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从马斯克到更多选择:解析大规模上天的商业航天需求
2024-05-20 05:24:09 | 作者:BOB体育开户
 
 
 

  随着航天领域的拓展,商业航天正迈向一个新的时代,其中最为关键的挑战之一是通过低成本的方式解决大规模上天的问题。这挑战不仅是为了扩展人类的疆域、获取更多资源和能源,更是为了推动地面产业的升级。在大航天时代,商业航天的基本逻辑在于通过技术创新和模式创新来降低发射成本,从而创造更大的商业经济价值。从过去的简单“有无”问题到如今的商业航天,关注点已经从单一任务转向了成本效益、高效运载的综合考量。因此,解决大规模上天的难题将成为商业航天实现本质升级的关键一步。

  在探讨大规模上天的问题之前,我们第一步需要了解市面上已有的解决方案。除了众所周知的运载火箭之外,还有空天飞机、太空电梯等多种新概念。然而,这些新概念方案在关键技术未突破的情况下尚处于研究阶段。因此,运载火箭仍是当前技术条件下的最佳运载方案。

  如何衡量一发火箭的价值呢?要从火箭的基本功能说起,火箭本质是一种运载工具,把载荷(货物)从地面运送到太空。要衡量其价值需要对多重维度和要素做综合研究,如火箭性能维度的运载能力、发射保证维度的发射频率以及成本维度的成本等,这一些都会造成火箭价值的变化。综述,火箭价值的评估公式可简化为下面函数:

  当然,上述三个主要参数也受其他要素的影响,而且三者并非孤立的,而是有内在联系。比如火箭的运载能力L受火箭整机性能、发动机性能和其他部件系统影响;年度发射频率n受到公司资质、频率、卫星/载荷、生产周转率、市场/需求、信息、总装总测以及发射台及地面保障等影响;火箭总成本C受供应链、新技术应用程度、固定资产和R&D等因素影响。

  运载能力L是衡量火箭价值的最重要的衡量维度,每次运送的载荷越多,价值就会越大;其次是效率方面n,每年可以发射的次数越多,往太空运送的载荷就越多,价值就越大;最后要考虑到成本C,就是运送每公斤载荷所需的成本,成本越少,说明火箭价值越大。综上所述,可具体表述为下式:

  我们以每次满载来粗略对比下电子号、猎鹰9和长征3B世界各型火箭的价值,详见表1:

  1、电子号发射报价490万美元,制造成本按报价90%粗算约440万美元;

  2、按《小火箭》公众号对猎鹰9号火箭的成本分析来估算:6210万美元是全新的一手“猎鹰9”发射报价,制造成本约为5588万美元,如果是二手火箭,重复利用8次,平均每枚制造成本约为3513万美元,重复利用14次,平均每枚制造成本约为3150万美元,目前SpaceX公司已有2枚15手火箭,还有大量10手以上的,22年按平均每枚成本3513万美元,23年按平均每枚成本3150万美元进行粗算;23年猎鹰9号火箭发射预计可达100次。

  从表1中的电子号、猎鹰9及长征3B等火箭价值的对比中能够准确的看出,制造成本最低的为电子号,其次是长征3B,猎鹰9居末。但若从价值方面出发,猎鹰9的价值最高。其原因主要在于其运载能力的优势,SpaceX运用各种创新技术,在确定保证产品可靠性的同时,通过回收重复使用,提高发射次数、减少相关成本,为大规模上天问题提供了解决路径。但就近日SpaceX超重型运载火箭“星舰”二次试飞的失利来看,想要通过超重型火箭一步到位、成功实现大规模上天之路仍是漫漫。国内的商业航天公司想要复刻“马斯克模式”的成功,不仅需要几十亿美金的财力支撑,更要经过长达数年的努力和赶超。创新永无止境,商业航天公司仍需探讨更多解决方案,特别是在大规模上天的需求下,考虑成本和效率仍然是关键问题。

  在双碳时代的大背景下,能源正由石油化学能全面过渡电能。在汽车、航空行业,电动汽车、电动飞机正在蒸蒸日上。基于芯片、传感器、通讯、软件和算法,电动汽车的无人驾驶、无人机上智能控制也在快速进步。以电池、电机、电控为代表的“三电”技术的崛起为解决大规模上天难题提供了新的可能性,火箭作为航天领域的运输载体同样在电气化技术的推动下受益匪浅,火箭的电气化将成为技术发展的新趋势之一,如、增压系统的电气化(如电子号)、上面级动力系统电气化(霍尔推进系统)和发射系统的电气化(电磁弹射)等等。

