基于成本考虑的天地往返技术途径分析

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1、第39卷第1期火箭推进Vol·39，№·12013年2月JOURNALOFROCKETPROPULSIONFeb．2013基于成本考虑的天地往返技术途径分析晋晓伟，李平，柳长安，马键(西安航天动力研究所，陕西西安710100)摘要：采用能量分析方法，对天地往返成本的影响因素进行了分析。重点对入轨方式、发射方法和动力系统等因素进行了分析。提出了未来天地往返运输技术的研究设想。关键词：天地往返；单级入轨；两级入轨；空中发射；组合循环中图分类号：V434—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(2013)01-0008-07Analysiso

2、ftechnologiesforspacetransportationinconsiderationofcostJINXiao—wei，LIPing，LIUChang-an，MAJian(Xi’anAerospacePropulsionInstitute，Xi’an710100，China)Abslaaet：Thefactorsaffectingthecostofspacetransportationisanalyzedwiththeenergyanaly-sismethod．Theinjectionorbitmode，launchmethod

3、andpropulsionsystemareanalyzedemphatical—ly．Thedevelopmentwayofthespacetransportationtechnologiesinfutureisproposedinthispaper．Keywords：spacetransportation；SSTO；TSTO；airlaunch；combinedcycleO引言从第一颗人造卫星发射以来，降低天地往返成本一直是航天发射追求的重要目标。将有效载荷送人轨道，目前主要是利用推进剂的化学能进行的。天地往返需要大推力和高可靠性的动力系统

4、，在新的能量技术(例如核能)成熟前，化学能仍是天地往返系统动力的主要能量来源。利用目前的化学能火箭动力，到达近地轨道(LEO)需要的能量约45MJ&g或12．5kWh／kg，对应市电值为￥6．25／kg，运载成本为$9000～50000／kg。因此，目前的化学运载的成本还有改进空间。目前，天地往返主要采用多级运载火箭，主流动力形式基本没有变化。经过多年发展，当前的化学火箭动力效率非常高，大约在97％～98％的量级。这意味着单纯提高火箭发动机性能效果非常有限，且在这一颠峰水平方向提高性能通常要带来高额成本，经济上不可行。目前一次性运载火箭运载效率

5、不足起飞质量的5％，大型液体运载起飞质量达到1000t左右，通过提高运载器规模，减少分系统分摊成本负担的办法也似乎走到了尽头。这种较低的运载效率与较高的动力性能的矛盾，说明降低天地往返成本需要新的鳃收稿日期：2011—08—24；修回日期：2012—12—06基金项目：国家863项目(2008AA7054051作者简介：晋晓伟(1982一)，男，工程师，研究领域为吸气式动力系统箜塑鲞箜!期晋晓伟，等：基于成本考虑的天地往返技术途径分析9决途径。本文采用能量方法，分析了影响天地往返运输成本的因素，提出未来天地往返运输技术的研究设想。1运载成本影响

6、因素运载成本包括：研制成本、生产成本和运行成本等。这些成本大致可以分为两类：经常性和非经常性成本。非经常性成本主要是前期研制过程中的经费投入。运载成本的研究目标主要是通过各种措施降低经常件成本，从而降低总的运载成本。人们往往更关注单位质量载荷的运载成本。图1所示为国外目前常规运载系统单位质量载荷运载成本的情况。l民粼史将噔框繇慑忙坩O500010000150002000025000200km，28．5。轨道的载荷／kg图1传统空间运载系统的运载成本Fig．1Costsofcommonspacedeliverysystems可以看出，单位质量运载

7、成本随着发射载荷质量的增加而减少。其原因主要是，生产成本方面，运载器上相关设备的成本是相对固定的，对于一次性运载系统，发射过程中这些部分都要抛掉，其成本都转移到载荷的运载成本；运行成本方面，相同的发射方式下，单次发射服务和维护成本相差不大，随着载荷总质量的增加，单位质量分摊成本也相对降低。但是随着载荷总质量的增加，单位质量运载成本降低的趋势逐渐减小，10t以上有效载荷的运载成本对运载器的规模已经不敏感。因此，降低运载成本迫切需要天地往返运输途径的创新。一方面可以采用重复使用技术，通过部分或全部回收利用运载器，可以降低单位质量载荷所对应的生产成本

8、，也可以分摊研制费用等前期投入成本。另一方面，通过优化或改进人轨方式和发射方式，采用新的动力形式，提高能量利用效率，提高运载效率，从而降低运载成本。如