作者：晚點團隊 賀乾明 李梓楠
來源：晚點LatePost
(相關(guān)資料圖)
當?shù)貢r間 4 月 20 日早 9 點 33 分，SpaceX 的 Starship 太空船從得克薩斯州南部的一座發(fā)射場緩緩升空。近 4 分鐘后，太空船和火箭一同炸毀。但爆炸后，SpaceX 總部大樓傳出了歡呼聲，還有人開了一瓶香檳。
能讓 120 米高、人類所建造的最大火箭擺脫地心引力，不在發(fā)射臺上爆炸，已經(jīng)是成功。而 Starship 起飛后大約一分鐘，成功經(jīng)歷了最大氣動壓力點（Max Q）——火箭發(fā)射里的最重要階段之一，意味著它承受住了沖破大氣層的壓力。
一枚新火箭發(fā)射失敗、尤其是爆炸解體后，通常需要一年或更長時間才能為第二次發(fā)射做好準備。但 SpaceX 的計劃是，“幾個月后”，再來一次。
SpaceX 已經(jīng)向 Starship 投入 30 億美元，其中一部分投入是建立 Starship 飛船和 Super Heavy 火箭的生產(chǎn)工廠。今年初，SpaceX 創(chuàng)始人馬斯克說年內(nèi)將造 5 套飛船和火箭。在 Starship 發(fā)射臺附近，就矗立著另一枚 Super Heavy 火箭。
如果算上原型，這是 Starship 的第九次爆炸。這也是 SpaceX 第二次嘗試發(fā)射全新火箭失敗。更早，在 SpaceX 成立之初，第一枚火箭進入軌道前，爆炸了三次。這家商業(yè)公司能承受高頻率的失敗，并在每次失敗后讓自己變得更強。
在一次次爆炸中，SpaceX 已經(jīng)完成了前所未有的技術(shù)突破——火箭發(fā)射后自行降落回收，徹底改變了以政府機構(gòu)為主導(dǎo)的航天業(yè)格局。目前 SpaceX 是每年全球發(fā)射火箭最多的機構(gòu)，幫美國宇航局（NASA）用更低成本維系空間站，用數(shù)千枚 Starlink 衛(wèi)星搭建了地球上新的通信系統(tǒng)。今天在美國送一噸設(shè)備進太空的成本比 1990 年代末，NASA 主導(dǎo)的時期，便宜了近九成。
不論是在地球周圍用衛(wèi)星搭建基礎(chǔ)設(shè)施，還是飛往更遠的未來，都需要讓火箭送更重的物資上太空。此前荷載最多的火箭是美國 1960 年代為登月建的土星 5 號。
若 Starship 成功入軌，就意味著一個商業(yè)公司，用登月計劃 2% 的費用，做出了人類歷史上最大、一次往太空中運輸物資最多的太空飛船和火箭發(fā)射系統(tǒng)，而且發(fā)射成本可能低到百萬美元，開啟人類太空探索的新階段。
SpaceX 的超能力——窮相對于 NASA 這樣的政府機構(gòu)，SpaceX 的超能力是窮。
NASA 曾以驚人的速度實現(xiàn)了美國總統(tǒng)肯尼迪許諾的登月愿景——從 1961 年 5 月肯尼迪向國會宣布到 1969 年首次登月，歷時 8 年。
《阿波羅是如何飛到月球的》一書中評價，阿波羅計劃是用 20 世紀的技術(shù)實現(xiàn) 21 世紀探險的典范，它提前了兩代人的時間。
阿波羅計劃期間，美國政府給 NASA 的投入稱得上不設(shè)上限——數(shù)千名科學家和超過 40 萬工人加入其中，消耗 250 億美元（幣值相當于如今超過 1500 億美元）。沒有強大的計算機和精密的儀器，NASA 用繁瑣的步驟拼湊出登月的必要條件。
即便是冷戰(zhàn)結(jié)束，NASA 的預(yù)算大減，每年依然有 200 億美元。而 SpaceX 成立 21 年只籌了近百億美元資金。
2022 年，牛津大學三位學者分析了 NASA 和 SpaceX 的 203 次太空任務(wù)，發(fā)現(xiàn) SpaceX 的火箭研發(fā)成本只有 NASA 的十分之一，研發(fā)速度快兩倍。
