SpaceX 的秘密武器：能承受一次次爆炸

zht1984219 · 发表于 2023-4-21 22:58:48

文丨贺乾明李梓楠
编辑丨黄俊杰
当地时间 4 月 20 日早 9 点 33 分，SpaceX 的 Starship 太空船从得克萨斯州南部的一座发射场缓缓升空。近 4 分钟后，太空船和火箭一同炸毁。但爆炸后，SpaceX 总部大楼传出了欢呼声，还有人开了一瓶香槟。
能让 120 米高、人类所建造的最大火箭摆脱地心引力，不在发射台上爆炸，已经是成功。而 Starship 起飞后大约一分钟，成功经历了最大气动压力点（Max Q）—— 火箭发射里的最重要阶段之一，意味着它承受住了冲破大气层的压力。

一枚新火箭发射失败、尤其是爆炸解体后，通常需要一年或更长时间才能为第二次发射做好准备。但 SpaceX 的计划是，" 几个月后 "，再来一次。
SpaceX 已经向 Starship 投入 30 亿美元，其中一部分投入是建立 Starship 飞船和 Super Heavy 火箭的生产工厂。今年初，SpaceX 创始人马斯克说年内将造 5 套飞船和火箭。在 Starship 发射台附近，就矗立着另一枚 Super Heavy 火箭。
如果算上原型，这是 Starship 的第九次爆炸。这也是 SpaceX 第二次尝试发射全新火箭失败。更早，在 SpaceX 成立之初，第一枚火箭进入轨道前，爆炸了三次。这家商业公司能承受高频率的失败，并在每次失败后让自己变得更强。

在一次次爆炸中，SpaceX 已经完成了前所未有的技术突破 —— 火箭发射后自行降落回收，彻底改变了以政府机构为主导的航天业格局。目前 SpaceX 是每年全球发射火箭最多的机构，帮美国宇航局（NASA）用更低成本维系空间站，用数千枚 Starlink 卫星搭建了地球上新的通信系统。今天在美国送一吨设备进太空的成本比 1990 年代末，NASA 主导的时期，便宜了近九成。
不论是在地球周围用卫星搭建基础设施，还是飞往更远的未来，都需要让火箭送更重的物资上太空。此前荷载最多的火箭是美国 1960 年代为登月建的土星 5 号。
若 Starship 成功入轨，就意味着一个商业公司，用登月计划 2% 的费用，做出了人类历史上最大、一次往太空中运输物资最多的太空飞船和火箭发射系统，而且发射成本可能低到百万美元，开启人类太空探索的新阶段。

SpaceX 的超能力 —— 穷
相对于 NASA 这样的政府机构，SpaceX 的超能力是穷。
NASA 曾以惊人的速度实现了美国总统肯尼迪许诺的登月愿景 —— 从 1961 年 5 月肯尼迪向国会宣布到 1969 年首次登月，历时 8 年。
《阿波罗是如何飞到月球的》一书中评价，阿波罗计划是用 20 世纪的技术实现 21 世纪探险的典范，它提前了两代人的时间。
阿波罗计划期间，美国政府给 NASA 的投入称得上不设上限 —— 数千名科学家和超过 40 万工人加入其中，消耗 250 亿美元（币值相当于如今超过 1500 亿美元）。没有强大的计算机和精密的仪器，NASA 用繁琐的步骤拼凑出登月的必要条件。
即便是冷战结束，NASA 的预算大减，每年依然有 200 亿美元。而 SpaceX 成立 21 年只筹了近百亿美元资金。

Starship 和 Super Heavy 是人类造的最大火箭。下方三行分别是国家 / 地区、高度、载重。来源：Wiki Commons
2022 年，牛津大学三位学者分析了 NASA 和 SpaceX 的 203 次太空任务，发现 SpaceX 的火箭研发成本只有 NASA 的十分之一，研发速度快两倍。
他们认为主要是出发点不同。作为政府机构，NASA 只要靠实现超前的项目展现国家技术实力，做的都是没有规模化效应的一次性项目，不可复用，难以持续。而 SpaceX 作为商业机构，想靠有限的资金频繁进入太空，必须尽可能降低成本，完成平台化。
" 每次飞行后扔掉价值数百万美元的火箭，就像每次飞行后扔掉一架波音 747 一样。" 马斯克认为，可复用是航天事业商业化的关键。太空飞行需求少的原因是价格贵得离谱，价格便宜就有需求，有需求商业就成立，商业能成立，整个技术的研发就可持续。
这想法并不稀罕，现代工业都是平台化，降低单位建造、使用成本，激发更多需求。但航天探索长期被计划和指令，而非市场主导，来自财政拨款的机构往往缺少对效率的极致追求。
用猎鹰 1 号证明 SpaceX 可以往太空中发射火箭后，马斯克就将火箭回收当作必须实现的目标。之前从未有机构实现过这样的壮举，现在也少有机构可以做到。
SpaceX 尝试 5 年把它变成现实，获得巨大回报。SpaceX 的一位发言人说，SpaceX 翻新并再次利用火箭的成本，远远低于从头造一枚火箭的一半成本。去年 SpaceX 的猎鹰 9 号火箭发射一次的价格为 6700 万美元。而 NASA 主导的火箭项目，每次发射的成本会到上亿甚至数亿美元。便宜的价格帮 SpaceX 吸引大量客户。去年欧美国家发射了 84 次火箭，超过 70% 靠 SpaceX。

