出品：科普中国
制作：李会超（哈尔滨工业大学深圳校区）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
美国东部时间5月30日，SpaceX研发的载人型龙飞船，由自家的猎鹰9号火箭发射升空，从而让美国宇航员再次从美国本土乘坐本国的航天器进入国际空间站。
在航天飞机停飞的这些年里，虽然美国宇航员也还能上天，但是乘坐的“船”却是俄罗斯的“联盟号”飞船。不但要掏人均8600万美元的巨款买票，还会受到美俄关系变化的影响，两国处得不好的时候，宇航员也得跟着受气。比如2014年，俄罗斯的政府要员就曾经威胁要拒载美国宇航员，并建议他们使用蹦床去往国际空间站。
（正在与国际空间站进行对接的载人型龙飞船。图片来源：NASA）
在马斯克搞定了载人龙飞船后，美国宇航员上天终于不用再看别人的眼色了。同时，自家的飞船也让NASA省了不少钱。据NASA总监察长办公室的估算，坐龙飞船上天一次，NASA平均要为每个宇航员支付5500万美元。虽然这仍然不是一笔小钱，但已经比俄罗斯的价格要省了不少。
作为NASA商业载人航天计划最终选定的两种飞船之一，马斯克的龙飞船给NASA省的钱不只有每次上天时需要支付的“船票费”。在商业载人航天计划中，NASA总共投入了约80亿美元的研发经费，就获得了龙飞船和CST-100两种新一代的近地轨道飞船。相比于NASA的传统研发模式，这两种飞船的研发经费足足节省了200-300亿美元。
可重用技术，可能没你想象的那么省钱
说到省钱，人们想到的途径往往是近年被炒得火热的可回收重用技术。直觉上，如果同一样东西能够被多次使用，肯定比用完一次就报废要便宜不少。例如，如果一架造价几千万甚至几亿美元的民航客机飞行一次就直接抛弃，恐怕一般人就就很难负担得起机票了。
然而，在航天领域，可重复使用技术对于成本的降低没有一般人想象的那么有效。航天飞机是第一种成熟的可重复使用航天器。除了橙色的燃料箱是一次性使用外，航天飞机的轨道器（也就是大多数人印象中的航天飞机）可以多次重复使用，发射时使用的固体火箭助推器在完成任务后会在海上降落，回收后仍然可以再次使用。
（轮船正在打捞回收航天飞机的固体火箭助推器，图片来源：NASA）
然而，最终让航天飞机计划走向末路的一个核心原因，却是因为航天飞机烧钱太猛。在航天飞机服役末期，每次飞行的成本已经高涨到15亿美元。在NASA总预算有限的情况下，有不少人认为航天飞机消耗掉了太多的经费，以至于其他有价值的科学任务无法开展。
在航天飞机设计之初，人们曾经对她有着美好的憧憬强大的人员和货物运输能力，整个机队维持每年50次以上飞行的出勤率，每次飞行低至数百万美元的飞行成本。每艘航天飞机在完成一次任务后，仅有1%的部件需要更新，经过两个星期的整备就能重返太空，核心发动机可以使用数十次。
（完成一次飞行后，在厂房中进行维护的航天飞机轨道器。图片来源：NASA）
然而理想很丰满，现实却很骨感。
由于项目经费的限制，航天飞机的实际设计相较于最初的设想打了不少折扣。在后来的实际使用中，那些美好的愿景全都未能实现：每次飞行后的实际维护工作远高于预期，至少需要2000个小时。而每次维护所需更换的部件占到了航天飞机总部件量的10%-15%。在航天飞机使用的过程中，仅有一年达到了全年9次的飞行数，在其他的年份则均比这个数量要低。由此，我们也就不难理解为什么航天飞机的使用成本会一飞冲天：维护耗费了更多的部件材料费用和人工费用，而维持航天飞机飞行的团队也需要相当高的经费。当航天飞机的飞行次数减少时，分摊到每次飞行上的日常费用则会增加。
（2011年，执行最后一次航天飞机任务的亚特兰蒂斯号航天飞机。图片来源：NASA）
因此，可重用技术能不能省钱、能省多少钱，决定于飞行间维护成本、寿命内可用次数、最高飞行频度等等多个因素。对于近些年来出尽风头的猎鹰9号火箭，它以可回收状态飞行时，需要预留额外的燃料给第一级返回使用，还需要在火箭上安装回收所需的额外装置，这些都增加了火箭的“死重”，降低了能够发射的有效载荷重量。回收后，猎鹰9号的第一级在重复使用前也需要进行一定的维护工作，可用次数目前最多能达到四次。至于火箭用到三手、四手之后，到底能省多少钱，一直是一笔糊涂账。根据SpaceX主席肖特维尔的估计，重用火箭降低成本的比例也仅有30%。也就是说，客户使用翻新的火箭，仍然需要至少支付相当于新火箭70%的费用，离马斯克对于航天发射费用“下降几个数量级”的愿景差的还是有点远。而且，SpaceX也不会把降低的成本全部回馈给客户，因此发射价格降低的比例比30%还要低。
