物理学没说不可以:马斯克如何改写人类航天史?(组图)

把SpaceX的猎鹰9号回收火箭比作一支铅笔，那么从发射到返回的技术难度，相当于让铅笔飞过453米高的帝国大厦头顶，然后精准落到只有鞋盒大小的着陆点上。 接替猎鹰9号的重型运输系统星舰，提出了一个更极限的目标：用一双筷子牢牢夹住这根小小的铅笔。 如果机械臂稳稳接住推进器，就能减少火箭零部件着陆时的损伤，火箭在简单维护和补充燃料后，可以迅速返回工作岗位，提高发射效率。 2023年开始星舰试飞后，SpaceX的前三次试飞以两次爆炸一次失联收尾。今年6月的第四次试飞，星舰飞行一小时后在海面实现“软着陆”。 今年7月的采访中，马斯克就信心十足地预言第五次试飞有很大机会成功，因为“我们并没有违背物理学”。 物理学回报了马斯克。10月13日，星舰的第五次试飞中，巨大的机械臂成功夹住了火箭的助推器Super Heavy——高度为69米，直径为9米，空重200吨，满载重3600吨。自此，人类的航天史进入了新的章节，“太空公交车”不再是遥不可及的天方夜谭。 2023年全年，SpaceX成功完成了98次火箭发射，占全世界总发射次数的44%；这98次任务发射了1984颗星链卫星、将1600吨有效载荷送上了既定轨道，占全球有效载荷的80%。 按照彭博的说法，2024年SpaceX有望在火箭发射和星链业务上获得90亿美元收入。


关于SpaceX的愿景和实现路径，清晰记录在2011年5月马斯克发表的一封名为《The facts about SpaceX Costs》的公开信中[2]，13年过去，绝大多数内容依旧有效： ·完全可复用的运载器是航天产业的长期目标，在实现目标前，SpaceX不会满足于当前的进步。 ·全球范围内，只有SpaceX将发射费用公开在网站上。SpaceX的定价不是为了抢占市场份额，也不是用低价“教育”市场后提价，而是通过创新战胜海外的廉价劳动力。 ·随着时间的推移，SpaceX的表现会越来越好，价格会越来越低，这是所有科技门类的发展规律。 最好的零部件是没有零部件 航天发射大致由两个部分组成：运载火箭和送进太空的飞行器（卫星、空间站、深空望远镜等）。 运载火箭是飞行器逃离地球的动力来源。在人类不算长的太空探索历史中，运载火箭一直是一次性消耗品。完成运送任务后，它会跌入大气层烧毁。 类比民航业，就像一架把乘客运到目的地后，立刻原地坠毁的飞机。 有去无回的一级运载火箭会占据发射成本的50%以上[6]，没有任何商业机构能承担这样的成本。因此，太空发射只能由政府财政买单，交由特定的承包商承担发射任务。 马斯克的思路其实很简单：让火箭可以重复发射，同时将火箭做的尽可能大，一次运载足够多的东西，每公斤的运输成本就能极大摊薄。 这个思路的第一个产物不是星舰，而是NASA的“航天飞机计划”。航天飞机的设计初衷也是为了实现发射系统复用，但思路是依靠空气动力学——这就是为什么它长得像飞机。 但在航天飞机短暂的生命周期里，其安全性一直饱受质疑。挑战者号和哥伦比亚号都经历过失事惨剧，多次事故后，保守意识在NASA抬头，毕竟没人希望看到宇航员的生命和纳税人的钱在半空中炸成碎片。