他們認為主要是出發(fā)點不同。作為政府機構(gòu)，NASA 只要靠實現(xiàn)超前的項目展現(xiàn)國家技術(shù)實力，做的都是沒有規(guī)模化效應(yīng)的一次性項目，不可復(fù)用，難以持續(xù)。而 SpaceX 作為商業(yè)機構(gòu)，想靠有限的資金頻繁進入太空，必須盡可能降低成本，完成平臺化。
“每次飛行后扔掉價值數(shù)百萬美元的火箭，就像每次飛行后扔掉一架波音 747 一樣?！?馬斯克認為，可復(fù)用是航天事業(yè)商業(yè)化的關(guān)鍵。太空飛行需求少的原因是價格貴得離譜，價格便宜就有需求，有需求商業(yè)就成立，商業(yè)能成立，整個技術(shù)的研發(fā)就可持續(xù)。
這想法并不稀罕，現(xiàn)代工業(yè)都是平臺化，降低單位建造、使用成本，激發(fā)更多需求。但航天探索長期被計劃和指令，而非市場主導(dǎo)，來自財政撥款的機構(gòu)往往缺少對效率的極致追求。
用獵鷹 1 號證明 SpaceX 可以往太空中發(fā)射火箭后，馬斯克就將火箭回收當作必須實現(xiàn)的目標。之前從未有機構(gòu)實現(xiàn)過這樣的壯舉，現(xiàn)在也少有機構(gòu)可以做到。
SpaceX 嘗試 5 年把它變成現(xiàn)實，獲得巨大回報。SpaceX 的一位發(fā)言人說，SpaceX 翻新并再次利用火箭的成本，遠遠低于從頭造一枚火箭的一半成本。去年 SpaceX 的獵鷹 9 號火箭發(fā)射一次的價格為 6700 萬美元。而 NASA 主導(dǎo)的火箭項目，每次發(fā)射的成本會到上億甚至數(shù)億美元。便宜的價格幫 SpaceX 吸引大量客戶。去年歐美國家發(fā)射了 84 次火箭，超過 70% 靠 SpaceX。
馬斯克認為，想造出可用的火箭，唯一方法就是反復(fù)試驗，然后快速迭代，逼近最正確的設(shè)計方案。獵鷹 9 號成功回收前，發(fā)射過 20 次火箭。而這次 Starship 測試發(fā)射前，SpaceX 至少測了 10 艘不同的 Starship，炸毀 8 艘。
此前的航天探索中，這樣的折損基本不可能存在，也承受不起。傳統(tǒng)的航天機構(gòu)更傾向在制造火箭前，花數(shù)年時間和大量資金完善設(shè)計方案，盡可能避免爆炸。
在實驗階段的一次次失敗后，SpaceX 得到了可靠且便宜的火箭，吸引到了大量商業(yè)訂單。去年 SpaceX 61 次發(fā)射，成功率 100%，于是在一款火箭的生命周期里，失敗率就非常低了。
火箭回收僅僅是降低成本的一個環(huán)節(jié)。就像在特斯拉做的那樣，過去二十多年，馬斯克將極致削減成本的理念帶到了開發(fā)火箭的每一個環(huán)節(jié)。
用更便宜的解決辦法，哪怕更笨重現(xiàn)在許多火箭的主體都用碳纖維復(fù)合材料制造，它能承受火箭沖破大氣層時產(chǎn)生的高壓，不輕易變形。更關(guān)鍵的是，它還足夠輕，可以有效降低火箭自身重量，讓火箭沖向太空時多帶點東西，或少用點燃料。
SpaceX 試過用碳纖維復(fù)合材料當 Starship 火箭的外殼，但制造幾個大型部件后放棄。它不耐高熱，溫度超過 200 度，碳纖維復(fù)合材料的強度會直線下降，想用得加隔熱層，這會增加火箭制造難度和成本。而且碳纖維復(fù)合材料很貴，市場價每公斤 130 美元。
這與 SpaceX 快速且低成本地制造火箭理念相悖。SpaceX 選了更便宜的不銹鋼當火箭主要外殼架構(gòu)，馬斯克說這是 “SpaceX 做出的最佳設(shè)計決策”。
不銹鋼最大的問題是重。2019 年，SpaceX 用不銹鋼制造的 Starship 原型重 200 噸，如果用碳纖維復(fù)合材料制造，粗略估算會減到 40 噸。但不銹鋼足夠便宜，每公斤大概只要 4 美元。SpaceX 犧牲載重，能在一艘 Starship 上省掉超 400 萬美元。
