馬斯克如何打破火箭發(fā)射成本的壁壘？

在這一代的商業(yè)航天領域，無疑的是馬斯克引領的火箭的變革，無論是火箭的制造還是發(fā)射的突破，使得世界上很多國家也在跟著探索火箭成本問題和發(fā)射服務成本的問題。

那么大家有沒有思考一個問題就是，為什么馬斯克的火箭會比歷史上或者現(xiàn)在同類火箭便宜那么多？今天我們就來簡單的聊一聊。

如有巧了你也想做個火箭制造公司建議可以參考一下。

-創(chuàng)新-

你可能會認為，要想在火箭和航空航天領域立足，公司必須不斷創(chuàng)新才能保持領先地位。

雖然這適用于商業(yè)領域，但火箭發(fā)射行業(yè)的情況卻截然不同。整個火箭發(fā)射行業(yè)實際上被一家大型企業(yè)集團所掌控（美國）：聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（波音和洛克希德·馬丁的合資企業(yè)）、軌道ATK公司……這意味著，正如這些公司一貫的做法，它們會懈怠于真正的創(chuàng)新，因為作為發(fā)射客戶的你除了它們之外別無選擇。

嚴格來說，盡管自2002年問世以來，阿特拉斯五號火箭已經(jīng)過多次升級，但它使用的發(fā)動機卻是幾十年前蘇聯(lián)時代的產(chǎn)物；

而半人馬座上面級則使用了20世紀50年代設計的RL-10發(fā)動機。

這確實是美國制造的第一臺液氫發(fā)動機—而且將用于21世紀的運載火箭。

RL-10的設計始于20世紀50年代，當時美國資源充裕，政府也在太空計劃上投入巨資。

即使生產(chǎn)流程已經(jīng)簡化，RL-10的造價仍然非常高昂，每臺造價高達3000萬美元。

你知道SpaceX公司生產(chǎn)的Merlin1-D發(fā)動機要多少錢嗎？—200萬美元。

單憑上面那件東西的價格，你就可以買到15臺Merlin1-D了。

你知道這些發(fā)動機各自的動力性能如何嗎？

RL-10發(fā)動機在真空環(huán)境下可產(chǎn)生110千牛的推力，而梅林1-D真空發(fā)動機（M-Vac）則能提供934千牛的推力，是RL-10的9倍。即使在最低油門設置（39%）下，M-Vac發(fā)動機在真空環(huán)境下仍能輸出360千牛的推力—比RL-10在最大油門設置下的推力高出三倍。而成本卻便宜了15倍。

沒錯，RL-10雖然經(jīng)過了“升級”，但其核心特性依然如故，并不符合當今的標準。如今，商業(yè)領域也有著與政府相比更為迫切的需求，需要將有效載荷送入軌道。他們想要的是最經(jīng)濟高效的解決方案

SpaceX之所以能大幅降低成本，是因為他們完全按照21世紀的標準對整個裝置進行了重建。

在SpaceX剛起步的時候，埃隆曾考慮購買俄羅斯的二手發(fā)動機作為獵鷹1號火箭的動力源，但他意識到火箭技術自誕生以來就沒有改變過：所以他決定自己制造發(fā)動機。

SpaceX采用內(nèi)部設計，運用最新的設計技術（他們使用西門子NX軟件，比手工計算和草圖繪制要好得多）。此外，發(fā)動機的所有部件以及大部分火箭都在SpaceX位于加州霍桑的總部內(nèi)完成制造和組裝，這也極大地提高了效率。

如果你需要一個因科鎳合金噴嘴，只需穿過廠房，把它拖到裝配線上就行了。

如果你需要一個渦輪泵，就在過道對面就能看到。這大大降低了成本，因為老牌公司通常會雇傭第三方來生產(chǎn)零件，然后從各地運回裝配點。

火箭部件不僅易碎，而且體積龐大。運輸成本可能占到最終發(fā)動機總成本的數(shù)百萬美元。

除了發(fā)動機之外，核心部件也是自主研發(fā)的。你只需要在一端安裝支撐發(fā)動機的八角網(wǎng)狀結構，把發(fā)動機裝進去，再安裝支腿和鰭片即可。