（SpaceX第一级火箭回收过程，期间火箭发动机要多次点火，因而要预留燃料。图片来源 SpaceX）
一口价，没有中间商赚差价
虽然载人型龙飞船具备可重复使用的潜力，但是直到本次任务时，能否使用“二手”龙飞船实际执行载人任务，SpaceX和NASA仍然在考虑之中。在未来已经确定的任务中，SpaceX将使用全新的飞船+全新的猎鹰9号火箭。当然，用于发射龙飞船的猎鹰9号第一级被回收后，可以在翻新后用于其他航天器的发射任务，为SpaceX节约一些成本。但由此节省的经费，并不十分可观。
既然“回收重复使用”没有我们想象的那么省钱，SpaceX是如何给NASA省钱的呢？
在美国以往的航天器研发制造中，虽然也会将相关工作交给波音、诺斯罗普格鲁曼等企业完成，但NASA始终对航天器的设计保持控制，NASA的人员会深度参与到研发过程中，制造出的航天器、其附带的知识产权和航天器的运营设施属于NASA，研发的全部预算也由NASA承担。如果把飞船看做是一部汽车，那么NASA就是汽车的买主，还负担一切有关汽车研制的费用。
由于航天活动的未知性和风险性，这种一切由政府买单的模式有助于推动新的航天技术发展，开辟新的探索领域。NASA计划用于载人深空飞行的”猎户座“飞船，就仍然采用了这种模式。但在这种模式下，一切由NASA兜底，承包商通过技术开发降低成本的动力不强，项目超支几乎成了一定要发生的事情。
而在商业航天计划中，NASA是以”一口价“的方式支持飞船研发、采购发射服务。无论飞船研发最终的成本是多少，NASA的付费是固定的。在这种模式下，NASA的角色由买主变成了租客，企业将自发的提高研发的效费比，并尽力进行成本控制。用NASA内部一本刊物的话说，“当花他们自己的钱时，企业往往会变得更加精明。“在这种模式下诞生的飞船，航天器属于研发的企业所有，除了向NASA提供载人服务外，他们还可以向其他的客户出售太空旅行的“船票”，由此弥补开支、赚取利润，创造新的商业机会。
SpaceX在美国霍桑的研发制造设施，能够集中完成大量的研发制造工作。图片来源：Wikipedia
同时，SpaceX新的运作模式也为解约成本创造了条件。联合发射联盟（ULA）等美国传统航天企业，往往会将航天器的一部分部件供应或设计工作转包给其他的子承包商，同一航天器的研发需要遍布美国全境的数百个子承包商共同完成。维持这样一支庞大的队伍运转，不但会增加管理成本，还会造成中间商赚取差价的问题。而SpaceX的研发和制造过程则是高度集成的。和一般家庭节省生活开支的路数类似，SpaceX奉行“能自己搞定就绝不出去买”的原则，在自身内部集中完成大部分的研发工作，可以比较有效的控制成本。
近地轨道发射单价的变化趋势，价格的单位为 千美元/千克。图片来源：参考内容[2]
事实上，即便不启用可回收功能，猎鹰9号火箭向近地轨道（LEO）发射载荷的单价也相当“白菜“，仅为每千克2万7千美元。这个价格仅相当于从上世纪七十年代到本世纪初，长期保持稳定的LEO发射单价的七分之一。
未来，随着新航天技术和管理机制的运用，各国运载火箭的发射单价还会越来越低。由此，航天器在重量和可靠性上的限制将不再那么苛刻，航天器本身的成本也有望随之走低。长期以来，由于经费难以负担昂贵的航天器研发和发射，许多科学和技术上有关太空的想法都无法真正上天实现。发射价格的降低，将让这些为钱所困的灵感有机会变成现实。而“配送费”的下调也有望让宇航员也可能在太空中生活的更好，吃到更多没有脱水的食物，多用一点水清洁身体，甚至在大型的航天器中享受虚拟重力带来的更舒适的太空体验。
参考内容：
[1] Dana Andrews, Space Shuttle 2.0: What did we learn? Space Reveiw
[2] Harry W. Jones, The Recent Large Reduction in Space Launch Cost, 48th International Conference on Environmental Systems
[3] Peter B. de Selding, SpaceX’s reusable Falcon 9: What are the real cost savings for customers? Spacenews.com
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