用了更重的不銹鋼，SpaceX 想盡一切辦法削減火箭的重量。不銹鋼耐高溫，SpaceX 就只在火箭與大氣層有接觸的部分加隔熱罩，其他地方不用。SpaceX 不給火箭噴漆，也能夠減輕部分重量。這次發(fā)射前，如果你放大畫面看發(fā)射架上的火箭，可以清晰地看到焊接痕跡。三年迭代，SpaceX 把 Starship ?的重量從 200 噸減到了 120 噸。
類似的選擇不只在火箭外部材料，內(nèi)部元件也一樣。
火箭進入太空后，太陽輻射可能會導(dǎo)致計算機系統(tǒng)中的比特翻轉(zhuǎn)，例如從 0 變成 1，讓計算機處理器出錯。傳統(tǒng)的做法是采購專門為高輻射環(huán)境研發(fā)的計算機設(shè)備，成本極高。
曾擔任 SpaceX 分管飛行可靠性負責人的漢斯·科尼格斯曼（Hans Koenigsmann）接受采訪時提到過自己與馬斯克相同的理念：如果能用 500 美元的計算機解決，為什么要花 500 萬美元？
SpaceX 量產(chǎn)的獵鷹 9 號火箭上，每一枚都裝有三臺雙核 x86 的計算機，每臺計算機中的兩個核各自運行一套飛行控制軟件。飛行全程，只要三臺計算機有一臺能正常工作，就不會出問題。類似的，被獵鷹 9 號送進太空的龍飛船，也做了類似的冗余設(shè)計。
制造火箭的同時，也在制造工廠全世界每年只生產(chǎn)上百臺火箭，像 Starship 這樣的火箭更少，上一個與它體型、載荷、推力接近的火箭是 NASA 去年發(fā)射的 SLS，過去十多年只產(chǎn)了 1 枚。
但推進 Starship 項目時，馬斯克希望像汽車行業(yè)那樣，建一條高效的流水線——保證一頭送進去零件，另一頭能出來火箭。
為了節(jié)省成本，SpaceX 沒用混凝土建廠房，在美國得州的基地 Starbase 搭了許多大帳篷。美國知名航天記者埃里克·伯格（Eric Berger）感慨，這地方就像珍珠港事件幾周后的美國海軍造船廠。
每生產(chǎn)一枚火箭，SpaceX 就會迭代流水線，提高效率、縮短制造時間。2019 年，SpaceX 的工程師和技術(shù)人員制造第一艘 Starship 原型用了 8 個月。半年后，SpaceX 只用 1 個月的時間，就能造一艘 Starship 原型。?
SpaceX 設(shè)計火箭時，會盡可能復(fù)用零部件。Starship 的外殼主體由數(shù)十個高兩米、直徑九米的不銹鋼 “大桶” 焊接組成。這些不銹鋼桶也是 Super Heavy 火箭的外殼主體。馬斯克說，它只是更長、底部有更多發(fā)動機的 Starship 燃料箱：“建一條 Starship 流水線時，你基本上也有了一個生產(chǎn) Super Heavy 的流水線?！?/p>用更多小發(fā)動機，而不是研發(fā)更巨型的發(fā)動機
Starship 能成為人類歷史上推力最強的火箭，并不是因為它的發(fā)動機更強。它使用的猛禽發(fā)動機，推力剛達到 1970 年代美國航天飛機上使用的 RS-25 發(fā)動機的水平，只有土星五號上發(fā)動機 F-1 的 1/3。
但 SpaceX 用得多。Starship 上有 6 臺猛禽發(fā)動機。一枚 Super Heavy 火箭上有 33 臺猛禽發(fā)動機。在傳統(tǒng)的火箭設(shè)計中，用更多發(fā)動機并不是最優(yōu)選。每個發(fā)動機都是一只鋼鐵巨獸，控制一個就很難，想要控制一群，難度會急劇上升。
典型的例子是蘇聯(lián)的 N1 火箭，為了超越土星五號，蘇聯(lián)的工程師在 N1 上裝了 30 臺發(fā)動機，理論上推力達到歷史巔峰。但由于發(fā)動機太多，無法同時點火，或更好地調(diào)整方向。N1 火箭發(fā)射 4 次，炸毀 4 次。蘇聯(lián)因此擱置登月計劃。