為了達到這種生產(chǎn)效率和優(yōu)化，SpaceX一個月可以制造五個以上的核心部件，SpaceX努力提高產(chǎn)量。

此外，火箭可重復使用這一特性，使火箭的成本從約6000萬美元降至5500萬美元，降幅達10%。當然，這并不意味著建造一枚獵鷹9號火箭就需要這么多錢。

SpaceX每次發(fā)射都能獲得30%至40%的利潤，這意味著獵鷹9號火箭的建造成本最多為3000萬美元。

假設阿特拉斯五號（宇宙神）火箭的發(fā)射成本為1億美元，即使其利潤率與SpaceX一樣達到40%，火箭本身的制造成本仍然高達6000萬美元。這與SpaceX火箭加上利潤的價格相當—而SpaceX的火箭性能甚至更強大。

-系統(tǒng)最優(yōu)-

成本的降低并非單一創(chuàng)新，而是一系列互補的選擇和實踐的結果：

馬斯克的火箭—主要是SpaceX的獵鷹系列火箭和星艦的研發(fā)—建造和修復成本明顯低于許多歷史和當代的同類產(chǎn)品，這是因為SpaceX有意識地圍繞成本優(yōu)先的工程理念重組了硬件設計、制造、運營和商業(yè)模式。

承上啟下我們從12個方向去簡單分析一下：

1為可重復使用和快速翻新而設計

• 重復使用是基本原則：火箭從設計之初就旨在反復飛行，而非一次性消耗。結構裕度、熱防護策略和推進式著陸剖面都優(yōu)先考慮快速周轉。
  
• 簡化的回收架構：獵鷹9號采用推進式助推/著陸和空氣動力學柵格鰭來完整回收第一級，避免了復雜的空中回收或海上打撈鏈。
• 最小化翻新范圍：組件和接口設計便于快速檢查和更換（模塊化航空電子設備、易于操作的管道、標準化緊固件），從而降低每個維護周期的工時。

2專為生產(chǎn)而優(yōu)化的高推力、高效率發(fā)動機

• 自主研發(fā)的梅林和猛禽發(fā)動機：設計時兼顧了易制造性、不同型號間的通用性以及著陸時的油門響應。猛禽發(fā)動機采用全流量分級燃燒技術，提高了性能，并簡化了單發(fā)失效情況下的操作。
• 較少的發(fā)動機型號和大量的相同單元簡化了備件、測試和生產(chǎn)的規(guī)模經(jīng)濟。

3垂直整合和工廠自動化

• 將關鍵子系統(tǒng)（發(fā)動機、航空電子設備、結構、軟件）內(nèi)部化可以降低供應商利潤率、縮短交貨周期并減少集成過程中可能出現(xiàn)的意外情況。垂直整合能夠實現(xiàn)快速的設計迭代周期。
• 大量使用自動化加工（CNC）、機器人焊接和數(shù)字設計/PLM工具，可以減少單位勞動量并提高重復性。
• 集中式生產(chǎn)線和迭代式工廠優(yōu)化（學習-建設-學習）隨著產(chǎn)量的提高而降低單位成本。
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4簡化設計并減少零件數(shù)量

• 積極簡化：減少獨特的零件，采用標準化的螺栓/緊固件，以及在各種型號之間使用通用的航空電子設備/軟件，從而降低采購復雜性和庫存成本。
• 大型整體式儲罐和焊接密集型結構（而不是許多小型、復雜的組件）減少了組裝時間和檢查點。
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5快速迭代開發(fā)和數(shù)據(jù)驅動改進