SpaceX 一次发射 60 枚 Starlink 卫星 " 排队 " 进入轨道，在全球提供卫星互联网。这是典型的太空发射成本降低后才会有的商用需求。
马斯克认为，想造出可用的火箭，唯一方法就是反复试验，然后快速迭代，逼近最正确的设计方案。猎鹰 9 号成功回收前，发射过 20 次火箭。而这次 Starship 测试发射前，SpaceX 至少测了 10 艘不同的 Starship，炸毁 8 艘。
此前的航天探索中，这样的折损基本不可能存在，也承受不起。传统的航天机构更倾向在制造火箭前，花数年时间和大量资金完善设计方案，尽可能避免爆炸。
在实验阶段的一次次失败后，SpaceX 得到了可靠且便宜的火箭，吸引到了大量商业订单。去年 SpaceX 61 次发射，成功率 100%，于是在一款火箭的生命周期里，失败率就非常低了。
火箭回收仅仅是降低成本的一个环节。就像在特斯拉做的那样，过去二十多年，马斯克将极致削减成本的理念带到了开发火箭的每一个环节。

用更便宜的解决办法，哪怕更笨重
现在许多火箭的主体都用碳纤维复合材料制造，它能承受火箭冲破大气层时产生的高压，不轻易变形。更关键的是，它还足够轻，可以有效降低火箭自身重量，让火箭冲向太空时多带点东西，或少用点燃料。
SpaceX 试过用碳纤维复合材料当 Starship 火箭的外壳，但制造几个大型部件后放弃。它不耐高热，温度超过 200 度，碳纤维复合材料的强度会直线下降，想用得加隔热层，这会增加火箭制造难度和成本。而且碳纤维复合材料很贵，市场价每公斤 130 美元。
这与 SpaceX 快速且低成本地制造火箭理念相悖。SpaceX 选了更便宜的不锈钢当火箭主要外壳架构，马斯克说这是 "SpaceX 做出的最佳设计决策 "。
不锈钢最大的问题是重。2019 年，SpaceX 用不锈钢制造的 Starship 原型重 200 吨，如果用碳纤维复合材料制造，粗略估算会减到 40 吨。但不锈钢足够便宜，每公斤大概只要 4 美元。SpaceX 牺牲载重，能在一艘 Starship 上省掉超 400 万美元。
Starship 早期测试画面。来源：SpaceX
用了更重的不锈钢，SpaceX 想尽一切办法削减火箭的重量。不锈钢耐高温，SpaceX 就只在火箭与大气层有接触的部分加隔热罩，其他地方不用。SpaceX 不给火箭喷漆，也能够减轻部分重量。这次发射前，如果你放大画面看发射架上的火箭，可以清晰地看到焊接痕迹。三年迭代，SpaceX 把 Starship 的重量从 200 吨减到了 120 吨。
类似的选择不只在火箭外部材料，内部元件也一样。
火箭进入太空后，太阳辐射可能会导致计算机系统中的比特翻转，例如从 0 变成 1，让计算机处理器出错。传统的做法是采购专门为高辐射环境研发的计算机设备，成本极高。
曾担任 SpaceX 分管飞行可靠性负责人的汉斯科尼格斯曼（Hans Koenigsmann）接受采访时提到过自己与马斯克相同的理念：如果能用 500 美元的计算机解决，为什么要花 500 万美元？
SpaceX 量产的猎鹰 9 号火箭上，每一枚都装有三台双核 x86 的计算机，每台计算机中的两个核各自运行一套飞行控制软件。飞行全程，只要三台计算机有一台能正常工作，就不会出问题。类似的，被猎鹰 9 号送进太空的龙飞船，也做了类似的冗余设计。
制造火箭的同时，也在制造工厂
全世界每年只生产上百台火箭，像 Starship 这样的火箭更少，上一个与它体型、载荷、推力接近的火箭是 NASA 去年发射的 SLS，过去十多年只产了 1 枚。
但推进 Starship 项目时，马斯克希望像汽车行业那样，建一条高效的流水线 —— 保证一头送进去零件，另一头能出来火箭。
为了节省成本，SpaceX 没用混凝土建厂房，在美国得州的基地 Starbase 搭了许多大帐篷。美国知名航天记者埃里克伯格（Eric Berger）感慨，这地方就像珍珠港事件几周后的美国海军造船厂。

