1. 引言
太空资源以其独特的特点和优势，在国家的经济和军事等领域起着重要作用。随着卫星技术的发展，微小卫星通过组网能实现以前复杂大卫星的功能，能满足应对突发自然灾害和军事斗争对空间侦察、通信、导航、气象等信息的应急需求，因此微小卫星的快速发射任务急剧增加。但是，目前将航天器送入太空的成本仍然很高。而微小卫星即使采用搭载方式发射，也会因为主卫星发射计划变更、微小卫星入轨特殊要求、搭载发射利润不高等各种原因，往往导致发射推迟，甚至难以列入发射计划。因此，较高的发射成本已成为制约航天技术与应用发展的一个主要因素。
一般来说，新型号运载火箭的设计、研制、试验费用往往高达数亿美元。除此之外，一枚运载火箭的发射成本包括运载器生产费用、运载器发射费用和测控通信费用。近年来，由于商业卫星发射公司的竞争，如美国太空探索公司(SpaceX)的猎鹰9号运载火箭发射报价为5700万美元，使得美国联合发射联盟(ULA)的宇宙神5运载火箭发射报价从1.8亿美元降为大约1.2~1.3亿美元，欧洲的阿里安5运载火箭发射报价降为0.9~1亿美元。此外，俄罗斯的质子号运载火箭发射报价为7000万美元，中国的长征三号乙运载火箭发射报价达6000万美元 [1] 。这些大、中型火箭的发射周期比较长，动辄数十天或数月，且发射费用仍然很高。即使一些新研制的小型火箭，如美国的飞马座小型运载火箭，每次的发射费用也高达2000万美元，难以满足小卫星的发射需求 [2] 。尽管中国的发射成本较低，但由于美国针对中国实施卫星发射限制禁令，导致国际卫星发射市场份额受到严重影响，而美、俄、欧目前控制了绝大部分国际卫星发射市场。
据美国航天基金会2015年发布的统计数据，在2010年至2014年间，全球航天业保持每年6%到7%的稳定增长，其经济总量达到3300亿美元，其中约76%来自商业航天领域 [3] 。近期，美国卫星产业协会也发布了2016年卫星产业年度报告，指出2015年全球卫星产业产值达到2083亿美元，同比增长3% [4] 。欧洲咨询公司最新发布的《小卫星市场预测》报告显示，航天领域和整个航天生态系统正在发生变革，未来10年预计将发射3600颗小卫星，这些卫星的制造和发射市场预计达到220亿美元，比过去10年增长76% [4] 。由此可见，尽管全球经济发展低迷，航天业正成为带动全球航天经济发展的引擎。但是，低成本运载火箭仍是航天业发展的瓶颈。
为了降低运载火箭发射成本，打破ULA公司的发射垄断，近十年来，美国通过制定一系列政策法规、商业合同以及人员和技术转让等方式，率先大力鼓励商业航天发展 [5] 。在美国NASA的支持下，近年来SpaceX公司快速崛起，成为低成本商业航天发射的有力竞争者 [1] 。此后，欧洲、中国、日本等也积极推动商业航天的发展。近年来，很多航天机构和商业公司大力研究低成本运载火箭 [6] ，基于可重复使用、新材料、标准化设计、人工智能等技术以及已有成熟技术的集成创新，提出了各种不同的解决方案，有效地推动了航天业的发展。
2. 低成本运载火箭发展概况
自上世纪60年代以来，美国一直希望得到廉价的、反应迅速的、可靠的小型运载火箭，以满足其战时快速发射小卫星的需求。一方面，随着小卫星技术的快速发展和应用，美国开始大力发展小型低成本运载火箭 [1] [7] ；另一方面，为了有效降低发射成本，美国积极扶持商业航天公司，以SpaceX公司、蓝色起源公司等为代表的一批商业航天公司，正在努力推动低成本运载火箭的发展 [8] 。
(1) 初期阶段
在1960~1994年期间，美国一直采用全固体推进小型运载火箭“侦察兵”发射小型卫星，其“侦察兵-G”型运载火箭能将210 kg卫星送入LEO，价格为1330万美元。上世界80年代，随着小卫星技术的快速发展，美国又研制了“飞马座”、“人牛怪”小型运载火箭，发射小卫星需要2000万美元甚至更多，因而仍没有解决缺乏廉价小型运载火箭的问题。例如，美国空军的2颗小卫星——PIC0sat和XSS-10由于缺少发射机会被推迟了数年，“21世纪技术卫星”星座发射计划由于经费问题被取消，其他与小卫星有关的许多建议和商业投资(如KitComm公司)都被取消，新罕布什尔大学的CATSAT以及学生研制的星光-4,5卫星被取消，NASA的大学级探索计划大部分由于发射费用问题而延缓或推迟，从而严重阻碍了小卫星的发展和应用 [2] 。
(2) 发展阶段
至2010年前，美国继续发展低成本运载火箭，提出了一些新的设计方案，包括Microcosm公司的Sprite运载火箭、SpaceDev公司的Streaker运载火箭、航天发射公司(SLC)的“快速反应小运载量可支付发射”(RASCAL)计划，以及俄罗斯的“第聂伯号”低成本运载火箭等。表1给出了此阶段国外主要低成
Table 1. Some abroad low cost launch vehicles in middle stage
