昨天，SpaceX“二手”火箭成功发射回收，美公司欢呼航天“革命”。 普遍认为，运载火箭的成本很快会大幅下降。 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spacecp&ac=blog

人们通常喜欢简单的因果逻辑，Spacex就提供了这样一个简单的因果逻辑，通过一级火箭重复使用，成本可以在当前的基础上再降低一半以上。故事是这样的，运载火箭的成本95%是硬件，5%是推进剂，一级硬件占比60%，所以一级重复使用10次，可以降低成本50%左右。

事实上，按照这种简单的故事思考，经常会远离事实的真相。航天史上有很多例子可以说明这一结论，这里重点看看两个案例。一个spacex在15年前讲的另外一个故事。还有一个是35年前，航天飞机立项的故事。先看2002年spacex成立时，目标是研制小型运载火箭，将500公斤级的载荷送入低地球轨道，成本降到100万美元以下。到2007年，spacex研制的法尔肯1号三次发射失败，最后一次（第四次）取得成功。但是，法尔肯1号再没有进行过第五次发射了。再看航天飞机，35年前立项时，目标是通过二级可重复使用，带回一级的三个主发动机，降低发射费用，同时提高可靠性到99.9%。35年过去，航天飞机项目不得不在2011年终止，一直到今天，美国还没有恢复载人航天运载能力。30多年，航天飞机共发射114次，炸毁两次，牺牲航天员14名。可靠性只有98.2%，总费用达2000多亿美元，平均一次发射20亿美元，扣除研制费用，一次使用成本10亿美元左右。平均一年发射不到4次。按照中国载人航天10亿人民币运载三人进行估算，重复使用的航天飞机运载7人，载人单位发射费用是中国的3倍。总结一下，美国spacex和NASA自己说的故事并不可靠，甚至还很离谱。

下面采用估算方法对一级火箭重复使用降低发射费用问题进行分析。包括spacex故事中没有明确说明的三个方面，分别是运载能力、人力和研制成本、可靠性。首先需要说明，spacex通过提高运载能力、降低人力成本和提高可靠性，已经实现了成本的大幅降低，只有美国联合发射联盟（波音、洛克希德马丁联合而成）的三分之一。在这个基础上，通过重复使用第一级，再进一步降低成本，还会遇到三个方面的严重问题，那就是重复使用带来的运载能力下降、人力成本上升、可靠性下降。

首先，为了重复使用第一级，需要消耗推进剂，使得已经飞到60多公里高，而且还有1.5公里每秒的速度向前飞行的火箭，调转飞行方向，平稳地降落在回收平台上。这个过程消耗了10吨左右的推进剂，损失运载能力大约30%。第一级火箭的硬件成本也只有1800万美元，占单次发射的30%。也就是说，如果不重复使用，就可以提高30%载荷重量，两者基本相抵，单位载荷的发射成本大致相当。

再看人力成本，假设人力300人，每人年工资10万美元，原来每年10发任务。重复使用导致人力增加30人，材料试验费用（按照美国航天每人平均50万美元材料、设备和试验支出估算）增加1500万，单发人力和研制成本增加180万美元，加上原有300人力成本，每发300万，总计人力成本约500万美元。问题在于，如果不增加发射频率（年发射次数），人力成本是无法降低的。这正是航天飞机高额使用费用的重要原因之一。

最后估计一下可靠性。当前，spacex共发射法尔肯9号32次，2次失败，还有一次部分失败，预计可靠性95%。即二十次发射损失一次，假设卫星成本是6亿美元，约是单次发射火箭成本的10倍，意味着可靠性成本占发射成本50%，达3000万美元。重复使用10次，如果还要保证总体95%的可靠性，一级单次运行的可靠性要提高到99.5%。因此，需要在原95%可靠性工作的基础上，叠加一轮90%可靠性的不同试验方法成本（等效为另外一支同等规模的人力和试验，进行交叉检查和验证）。简单估计，一级原可靠性成本占30%，约1000万美元，需额外增加800万可靠性成本。

在可靠性增长方面，不仅需要物质和人力成本，还需要很长的时间。参考飞机，要成千上万次飞行试验。假设火箭重复使用需要1000次，每年20次发射机会，需要50年。考虑到技术进步，预计需要15至20年时间，重复使用技术可以成熟，达到95%的总体可靠性指标。

总结一下，使用当前的技术思路，在不大幅增加发射频率的情况下，重复使用需要增加200万美元每发人力和试验成本用于重复使用技术开发；重复使用第一级带来的硬件费用减少和运载能力损失费用大致相当；为了保证总体相同的可靠性，需要增加800万美元每发的可靠性成本。而且，预计需要15到20年的时间，才可以达到主流运载火箭的总体可靠性水平。