出品：科普中國
製作：李會超（哈爾濱工業大學深圳校區）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
美國東部時間5月30日，SpaceX研發的載人型龍飛船，由自家的獵鷹9號火箭發射升空，從而讓美國宇航員再次從美國本土乘坐本國的航天器進入國際空間站。
在太空梭停飛的這些年裡，雖然美國宇航員也還能上天，但是乘坐的“船”卻是俄羅斯的“聯盟號”飛船。不但要掏人均8600萬美元的巨款買票，還會受到美俄關係變化的影響，兩國處得不好的時候，宇航員也得跟著受氣。比如2014年，俄羅斯的政府要員就曾經威脅要拒載美國宇航員，並建議他們使用蹦床去往國際空間站。
在馬斯克搞定了載人龍飛船後，美國宇航員上天終於不用再看別人的眼色了。同時，自家的飛船也讓NASA省了不少錢。據NASA總監察長辦公室的估算，坐龍飛船上天一次，NASA平均要為每個宇航員支付5500萬美元。雖然這仍然不是一筆小錢，但已經比俄羅斯的價格要省了不少。
作為NASA商業載人航天計劃最終選定的兩種飛船之一，馬斯克的龍飛船給NASA省的錢不只有每次上天時需要支付的“船票費”。在商業載人航天計劃中，NASA總共投入了約80億美元的研發經費，就獲得了龍飛船和CST-100兩種新一代的近地軌道飛船。相比於NASA的傳統研發模式，這兩種飛船的研發經費足足節省了200-300億美元。
可重用技術，可能沒你想象的那麽省錢
說到省錢，人們想到的途徑往往是近年被炒得火熱的可回收重用技術。直覺上，如果同一樣東西能夠被多次使用，肯定比用完一次就報廢要便宜不少。例如，如果一架造價幾千萬甚至幾億美元的民航客機飛行一次就直接拋棄，恐怕一般人就就很難負擔得起機票了。
然而，在航天領域，可重複使用技術對於成本的降低沒有一般人想象的那麽有效。太空梭是第一種成熟的可重複使用航天器。除了橙色的燃料箱是一次性使用外，太空梭的軌道器（也就是大多數人印象中的太空梭）可以多次重複使用，發射時使用的固體火箭助推器在完成任務後會在海上降落，回收後仍然可以再次使用。
然而，最終讓太空梭計劃走向末路的一個核心原因，卻是因為太空梭燒錢太猛。在太空梭服役末期，每次飛行的成本已經高漲到15億美元。在NASA總預算有限的情況下，有不少人認為太空梭消耗掉了太多的經費，以至於其他有價值的科學任務無法開展。
在太空梭設計之初，人們曾經對她有著美好的憧憬——強大的人員和貨物運輸能力，整個機隊維持每年50次以上飛行的出勤率，每次飛行低至數百萬美元的飛行成本。每艘太空梭在完成一次任務後，僅有1%的部件需要更新，經過兩個星期的整備就能重返太空，核心發動機可以使用數十次。
然而理想很豐滿，現實卻很骨感。
由於項目經費的限制，太空梭的實際設計相較於最初的設想打了不少折扣。在後來的實際使用中，那些美好的願景全都未能實現：每次飛行後的實際維護工作遠高於預期，至少需要2000個小時。而每次維護所需更換的部件佔到了太空梭總部件量的10%-15%。在太空梭使用的過程中，僅有一年達到了全年9次的飛行數，在其他的年份則均比這個數量要低。由此，我們也就不難理解為什麽太空梭的使用成本會一飛衝天：維護耗費了更多的部件材料費用和人工費用，而維持太空梭飛行的團隊也需要相當高的經費。當太空梭的飛行次數減少時，分攤到每次飛行上的日常費用則會增加。
因此，可重用技術能不能省錢、能省多少錢，決定於飛行間維護成本、壽命內可用次數、最高飛行頻度等等多個因素。對於近些年來出盡風頭的獵鷹9號火箭，它以可回收狀態飛行時，需要預留額外的燃料給第一級返回使用，還需要在火箭上安裝回收所需的額外裝置，這些都增加了火箭的“死重”，降低了能夠發射的有效載荷重量。回收後，獵鷹9號的第一級在重複使用前也需要進行一定的維護工作，可用次數目前最多能達到四次。至於火箭用到三手、四手之後，到底能省多少錢，一直是一筆糊塗账。根據SpaceX主席肖特維爾的估計，重用火箭降低成本的比例也僅有30%。也就是說，客戶使用翻新的火箭，仍然需要至少支付相當於新火箭70%的費用，離馬斯克對於航天發射費用“下降幾個數量級”的願景差的還是有點遠。而且，SpaceX也不會把降低的成本全部回饋給客戶，因此發射價格降低的比例比30%還要低。