表1. 发展阶段国外主要低成本运载火箭
本运载火箭的发展情况。
(3) 最新发展
近几年来，各国政府开始大力支持商业航天的发展，特别是美国为了打破ULA的发射垄断和高昂的发射费用，支持SpaceX、Blue Origin等一批商业公司加入航天商业竞争。未来航天业市场规模巨大，虽然目前仅有少数运载火箭已成功实施多次发射，但是很多机构开始提出各种低成本发射方案，一些已经进行了发动机和关键电气系统的飞行试验，而另一些还处于方案和设计论证阶段 [9] [10] [11] [12] 。特别是，国外已有二十多家机构开始研制各种低成本小型运载器 [7] 。表2列出了国外低成本运载火箭最新发
Table 2. Recent development of abroad low cost launch vehicles
表2. 国外低成本运载火箭最新发展
展的基本情况。我国新一代运载火箭也发展迅速，小型运载火箭快舟、CZ-6、CZ-11以及中型运载火箭CZ-7和大型运载火箭CZ-5已发射成功，适应多种不同的发射需求。
3. 运载火箭成本与性能估计
3.1. 运载火箭组成与成本估计
运载火箭主要由箭体结构、发动机、推进剂和气体、伺服机构及阀门管线、控制与遥测等电子电气设备、火工品及其他等组成。一般地，火箭的干质量(除了推进剂和气体之外的质量)越小、发动机比冲越高，运载火箭运载效率越高。推进剂一般占火箭总质量的90%以上，但是总成本较低；箭体结构、发动机、电子电器设备等质量综合虽小，但是总成本很高。
图1给出了美国ULA的“宇宙神401”运载火箭各组成部分成本与质量示意图 [13] 。第一子级发动机占据一子级总成本的50%以上，一子级箭体结构占据一子级总成本的25%左右，虽然一子级推进剂成本不超过一子级总成本的1%，但一子级推进剂质量占一子级总质量的90%以上；第二子级的火箭结构、发动机、电子电气设备、伺服机构等成本占二子级总成本的85%以上，而二子级推进剂依然占据二子级总质量的绝大部分。此外，一、二子级的箭体结构、发动机、电子电器设备等占据各子级总成本的比例也不同。因此，低成本火箭设计需要重点围绕高成本的系统和部件进行新型设计、高效制造或回收利用。
3.2. 影响运载火箭成本的主要因素
以猎鹰9运载火箭发射任务为例，有学者估计运载火箭成本约占发射任务总成本的53%，发射测控
Figure 1. Atlas launch vehicle cost and mass by major element
图1. 宇宙神运载火箭各组成部分成本与质量示意图
费约10%，保险费8%，利润约24%，其他费用约5% [15] 。因此，运载火箭成本是主要部分，也直接影响了发射测控、保险等相关费用。运载火箭作为一个典型高科技产品，影响其成本的因素很多，包括设计、材料、发动机、电气系统、推进剂、智能化、制造、管理、重复使用等多个方面 [6] [14] - [19] ，表3给出了主要因素及简要解释。
3.3. 可重复使用运载火箭效费估计
既然一次性运载火箭成本高昂，数十年来国际航天界一直追求研制可重复使用运载器。美国航天飞机是一种垂直起飞、水平返回的可重复使用运载器，预期每次发射成本约为3000万美元，是当时火箭发射价格的1/3甚至更低。但是，由于航天飞机返回地面后需要进行大规模的维修，导致实际上每次总发射经费高达4~5亿美元 [14] ，再加上几次重大的载人航天事故，美国2011年被迫终止了航天飞机的飞行任务。
但是，随着航天技术的发展，在商业航天巨大市场利益的推动下，国际航天界一方面采用各种新技术降低一次性运载火箭的成本，另一方面继续探索发展可重复使用运载火箭。美国SpaceX公司通过技术创新、技术集成、优化设计和生产过程等方式，即降低了一次性火箭的成本，又成功实现了一子级火箭的回收，将可进一步大幅降低火箭成本。既然火箭需要回收并重复使用以降低成本，就需要为火箭增加回收辅助结构和返回所需推进剂等，从而会导致运载火箭运载能力降低。
猎鹰9火箭一子级垂直返回回收有两种方式，一种是“返回原场”(Return to the launch site, RTLS)回收方式，另一种是“不返回原场”(Not return to the launch site, NRTLS)回收方式。“返回原场”回收方式指火箭子级分离后，依靠火箭发动机对其进行减速转弯，最终在原发射场垂直着陆，实现子级无损回收；“不返回原场”回收方式指火箭子级分离后，沿惯性弹道进行飞行，在达到一定高度后，开启火箭主发动机进行减速，最终实现子级定点垂直着陆，“不返回原场”方式不对回收场位置进行严格限制，火箭子级在回收飞行段全程都按零攻角飞行。高朝辉等通过仿真FALCON 9V1.1运载火箭执行200 km近地圆轨道发射任务，针对这两种返回方式开展了运载能力损失研究 [20] ，主要结果如表4所示。
