第6次终发射成功!这个“反马斯克”公司能成吗?

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比如 …… 火箭,一定要回收复用?

北京时间 2021 年 11 月 20 日星期六下午 2 点 16 分,一个可能很多人都没听说过的美国公司迈出了历史性一步。民营航天企业 Astra 在阿拉斯加使用 Rocket 3.3 火箭成功实施了首次入轨发射,成为自 SpaceX 起全球第 6 家达到这一里程碑的新兴民营企业。

截图自微博网友 @Vony7 转发的直播信号

Astra 火箭(此前资料图)

如果只看火箭本身的运力,Astra 火箭在全球运载火箭中只处于下游水平。它能够将 100 千克左右载荷送入几百公里的近地轨道(未来版本会提升至 200 千克以上)。我国任意一款现役或者退役运载火箭,在 Rocket 3.3 面前都是大力士。并且,Astra 以往发射记录并不理想。此前已经进行过的 5 次发射(2 次亚轨道 +3 次入轨)全部以失败告终!

在 Astra 历次失败中,第 5 次给人留下最深印象。火箭点火后,一台发动机故障,推力失衡使得火箭立刻倾倒,但姿控系统随即响应,成功将火箭恢复直立状态,只是由于总推力不足无法上升,只能平漂。Astra 也因此收获了别称 "SpaceY",与火箭往上飞的 SpaceX 相呼应。

但就是这样一款平庸且多次失利的火箭,早在今年初就已经赢得超过 50 次发射订单,其中包括 DARPA(美国国防高级研究计划局)" 官方钦点 " 的任务,接单速度是火箭实验室、维珍轨道等同赛道友商的两三倍;而 Astra 也成功实现了借壳上市,在全球民营航天企业中抢得先手。

为什么一家公司能在发射记录不太理想的情况下依然斩获大量订单?

今天咱就简单聊聊 Astra 特色的 " 反马斯克 " 的发展路线,以及对我国企业的借鉴意义。

01

复用?复合材料?3D 打印?

No!我只要便宜、一年打 300 发!

与多数民营航天喜欢捣鼓酷炫概念截然相反,在 Astra 的工厂里,人们看到的是最成熟、最简单的技术和方法。

例如,火箭主要原材料是汽车和民航已广泛使用的铝合金;负责加工的是传统机床和工装;测发设备极度简化,发射场半年建好,其全部设备可以打包装进 4 个集装箱运输,现场操作只需 5 人;公司资金专注于核心业务,甚至成立好些年了都没开设官网 …… 以及可能最 " 离经叛道 " 的一点,火箭根本不考虑回收复用。

Astra 略显简陋的生产和办公区

Astra 之所以这么做,是为了实现极低成本、极高产量以及灵活交付的目标,意图打造 "公交式价格、滴滴式个性服务" 新航天场景。此外,由于火箭价格低,公司、投资人和客户三方也更能忍受产品初期的试错和迭代(潜台词:失败 5 次不算个事)。

成本上,目前单枚 Astra 火箭的价格已经低至 200 万美元。以载荷 100 公斤计算,每公斤售价 2 万美元。这个价位在美国小型火箭当中已经非常实惠。公司计划是未来将火箭运力提升到 200 公斤以上,而价格压缩至 100 万美元,约合每公斤 5000 美元(3.5 万人民币),这将与 SpaceX 的猎鹰 9 号火箭相当,代表了目前全球最佳成本控制水平,领先其它小型火箭制造商一个数量级!

Astra 不单在制造环节拼命控制支出,在产能上也胃口大开,以期依靠规模效应来进一步摊薄成本。公司目前每 2 个月出产一枚火箭,到 2025 年计划每天发射一枚!值得一提的是,这个数字不仅取决于工厂产能,也受限于发射场周转,后者正是 Astra 尽力简化测发设备和流程的原因。Astra 计划在包括友好国家在内的全球十余个地点建立发射场以提高任务频率,甚至贴近客户临时建场 - 反正人员和设备都可以轻松塞进飞机里周转,时间和经济成本都高不到哪去。

Astra 只需 5 人就能运作的简易发射场

公司管理层相信,凭借随时可用的白菜价服务,Astra 是数量巨大但资金有限的微小卫星所有者最青睐的对象 - 既无需选择虽然便宜但班次有限的马斯克猎鹰 9 号拼车服务,也不必被虽然时间灵活但价格高昂的其它小型火箭狠 " 宰 " 一刀;甚至很多原本没打算应用太空资源的机构和个人,在看到 Astra 报价和服务之后也将萌生发射卫星的想法。所谓把蛋糕做大。

现在大饼画完了,产品也终于完整验证了一次,那么 Astra 商业上会成功吗?我们国家有没有可能借鉴其做法?