2018 年 2 月，SpaceX 第一次發(fā)射有 27 臺發(fā)動機的獵鷹重型火箭時，馬斯克說 SpaceX 不會重蹈 N1 火箭覆轍，他們會做得更好。
SpaceX 的一部分底氣來自蘇聯(lián)沒趕上的計算機發(fā)展——特別是 GPU。2015 年 3 月，SpaceX 的工程師展示了他們開發(fā)猛禽發(fā)動機時怎么用 GPU 驅(qū)動做仿真測試。
SpaceX 的工程師會模擬發(fā)動機運轉(zhuǎn)時發(fā)生的狀況，尋找潛在的問題，比如燃料沒能充分燃燒時，發(fā)動機會不停顫抖，導(dǎo)致火箭飛行不穩(wěn)定，嚴重時會讓整個火箭無法載重飛行甚至解體?，F(xiàn)有技術(shù)沒辦法在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時給它做 “核磁共振”，用軟件模擬每一個部位的狀態(tài)，是成本最低、最適合的方法。
馬斯克說，SpaceX 在火箭上用更多發(fā)動機類似現(xiàn)代的計算機系統(tǒng)，Google 或亞馬遜用了大量小型計算機，就算有計算機出現(xiàn)故障，也不會影響使用。如果它們只用一臺或幾臺大型計算機，但凡出現(xiàn)宕機，整個系統(tǒng)就會停擺，“火箭發(fā)動機也是如此。就算獵鷹重型火箭上有 6 臺發(fā)動機出現(xiàn)故障，它還是能進軌道?！?/p>
這次 Starship 升空時，雖然有 3 臺發(fā)動機沒有工作，但并沒有影響它繼續(xù)向上。計算機快速調(diào)整其他發(fā)動機盡力保持飛行穩(wěn)定。
用更多小發(fā)動機，能讓 SpaceX 更省錢。往太空發(fā)更大的火箭，帶更多貨物或者人時，他們不用投入大量的時間、人才和金錢研發(fā)推力更強大、創(chuàng)造歷史紀錄的發(fā)動機。SpaceX 沒有為載重更多的獵鷹重型火箭研發(fā)新發(fā)動機，而是直接用 3 枚獵鷹 9 號當作助推器，一共 27 臺發(fā)動機。
造更多發(fā)動機也可以攤薄 SpaceX 的成本，讓流水線運轉(zhuǎn)更有效率。2015 年，NASA 撥款 11.6 億美元，讓美國的航空與國防公司 Aerojet Rocketdyne 重啟 RS-25 發(fā)動機的制造線，為重返月球計劃中的 SLS 火箭供應(yīng)發(fā)動機，年產(chǎn)能是四臺，每臺成本上億美元——一次即報廢。
到了 2022 年 11 月，SpaceX 生產(chǎn)同樣數(shù)量的猛禽發(fā)動機只需要不到一周的時間，每臺成本百萬美元，馬斯克希望未來降低到數(shù)十萬美元。NASA 副局長馬克·基拉西奇（Mark Kirasich）說，SpaceX 持續(xù)迭代猛禽發(fā)動機，提高性能和推力的同時，減少零件數(shù)量，讓制造和測試的時間更短，“他們現(xiàn)在每周能造七臺發(fā)動機?！?/p>
2010 年，阿波羅計劃終止近 40 年后，仍是少數(shù)政府控制著航天活動，俄羅斯是地球上發(fā)射火箭最多的國家，美國宇航局的主力是即將退役的航天飛機。它們的重心不再是去往更遠的地方，而是環(huán)繞著地球部署衛(wèi)星?，F(xiàn)實和曾經(jīng)的奇跡相距甚遠，以至許多人懷疑人類是否真的到過月球。
“1969 年，人類去了月球。然后我們有了航天飛機，只能把人送到低軌道。然后航天飛機也退休了?！?2017 年 4 月，馬斯克參加 TED 大會說，“人們有個錯誤的觀念：技術(shù)自己就會前進。技術(shù)是不會自動前進，甚至經(jīng)常退化。只有很多人一起努力才能讓它變好?！?/p>
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