仿真结果表明，猎鹰9V1.1运载火箭要实现一子级垂直返回原场回收，需要预留15.29%~17.11%的
Table 3. Major factors related to launch vehicles’ cost
表3. 运载火箭成本主要影响因素
Table 4. The comparison of fuel consumption and launch capacity for the first stage flying back
表4. 一子级返回推进剂用量及运载能力比较
推进剂量，运载能力损失52.60%~56.76%。相较而言，一子级不返回原场回收时，仅需要预留6.82%的推进剂量，运载能力损失为28.90%，具有较明显的优势。为了弥补运载能力的损失，SpaceX公司在火箭设计上采用了推进剂交叉补偿技术、推进剂总量增加30%等有效措施。
SpaceX公司宣称 [21] ，猎鹰9火箭一子级成本占整个火箭成本的80%左右，而推进剂成本不到100万美元，一子级回收后维修成本预计300万美元。如果火箭一子级回收并重复利用，除去附加维修费等，回收火箭再次发射成本可降低30%，也就是说，回收火箭的发射成本可进一步降至4000万美元左右，这是SpaceX赢得大量发射合同的最大优势，也是国际上同类型火箭难以企及的目标。
据此推算，除去发射、测控等费用以及发射利润，猎鹰9火箭生产成本约为2500万美元。一子级回收利用后，再次发射可节约成本1700万美元。如果一子级重复使用20次，可节约3.4亿美元。如果二子级也采取回收技术，那么发射成本会进一步降低。SpaceX公司的未来目标是将发射价格降低到500~700万美元，是现有火箭价格的1/8~1/10。但是，这仍有很多难题需要解决。
4. 低成本运载火箭发展建议
随着技术的不断发展，无论是在商业航天领域还是在军事航天领域，大力发展低成本运载火箭已成为航天业界共识。目前，我国也在积极开展低成本运载火箭的研究。通过总结国外研究经验教训，给出如下发展建议。
(1) 引入航天竞争机制
过去航天业主要由国家统一管理，由于各国政策管制和航天高科技门槛的原因，大型航天企业缺乏竞争，运行机制僵化，官僚主义严重，这些都导致研制和发射费用虚高，甚至出现ULA那样屡次大幅度涨价的闹剧。SpaceX公司在低成本运载火箭上取得的巨大成功，很大程度上归功于NASA的技术转让、政策和资金支持以及良好的商业运作模式 [14] 。因此，深入开展军民融合，加强商业航天扶持，打破垄断，是降低航天发射成本的主要途径之一。
(2) 加强创新与集成
日本Epsilon火箭采用智能监测技术，大幅减化了操作，降低了发射成本；一些新型锂铝合金、碳纤维材料等新型材料的使用，提高了火箭结构强度的同时降低了结构质量，提高了运载能力；采用3D打印技术制造火箭部件，大大提高了生产加工效率。此外，“猎鹰9”一级火箭的回收技术以着陆支架、姿态控制技术、推进剂交叉供应和高效发动机为亮点。这些技术单项看来与一些航天大国的现有技术相比并没先进到哪儿去，但将它们组合起来的系统却非常优异。这意味着不论火箭技术、卫星技术，还是探测器外星着陆技术，都可以集成在一起，系统更优化、指标更先进，这体现出火箭系统设计的出色能力。因此，加强创新与集成是降低航天发射成本的又一主要途径。
(3) 加强新型发动机研制
火箭发动机是火箭最重要的组成部分，对运载效率起到决定性作用，其成本往往占据火箭总成本一半以上。为降低发射成本，一方面需要降低发动机设计复杂性，提高可靠性和可重复使用性；另一方面加强低成本、变推力的甲烷/液氧发动机研制，提高火箭运载效率。无论对于国家大型企业或商业公司，没有自己过硬的发动机技术，发展将会大大受限。由于火箭发动机研制技术要求高，为规避研制风险，很多国外商业航天公司一般先研制门槛较低的小型火箭发动机，待试验成功后再研制大型发动机。
(4) 发展可重复使用火箭
美国数十年来一直发展低成本运载火箭，尽管经过不懈努力，但一次性运载火箭的成本难以降低，高昂的发射费用阻碍了航天业的快速发展。随着Blue Origin、SpaceX等公司运载火箭回收试验的成功，火箭可回收重复使用技术已成为未来低成本火箭发展趋势。随着冲压发动机的逐步成熟，采用航空发动机、冲压发动机和火箭发动机的可重复使用组合动力飞行器将成为未来低成本天地运输的主要方式。
(5) 转变传统设计理念
传统的航天界积累了丰富的经验和教训，但也往往导致固步自封，以确保安全、可靠发射为由，对新设计、新技术不够积极。借鉴SpaceＸ公司成功经验，需要转变传统设计理念，包括采用火箭重复使用、采用商业级产品、缩短工业链、应用商业化管理模式等，以及加强验证型火箭研制，通过增加火箭规模实现运载能力要求，而非象传统设计方式那样过分追求有效载荷系数等。
基金项目
部委级资助项目。