 計算中發射場固定抽額35%,這靶場稅可比高通稅厲害多了,NASA發射場對SpaceX抽額不知,但可能沒有這麼高;4)航空航天說傾銷也沒啥意思,而且北極熊分析時直接使用重複使用一級價格降到30%,就已經輸了。Musk大義凜然:你們沒有重複使用,需不需要對落後國家提供技術援助(這句是美蘇首顆衛星發射時的梗,美國先鋒號火箭因為增壓能力不足跌落髮射台,蘇聯代表就在聯合國嘲諷美國代表:「美國是否願意接受外國的援助,莫斯科有向落後國家提供技術援助的計劃」)。


那麼,回收是否掙錢呢?Falcon便宜是因為回收嗎?

筆者的回答是:回收肯定能掙錢,但有前提條件;其次Falcon便宜,回收是原因之一,但還有幾個更重要原因。

為簡化計算,不單獨計算為回收增加的硬體成本(包括支腿、柵格翼、回收電氣等),它們已經被次數分攤,以及納入30%的復用價格中。


設火箭可回收部分在硬體成本中占比為x,此部分復用價格為原來的30%(不確定,此處採用GK發射服務公司說法計算),回收後運載能力降低y,則回收後單價與回收前比值為


(0.3x+(1-x))/(1-y)=(1-0.7x)/(1-y)


針對運載能力降低20%-40%,可以繪製回收後單價與回收前比值圖見下。

圖 回收後單價與回收前比值


從圖中可以讀出:


運力損失越大,回收效益越低;可回收部分成本占比越小,回收效益越低;

當運力損失30%時,可回收部分成本占比必須高於42%才會取得效益;

當可回收部分成本占比70%時,回收運力損失20%~40%時,單價為不回收狀態60%~90%之間。


這裡的重要變量是運力損失和可回收部分成本占比。

為簡化分析,可假設發動機按數量各級平攤,結構按數量各級平攤(火箭中材料費占比較低),電氣系統(不含回收)和整流罩價格基本在上面級。

對於Falcon 9類似構型,若發動機價格當量35,電氣系統當量25,整流罩當量5,結構當量35,則一級可回收部分價格占比為(9/10*35+35/2)/(35+25+5+35)=49%,當運力損失30%時,回收只能打到94折。

對於Falcon 9,電氣系統大量採用通用化技術,假設電氣當量降到5,則一級可回收部分價格占比為(9/10*35+35/2)/(35+5+5+35)=61.25%,當運力損失30%時,火箭單價可以打82折;當整流罩進一步回收時,則回收部分價格占比為67.5%,此時火箭單價可打75折。

若Falcon9為三級火箭,即使電氣很便宜,一級價格占比仍為(9/11*35+35/3)/(35+5+5+35)=50.38%,回收的折扣仍不大。

上次計算中假設和人為設置參數較多,分析結論數值上存在偏差,但筆者認為相關結論仍適用,即Falcon火箭回收確實能夠降成本,但如果需要大幅降成本,需要使得能回收部分在價格占比中越大越好,目前Falcon採用二級火箭狀態,電氣系統成本占比很小,均利好回收

那麼,是否只要其它火箭按Falcon狀態配置,就可以採用回收大幅降成本,實現商業賺錢這個目的呢?

Falcon便宜,回收是原因之一,但還有幾個更重要原因:


廣泛採用模塊化和組合化設計,貯箱形式、發動機統一,大幅降低了研製成本和生產線成本;

廣泛採用通用化設計,電氣系統採用商用、工業類電子元器件,通過冗餘設計滿足可靠性同時,大幅降低了成本;

管理成本低,公司曾多年維持在百人規模,2012年才擴張到千人,目前也只有6000人,已完成了發動機、火箭、飛船等研製和百次發射;

火箭運載能力大,降低了每千克單價。統計國內外多個型號運載能力與單價並進行曲線擬合,可以得出結論:火箭運載能力大1倍,每千克單價打8折。


圖 運載火箭單價與運載能力關係


類比一下Falcon 1和Falcon 9,Falcon 1運力470kg,價格670萬美元,如果Falcon 9單價與之一致,則運力22.8噸報價將達到3.25億美元。若考慮運載能力增大,可打折(0.8^log2(22.8/0.47))=0.2866,則報價為9300萬美元,正好接近Falcon 9不回收狀態的報價9000萬美元。


大運載能力帶來三個好處:


火箭大了部件單價降低。火箭大了,貯箱、發動機等變大,但單價會變低,就像1個100m3貯箱當然要比2個50m3便宜,1台90噸發動機也比3台30噸發動機便宜。

只有大火箭才能將固定成本比例攤薄。火箭上有部分固定成本硬體,如電氣系統,無論是大火箭、還是小火箭,電氣系統價格基本一致,大火箭可以分攤電氣系統成本,就像同樣花費600萬的電氣成本,在3000萬的小火箭上占比20%,在1億元的中型火箭上占比只有6%。

只有大火箭才有運力能力餘量用於返回。就假設一顆衛星500千克,一個1噸能力中型火箭能打2顆,返回後能力即使有700千克能力,也只能打1顆,由於分母的不連續性使得價格優勢發生了顛覆性變化。而Falcon能力達到22.8噸,返回狀態可打60顆衛星,不會因為差1顆2顆導致價格的劇烈變化。


綜上,火箭回收了的確會便宜,但並不代表具備回收能力的火箭就比不回收的便宜。這裡面還涉及火箭大小、火箭可回收部分成本占比,以及設計、生產狀態等。

以上原因中間火箭大小是最重要變量,以SpaceX自己的Falcon 1和Falcon 9為例,火箭大小帶來的折扣為3折,而回收最多只能帶來6~7折折扣。為了達到10萬元/kg的行業主流水平,1噸運力火箭是一個平衡值。

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2021-07-20T07:20:57.430570+00:00

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