  以新西兰火箭实验室的“电子号”火箭为例,通过采用电机驱动泵替代传统的燃气发生器驱动涡轮泵,成功简化了系统结构,为提升发动机性能和增加运载能力创造了可能。

  电动泵发动机具备结构相对比较简单、重量轻、深度变推线性可调,易多次起动、控制精度高、响应迅速、组件模块化标准化程度高、持续升级特性好等特点。相较于传统的液体火箭发动机,电动泵发动机极大提高了动力系统可操纵性和运载火箭性能优化空间。通过对基本型电动泵发动机的模块化并联,可以构造任意推力组合的大型运载火箭动力系统。

  以电动泵发动机并联为基础,配置强大的电池能源系统,为整箭进行统一供配电,并在开放式箭机、分布式综合电子设备、电动伺服、非火工品电分离、电驱阀门、高速光纤总线、无缆化激光通讯、无线传感器网络、大功率地面无线充电、箭地一体化分布式总线网络等方面发力,瞄准无人值守自主测试的目标,实现火箭智能飞行控制。以上电气化技术的应用将有实际效果的减少箭上设备数量和体积,大幅度降低电缆网的重量,简化测发流程,为提高发射频次、降造成本和提升运载能力提供了有力支持。后续通过电动泵发动机的迭代升级,将小型火箭转变为中型火箭,在运载能力上进一步突破。

  火箭派联合创始人、火箭副总指挥万美指出,“以电动泵循环的液体火箭发动机的思路为例,我们还可以做很多新的尝试:例如利用一整独立的电动泵发动机去替换原来的燃气发生器,其推进剂直接来源于贮箱而不再是原来涡轮泵后流量,这样电动泵发动机这个新的副系统可与涡轮泵解耦进行独立控制。同理我们还能够最终靠电机和泵的多台并联与一台大的推力室适配,也可以设计出一款大推力的电动泵发动机。以上两种方式均可以在目前电池单位体积内的包含的能量和电机功率密度不足的情况下将电动泵发动机推力提上去。相反,当电池单位体积内的包含的能量和电机功率密度不断的提高时,这种形式的发动机性能也在提升,显示出高成长性。”

  以电动泵增压技术路线为例,国外“电子号”火箭目前将单台推力为2t级的电动泵发动机9台并联,实现将200kg载荷送到500km的SSO轨道;国内商业航天公司火箭派研制的“达尔文一号”新型运载火箭的SSO载荷能力初期可达300kg。依照目前电池和电机的能力,已满足10t级电动泵发动机的研制应用,足以支撑小型火箭的发射需求。

  与此同时,高能量密度电池和高功率密度电机技术的发展日新月异。调研发现,未来10年内,电池和电机的技术指标发展相当可观。预计到2028年,电机的功率密度、转速、工作时长等指标都将明显提升,电池的单位体积内的包含的能量和放电倍率也将得到大幅度提升,届时电动泵发动机的推力能够达到30t级,可支撑中型乃至大型火箭的研制,更好地满足大规模上天的需求。

  未来,随着电池、电机与电控的协同发展,以及火箭设计理念的优化革新,电动泵增压发动机在中型乃至大型液体火箭领域,都将具有较大的发展的潜在能力与较为广阔的应用前景。

  “三电”技术正持续赋予商业航天的技术革新更多可能性,如美国Spinlaunch公司研制了一款“将火箭甩上天”的亚轨道加速器,通过地面旋转系统产生的高速离心力将装有小型载荷的火箭加速至超高速,使得火箭不再需要庞大的一级箭体,实现整体重量减轻,火箭运载效率提高。

  此外,电气化的发展也催生了电磁化技术的崭露头角。中国航天科工三院在2023年成功完成商业航天电磁发射高温超导电动悬浮试验,展现了电磁发射技术的巨大潜力。若能用高温超导电动悬浮技术来代替或辅助火箭发射技术,就能解决或缓解传统火箭发射技术所存在的问题和局限,实现更快速、便捷和更安全、环保的太空探索。

  电动泵发动机技术与电磁轨道发射技术的结合在大规模上天问题中具有潜在优势。这些技术的突破有望整体降低运载火箭发射成本,实现一天内多次发射,常态化航天发射任务。未来,商业航天将通过多种技术方式的组合,创造更多大规模上天的路径。

  在今年年初,特斯拉公司举办2023年投资者日活动上,CEO埃隆马斯克指出“最终,即使是火箭也可以电气化”。电气化技术的突飞猛进不仅为火箭设计带来了革新,更为商业航天的广阔未来铺就道路。随着电动泵发动机等创新技术的实践应用,我们正步入一个低成本、高效率、环保的新航天时代。航天领域的未来将不再局限于个别技术或个别企业,而是一个多元化技术并行发展的生态,从马斯克的SpaceX到全球航天企业,各种创新技术如电磁化技术、新型推进技术、太空电梯等将共同构建一个多样化的商业航天领域。这一切创新都将使人类的太空探索之路更加宽广,我们有理由相信,在不远的将来,大规模上天将不再是梦想,而是常态。



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