02

不复用,可能真是个选项

火箭回收时需要额外耗费燃料用于返回机动,因此火箭复用时的运力小于不复用时。以猎鹰 9 号为例,不复用时低轨载荷高达 22 吨以上,一子级复用时减少到 15 - 19 吨不等(不同材料说法有差异,马斯克本人介绍为 15 吨左右)。

复用与否的关键,在于放弃部分运力之后,是失去的收益更多,还是节约的成本更多。这个问题的答案是因火箭和市场而异的。而 Astra 选择的是 " 反马斯克 " 路线 - 不回收。

以下是基于 2020 年全球发射数据制成的表格。可见猎鹰 9 号即便回收一子级,其运力依旧足够覆盖 99% 的单个航天器,因此基本无需考虑 " 因复用导致无力执行某个任务 " 的问题,只需考虑尽量通过复用降低成本。但表上同样可见,Astra 之类运力只有几百千克的小型火箭却有可能把运力全部销售出去这时充分利用运力挣钱比复用省钱更划算

上面的想法可以通过计算证明。这里略去详细过程,只展示最终计算结果。下图为基于猎鹰 9 号绘制的 " 划算图 ",以回收时收入降低 0-30%、成本节省 50%、每次发射利润 10% 为参数绘制,可见火箭完全处于 " 回收划算区间 "。

而对于小型火箭,参数会发生两方面变化:一是小型火箭箭体重量占比较大,复用对运力的影响更大,回收时收入可能会降低多达 50%;二是小火箭复用成本降低幅度不如猎鹰 9 号,可能只有 30%。以上两点带来的影响是分界线移向右下角,而火箭性能区间却移向左上角,这使得火箭完全可能进入 " 一次性使用更划算 " 区间。

03

密集发射,或许受我国国情限制

除了 " 不回收 " 以外,Astra 火箭的另一大特点是高密度发射,而这与美国得天独厚的地理环境密不可分。

美国本土无论东西海岸都直接面向广阔无垠的大洋,无论是向东飞行的低轨 / 地球同步轨道卫星,还是向西南 / 西北飞行的太阳同步轨道,都能轻易找到合适场址实施发射而不必太担心对地面造成影响,以至于 Astra 的管理层都表态无需租用卡角之类政府所有的大型基地以节约成本;除此以外,美国还有广袤的阿拉斯加和星罗棋布的太平洋岛屿可供使用,甚至欧洲、非洲、大洋洲、拉美等地的友好国家也可提供场地。Astra 轻量化保障、多点布局、轮流发射的构想,具备一定合理性。

但中国大陆完全被陆地邻国和海上的岛链包围,基于国家政策、境内外地面和航空安全、对外关系等因素考虑,理想发射场址和发射时机比较有限。民营企业即便工厂产能丰沛,也不易提升发射频率。

由地图可见,无论美国本土还是阿拉斯加、夏威夷等太平洋岛屿都直接面对开阔水域,发射场址和发射机会非常充沛,而我国大陆地区被邻国和岛链包围,实施航天发射的限制较多

除了地理限制以外,审批流程、发射场管理模式、制造加工资质(固体火箭须由国有工厂代工)等其它因素也在限制民营火箭的发射频率。Astra 模式在国内面临的挑战是全面的。

Astra 火箭从太空传回的画面。这是之前的一次亚轨道飞行,没有将载荷送入环绕地球的轨道

04

以科学态度看待降低制造成本的方法

Astra 还值得一提的操作,就是拒绝 3D 打印、复合材料等先进技术,只以最传统的材料来制造火箭。

公司具体的决策过程我们不得而知,但在工业界普遍进行技术迭代的大背景下," 回归传统 " 能否起到节流增效的作用,笔者认为还需要质疑和观察,我国的公司须要结合国情进行测算,不必人云亦云。

但可以肯定的一点是,以 SpaceX 为代表的美国公司确实已经在制造成本控制方面取得了巨大进步,猎鹰 9 号使用的梅林发动机单台价格已经控制在 100 万美元以内。这里额外插入个有意思的现象:火箭复用的原始原因是发动机过于贵重,应多次使用摊薄成本。而如今发动机价格持续下降,火箭复用的重要性也不断降低 - 以后,还需要复用吗?航天技术就是这样在矛盾与统一中不断发展。

特写:Astra 火箭起飞

05

小结:Astra 会成为中国公司榜样吗?

随着火箭发射成功,业务逐渐进入正规,Astra 为商业航天展示了一种有别于马斯克的可能性,这是好事,一个行业可行路线越多,就越有生命力。

但对于同样在商业航天中探索的我国企业特别民营公司,Astra 模式可以借鉴吗?

笔者的观点是,可部分借鉴,但无法全盘照搬

Astra 所做的探索,最有意义的部分莫过于尝试证明 "只要火箭装得满,不复用比复用更划算"。考虑到我们国家商业火箭都是中小型火箭,这个目标具有重要现实意义。据行业数据,目前我国很多发射任务都有运力富余,甚至有效载荷还不到最大载荷的一半,上面的思路大有可为。除此以外,Astra 将成本压缩到极限、主打灵活个性化发射的策略,也都可以为我国企业所学习借鉴。但是,受限于自然地理条件以及产业结构,我国企业并不易于获得 Astra" 一年几百发 " 的机会," 规模效应 " 的优势难以体现。

鉴于此,Astra 模式在我国可能不会以单独企业的形式出现,而是以中大型火箭制造商附属产品的方式诞生。即企业基于中大型火箭的成熟技术,打造一款可以共享地面设施的低成本小型火箭(例如取用大型火箭的单台发动机推动小型火箭)。这款火箭具备 Astra 的服务优点:灵活、快速,同时通过借鉴成熟技术来尽量控制成本,而不必仰仗于规模效应。

航天是只有几十年历史的年轻领域,从商业模式到技术路线都还存在大量未知空间。相信随着探索的深入,人类必将发现更多通天大道。