上图：挑战者号起飞73秒后在空中爆炸｜下图：哥伦比亚号返回大气层时解体。两次事故造成14名机组人员全部遇难 另外，航天飞机虽然实现了“可复用”，但并没有解决成本问题。 航天飞机项目拥有超过650个设施，120多万台设备，雇用了5000多名员工。除此之外，全美有1200多家供应商为该项目服务。 如此巨大的投入后，航天飞机向低地球轨道运输的增量成本依然高达4.09亿美元；按照测算，送往国际空间站的每公斤货物，运费高达27万美元。 作为对比，SpaceX每公斤运费约为1410美元，其他商业航天公司最低能达到5000美元。 马斯克赞同火箭复用的构想，但他认为，既然空气动力学的思路已经被历史证伪，SpaceX就要从根本上改变，一种被认为天方夜谭的火箭回收方式摆上台面：动力垂直回收。 顾名思义，动力垂直回收不依赖机翼滑翔，而是发动机多次点火降速大力出奇迹。这种无损着陆方式在月球、火星等深空探索里已经用过，但很少有人想把它用在地球上。 地球不仅有更大的重力、剧烈的大气摩擦，还有广阔的生命活动区域与复杂的国界地形，这导致动力垂直回收在地球最大的应用场景是科幻电影，马斯克是第一个试图复现科幻电影的人。


2021年NASA的火星探测车“毅力号”成功着陆 目前，SpaceX的猎鹰9号是世界上唯一实现大规模重复使用的火箭，其回收技术已经相当成熟。但马斯克认为猎鹰9号的起落架直立降落方案成本还是太高，干脆直接用筷子夹住助推器。 星舰系统配备了33个助推器发动机，能够将超过100吨的有效载荷送入预定轨道，这一数字是猎鹰9号的5倍。马斯克认为，终有一天，它将带着100名乘客前往火星。 物理学没说不可以 为了在投入有限的情况下达到理想目标，马斯克将消费电子产品的生产思路大规模带进了壁垒森严的太空产业，其核心是快速试错，快速迭代。 2024年7月，SpaceX公布了服务于星舰的第三代猛禽发动机（Raptor 3），比著名的梅林发动机更强大、复杂，采用甲烷（一种在火星上易得的资源）+液氧的高效燃料组合。没有排气管，反应产生的所有气体都保持在发动机内部，可在海平面产生230吨的推力。 马斯克表示：只有上帝本人才能在结合分子方面比猛禽燃烧室做得更好[3]。


星舰的三代猛禽引擎 和前两代对比，猛禽三代的外表变得相当干净，甚至是小巧。生产流程和技术优化迭代后，大量管线被金属3D打印技术整合到了引擎内部，于是保护管线的特殊隔热罩也被舍弃了。 三代引擎是SpaceX研发哲学的一个侧写：开头不需要完美，过程中要有针对性的改进，最终通向一个简洁、清晰、高效的未来。 在火箭发射上，SpaceX同样采取“炸了就炸了”的设计方式，即迅速制成火箭和发动机原型，进行测试，炸毁，修改，再次尝试，直到做出能用的东西。 SpaceX的推进部门首席技术官穆勒总结说：“你不需要完美地规避多少问题，关键是能多快找出问题，然后解决它[4]。” 和NASA如履薄冰的求稳思维相反，马斯克极力向工程师传达一个理念，一件事情只要没有违背物理学定律，那就有实现的可能。 这种思路同样用于特斯拉的汽车生产。 2018年，马斯克意外发现一辆Model S的玩具车模的车底被压铸成了一整块金属，甚至还有一套悬挂系统。当天的会议上，马斯克提出特斯拉也可以这么做，但工程师表示反对，因为汽车底盘要大得多。 马斯克反问：“不就是搞一台更大的铸造机吗？又不是打破物理学定律[5]。” 之后，他和高管给六家铸造公司打了电话，只有一家名叫意德拉的公司接受了这项挑战。后者提供的GigaPress将传统车架中的需要加工再组装70个零件，焊接1000至1500次的复杂生产过程，变成一次简单压铸加工，让焊接两小时变成压铸两分钟，为Model Y省下了20%的生产成本。


猎鹰9号火箭 在“无需完美”的信念下，SpaceX解决很多工程学问题时胆子都很大，有一种乱拳打死老师傅的美感。 为了向NASA证明自身的正确性，SpaceX会同时用业界标准设备和自己设计的设备进行发射测试。一旦SpaceX的设计性能等同或优于业界标准，它就会成为公司的新标准。 按照规定，美国所有飞行器发射都必须遵守联邦航空管理局(FAA)的准则。2020年第一次超重型助推器（星舰早期版本）无人发射测试里，FAA的检查员认为高空风条件并不满足发射要求，但SpaceX的天气模型示意可以发射，工程师看向马斯克，他默默点了个头，火箭升空了。