• 高飛行頻率：大量的測試和商業(yè)飛行產(chǎn)生運行數(shù)據(jù)，可直接減少故障裕度、檢查需求和制造缺陷。
• 邊飛邊測的理念：早期和頻繁的飛行測試可以加快成熟速度，縮短開發(fā)周期，并確定安全重復使用所需的最低必要硬件/檢查標準。

6優(yōu)化商業(yè)模式和定價策略

高額航班收入：政府和商業(yè)合同的大規(guī)模簽訂，證明了對生產(chǎn)能力的投資是合理的，并可以攤銷固定成本。

• 經(jīng)濟驅動的利潤：降低上市價格會增加需求，從而提高生產(chǎn)率，進一步降低單位成本（飛輪效應）。

7精益運營和低成本

• 扁平化的組織結構和工程驅動的運營模式，使得公司運營成本低于傳統(tǒng)航空航天承包商，后者往往擁有龐大的運營成本和多層分包體系。
• 整合發(fā)射基礎設施和移動回收作業(yè)可最大限度地降低每次飛行的支持成本。
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8靈活的監(jiān)管和風險態(tài)勢

• 更快地接受研發(fā)風險和更高的測試節(jié)奏，可以比保守的、飛行前完全驗證的方法更快地實現(xiàn)成熟，而后者需要漫長而昂貴的鑒定活動。

9降低成本的具體技術措施

• 發(fā)動機故障容錯性：即使失去一臺發(fā)動機，也能完成任務，這簡化了每臺發(fā)動機的冗余要求，并減少了每臺發(fā)動機的過度設計。
• 節(jié)流和重啟能力：無需復雜的一次性系統(tǒng)即可實現(xiàn)著陸燃燒和重復使用。
• 使用安全有效的商用現(xiàn)成(COTS)電子元件可以降低成本，比定制零件更劃算。

10與歷史/當代替代方案進行對比

• 傳統(tǒng)的一次性火箭（阿特拉斯、德爾塔、質子、阿麗亞娜）是圍繞單次飛行使用而設計的，具有很高的鑒定裕度和許多定制供應商，這增加了每次發(fā)射和每枚火箭的成本。
• 傳統(tǒng)承包商強調通過保守的設計、廣泛的測試和大量的分包來保證任務完成——這導致非經(jīng)常性工程費用、管理費用和單位價格上漲。
• 有些競爭對手追求可重復使用性，但往往需要更高的翻新（例如帶翼飛行器、降落傘回收），或者沒有同樣的垂直整合和生產(chǎn)規(guī)模。

11由此產(chǎn)生的經(jīng)濟影響

• 重復使用可以降低最大的單一成本驅動因素（第一階段生產(chǎn)），而這一成本會分攤到多次飛行中。
• 大規(guī)模生產(chǎn)降低了邊際成本；每次飛行中吸取的經(jīng)驗教訓減少了維護人工、備件和檢查需求。
• 綜合這些因素，與許多傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，每公斤入軌成本可降低一個數(shù)量級。

12注意事項和權衡取舍

前期投入：實現(xiàn)這些節(jié)省需要大量的前期資金、積極的冒險精神以及多年的反復失敗和學習。

• 并非普遍最優(yōu)：對于某些任務（非常小的運行、極端環(huán)境、獨特的有效載荷），替代架構仍然具有競爭力。
• 持續(xù)研發(fā)：Starship旨在進一步降低成本，但仍處于研發(fā)階段，存在技術和監(jiān)管風險，可能會影響最終的經(jīng)濟效益。

總之，SpaceX通過精心設計以實現(xiàn)快速重復使用、簡化和標準化硬件、垂直整合和自動化生產(chǎn)、運行高頻率飛行學習循環(huán)以及采用利用規(guī)模效應攤銷固定成本的商業(yè)模式，降低了成本。

這種系統(tǒng)級綜合方法—涵蓋工程、制造、運營和商業(yè)戰(zhàn)略—所帶來的成本節(jié)約遠超任何單一的技術創(chuàng)新。