一口價，沒有中間商賺差價
雖然載人型龍飛船具備可重複使用的潛力，但是直到本次任務時，能否使用“二手”龍飛船實際執行載人任務，SpaceX和NASA仍然在考慮之中。在未來已經確定的任務中，SpaceX將使用全新的飛船+全新的獵鷹9號火箭。當然，用於發射龍飛船的獵鷹9號第一級被回收後，可以在翻新後用於其他航天器的發射任務，為SpaceX節約一些成本。但由此節省的經費，並不十分可觀。
既然“回收重複使用”沒有我們想象的那麽省錢，SpaceX是如何給NASA省錢的呢？
在美國以往的航天器研發製造中，雖然也會將相關工作交給波音、諾斯羅普·格魯曼等企業完成，但NASA始終對航天器的設計保持控制，NASA的人員會深度參與到研發過程中，製造出的航天器、其附帶的知識產權和航天器的運營設施屬於NASA，研發的全部預算也由NASA承擔。如果把飛船看做是一部汽車，那麽NASA就是汽車的買主，還負擔一切有關汽車研製的費用。
由於航天活動的未知性和風險性，這種一切由政府買單的模式有助於推動新的航天技術發展，開辟新的探索領域。NASA計劃用於載人深空飛行的”獵戶座“飛船，就仍然採用了這種模式。但在這種模式下，一切由NASA兜底，承包商通過技術開發降低成本的動力不強，項目超支幾乎成了一定要發生的事情。
而在商業航天計劃中，NASA是以”一口價“的方式支持飛船研發、採購發射服務。無論飛船研發最終的成本是多少，NASA的付費是固定的。在這種模式下，NASA的角色由買主變成了租客，企業將自發的提高研發的效費比，並盡力進行成本控制。用NASA內部一本刊物的話說，“當花他們自己的錢時，企業往往會變得更加精明。“在這種模式下誕生的飛船，航天器屬於研發的企業所有，除了向NASA提供載人服務外，他們還可以向其他的客戶出售太空旅行的“船票”，由此彌補開支、賺取利潤，創造新的商業機會。
同時，SpaceX新的運作模式也為解約成本創造了條件。聯合發射聯盟（ULA）等美國傳統航天企業，往往會將航天器的一部分部件供應或設計工作轉包給其他的子承包商，同一航天器的研發需要遍布美國全境的數百個子承包商共同完成。維持這樣一支龐大的隊伍運轉，不但會增加管理成本，還會造成中間商賺取差價的問題。而SpaceX的研發和製造過程則是高度集成的。和一般家庭節省生活開支的路數類似，SpaceX奉行“能自己搞定就絕不出去買”的原則，在自身內部集中完成大部分的研發工作，可以比較有效的控制成本。
事實上，即便不啟用可回收功能，獵鷹9號火箭向近地軌道（LEO）發射載荷的單價也相當“白菜“，僅為每千克2萬7千美元。這個價格僅相當於從上世紀七十年代到本世紀初，長期保持穩定的LEO發射單價的七分之一。
未來，隨著新航天技術和管理機制的運用，各國運載火箭的發射單價還會越來越低。由此，航天器在重量和可靠性上的限制將不再那麽苛刻，航天器本身的成本也有望隨之走低。長期以來，由於經費難以負擔昂貴的航天器研發和發射，許多科學和技術上有關太空的想法都無法真正上天實現。發射價格的降低，將讓這些為錢所困的靈感有機會變成現實。而“配送費”的下調也有望讓宇航員也可能在太空中生活的更好，吃到更多沒有脫水的食物，多用一點水清潔身體，甚至在大型的航天器中享受虛擬重力帶來的更舒適的太空體驗。
參考內容：
[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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