龙飞船为国际空间站执行载人任务 2022年，牛津大学三位学者分析了NASA和SpaceX总计203次太空任务，发现后者的火箭研发成本只有NASA的十分之一，研发速度却快了两倍[16]。 NASA每年获得的拨款超过200亿美元，SpaceX成立21年，总共只筹集了百亿美元左右的资金。用着NASA半年的预算，SpaceX陆续开发了猎鹰一号、猎鹰九号、猎鹰重型和星舰，还有梅林和猛禽两款火箭发动机。 猎鹰9号火箭从一张白纸到首次发射，只用了四年半的时间，耗资平均在3亿美元左右。作为对比，NASA主导研发的航天飞机，每一架都耗资超过20亿美元。 龙飞船上的浴室门把手 第一批SpaceX员工入职时，被告知公司目标是做“太空行业里的西南航空公司（美国版春秋航空）”。 虽然看上去尖端无比，但SpaceX的火箭实际上采用了大量廉价的消费级产品[11]： 猎鹰火箭用5000美元的普通电脑，取代了100万美元的航天级电脑；火箭打捞雇的是普通的商业打捞公司；龙飞船的门把手是工程师们用浴室零件组装的，成本只需30美元，而NASA的同款门闩造价1500美元。 猎鹰9号的载重舱的空气冷却系统要价300多万美元，但后来被换成了稍经改造的商用空调设备。得知猛禽发动机内部有一根成本2万美元的管子，马斯克表示“恨不得戳瞎自己的眼睛”，并要求发动机成本在12个月内，从200万美元降到20万美元。


除了物理学，马斯克真正关心的东西似乎只有成本。SpaceX真正的创举是改变了航天器的生产流程，用生产汽车的方式生产火箭。 马斯克提出过一个名为“白痴指数”的概念，即工业品生产成本与原材料成本的比值。比如一个零部件的总成本为1000美元，而原材料铝的成本只有100元，那么白痴指数就高达10，意味着生产环节创造了过多的成本。 SpaceX出现前，火箭的整体成本比碳纤维、金属、燃料这些原材料成本高出了足足50倍，白痴指数爆表。星舰项目启动时，马斯克强迫SpaceX的财务分析师在一夜之间找出20个白痴指数最高的零部件，比如泵和整流罩，并制定目标，尽可能减少加工工序。 按照马斯克的说法：“如果你做的东西白痴指数很高，那你就是个白痴。” 一直以来，马斯克解决成本问题的思路是“用成本最高的方法降低成本”，十个会计需要花一个月算好的账，会招二十个程序员编写一套程序，把算账流程自动化，这样一天就能算完了。这也是为什么马斯克会说，“与设计一家工厂所需的脑力劳动相比，设计车的脑力劳动不值一提。” 从生产Model 3的超级工厂到SpaceX的星舰，这套思路无往不利。 SpaceX在火箭生产中引入了一项摩擦搅拌焊接(friction stir welding)技术，这项技术的核心是借助高速旋转的机头摩擦金属板连接处，让晶状结构融合在一起。 由于焊接会改变金属板材的受力性能，航天公司一般采用铆钉等紧固件提供支撑，代价是限制了金属板材的尺寸。SpaceX第一次将摩擦搅拌焊接应用于火箭箭体这类庞然大物，不仅焊缝更坚固，也能使用更轻的合金，让猎鹰火箭一举减重数百磅。


四个铝制圆顶由摩擦搅拌焊接技术焊接而成 与大多数航天器制造商不同，SpaceX的核心工厂设在了公司总部里面，所有火箭、飞船的核心零部件都在这里生产组装。在工厂最中间，各种巨大的焊接施工区域之间，有一栋三层楼高的透明办公楼，是火箭工程师的办公室。 这就是SpaceX推行的“垂直集成”生产方案，设计者和制造者能一同工作，新想法能快速落地，产线问题能立即解决。


SpaceX的太空工厂 基于这套方法，SpaceX自己完成了80%～90%的制造工作——包括火箭、发动机和关键电子设备。SpaceX的所有技术经理都必须去生产一线，包括马斯克本人。 这种对生产流程极端的掌控是提高效率的关键，特斯拉曾将其称为“来到红灯前”。特斯拉的首席设计师冯·霍兹豪森曾说：“我们要培养出一群像工程师一样思考的设计师，再培养出一群像设计师一样思考的工程师。” 到2022年感恩节，星舰工厂里已经每天能造出超过一台猛禽发动机，整个生产过程几乎就像配装汽车一样便捷流畅。 在突破工程难题的同时，SpaceX颠覆了太空产业传统的成本结构。就连NASA也承认[8]：“我们确实认识到需要降低成本，并认为商业合作伙伴在这方面做得比我们更出色。” 看得见的手 《马斯克传》中记载，SpaceX的工程师曾向马斯克解释火箭发射面临的安全审查的行政要求，以及发射许可审批的复杂。 这让马斯克怒不可遏，表示自己为人类登陆火星殚精竭虑，但到头来“还得操心这些破事”。紧接着，马斯克说了一段富有哲理的话： “文明就是这样衰落的，因为他们放弃了冒险。当他们放弃了冒险事业，文明的动脉就会硬化。” 在SpaceX的故事里，NASA似乎一直扮演着电影中经典的反派角色：低效、官僚，频繁动用行政力量阻碍市场化的手段创新。但实际情况是，NASA是SpaceX最重要的支持者之一。 航天飞机计划终止后，为了削减成本，美国政府开始支持私人航天企业。SpaceX最初的订单，就由NASA和DARPA提供。DARPA高层曾盛赞马斯克：有远见的人有很多，但既有远见还懂火箭的只有马斯克。 SpaceX的成长过程中，看得见的手始终如影随形。 NASA向SpaceX 提供了技术转让，包括开放技术资料、派驻技术人员、转让专利、提供研发设备与试验场地等。美国现行的《国家航天政策》中明文写着，要通过采购政策、体制创新来推动商业航天的发展。 相比商业公司订单和有限的个人投资，政府订单才是SpaceX运营的支柱。SpaceX从美国政府得到的各类项目经费高达80多亿美元，其中NASA提供了约72亿美元，空军提供约9.6亿美元。


SpaceX的成功从不是单打独斗。每一个高举自由市场大旗的经济体都无比清楚市场的优点和缺陷，然后对其善加利用。 尾声 猎鹰重型火箭首次发射时，装载了一辆特斯拉跑车做载荷试验。发射很成功，马斯克乐观地预计，这辆跑车能在地球与火星之间的轨道上漂流上亿年。 “最后，它会极端的接近火星，有那么一点点的机会、极其渺茫的希望，可能落到火星上。”


宇宙漂流的特斯拉跑车，一块电路板上写着“Made on Earth by humans” 许多SpaceX工程师进入太空行业是受一本1998年出版的书鼓舞，《火箭小子（Rocket Boys）》。作者Homer Hickam曾担任NASA工程师，负责宇航员培训，参与过哈勃太空望远镜的维修任务。 这本书在出版第二年被改编成电影《十月的天空》，讲述了Homer Hickam作为一个煤矿工人的孩子，如何对太空探索产生兴趣，在家乡小镇试射了31枚“自研”火箭，之后在全国科技博览会夺魁。 电影里有一段对白，发生在Homer Hickam和朋友们发生争执，准备放弃比赛期间。 主角的朋友问：老实说，我们这群煤矿来的小子赢得科学展的几率到底有多高？ 主角说：百万分之一吧。 朋友说：这么高？怎么不早说。 科技的进步有很多原因。其中一个重要原因是，总有一些人把百万分之一的概率当作值得毕生去追寻的理由。