Starship 装配现场。来源：SpaceX
每生产一枚火箭，SpaceX 就会迭代流水线，提高效率、缩短制造时间。2019 年，SpaceX 的工程师和技术人员制造第一艘 Starship 原型用了 8 个月。半年后，SpaceX 只用 1 个月的时间，就能造一艘 Starship 原型。
SpaceX 设计火箭时，会尽可能复用零部件。Starship 的外壳主体由数十个高两米、直径九米的不锈钢 " 大桶 " 焊接组成。这些不锈钢桶也是 Super Heavy 火箭的外壳主体。马斯克说，它只是更长、底部有更多发动机的 Starship 燃料箱：" 建一条 Starship 流水线时，你基本上也有了一个生产 Super Heavy 的流水线。"
用更多小发动机，而不是研发更巨型的发动机
Starship 能成为人类历史上推力最强的火箭，并不是因为它的发动机更强。它使用的猛禽发动机，推力刚达到 1970 年代美国航天飞机上使用的 RS-25 发动机的水平，只有土星五号上发动机 F-1 的 1/3。
但 SpaceX 用得多。Starship 上有 6 台猛禽发动机。一枚 Super Heavy 火箭上有 33 台猛禽发动机。在传统的火箭设计中，用更多发动机并不是最优选。每个发动机都是一只钢铁巨兽，控制一个就很难，想要控制一群，难度会急剧上升。

Starship 助推器上的 33 台发动机。来源：SpaceX
典型的例子是苏联的 N1 火箭，为了超越土星五号，苏联的工程师在 N1 上装了 30 台发动机，理论上推力达到历史巅峰。但由于发动机太多，无法同时点火，或更好地调整方向。N1 火箭发射 4 次，炸毁 4 次。苏联因此搁置登月计划。
2018 年 2 月，SpaceX 第一次发射有 27 台发动机的猎鹰重型火箭时，马斯克说 SpaceX 不会重蹈 N1 火箭覆辙，他们会做得更好。
SpaceX 的一部分底气来自苏联没赶上的计算机发展 —— 特别是 GPU。2015 年 3 月，SpaceX 的工程师展示了他们开发猛禽发动机时怎么用 GPU 驱动做仿真测试。

SpaceX 用 GPU 模拟火箭发动机运行状态。图来自 2015 年的英伟达 GTC 大会。
SpaceX 的工程师会模拟发动机运转时发生的状况，寻找潜在的问题，比如燃料没能充分燃烧时，发动机会不停颤抖，导致火箭飞行不稳定，严重时会让整个火箭无法载重飞行甚至解体。现有技术没办法在发动机运转时给它做 " 核磁共振 "，用软件模拟每一个部位的状态，是成本最低、最适合的方法。
马斯克说，SpaceX 在火箭上用更多发动机类似现代的计算机系统，Google 或亚马逊用了大量小型计算机，就算有计算机出现故障，也不会影响使用。如果它们只用一台或几台大型计算机，但凡出现宕机，整个系统就会停摆，" 火箭发动机也是如此。就算猎鹰重型火箭上有 6 台发动机出现故障，它还是能进轨道。"
这次 Starship 升空时，虽然有 3 台发动机没有工作，但并没有影响它继续向上。计算机快速调整其他发动机尽力保持飞行稳定。
用更多小发动机，能让 SpaceX 更省钱。往太空发更大的火箭，带更多货物或者人时，他们不用投入大量的时间、人才和金钱研发推力更强大、创造历史纪录的发动机。SpaceX 没有为载重更多的猎鹰重型火箭研发新发动机，而是直接用 3 枚猎鹰 9 号当作助推器，一共 27 台发动机。
造更多发动机也可以摊薄 SpaceX 的成本，让流水线运转更有效率。2015 年，NASA 拨款 11.6 亿美元，让美国的航空与国防公司 Aerojet Rocketdyne 重启 RS-25 发动机的制造线，为重返月球计划中的 SLS 火箭供应发动机，年产能是四台，每台成本上亿美元 —— 一次即报废。
到了 2022 年 11 月，SpaceX 生产同样数量的猛禽发动机只需要不到一周的时间，每台成本百万美元，马斯克希望未来降低到数十万美元。NASA 副局长马克基拉西奇（Mark Kirasich）说，SpaceX 持续迭代猛禽发动机，提高性能和推力的同时，减少零件数量，让制造和测试的时间更短，" 他们现在每周能造七台发动机。"
2010 年，阿波罗计划终止近 40 年后，仍是少数政府控制着航天活动，俄罗斯是地球上发射火箭最多的国家，美国宇航局的主力是即将退役的航天飞机。它们的重心不再是去往更远的地方，而是环绕着地球部署卫星。现实和曾经的奇迹相距甚远，以至许多人怀疑人类是否真的到过月球。
"1969 年，人类去了月球。然后我们有了航天飞机，只能把人送到低轨道。然后航天飞机也退休了。" 2017 年 4 月，马斯克参加 TED 大会说，" 人们有个错误的观念：技术自己就会前进。技术是不会自动前进，甚至经常退化。只有很多人一起努力才能让它变好。"

1957 年，人造物体第一次进入宇宙，绕着地球飞了三个星期。人类抬头就能在夜幕里看到一颗小小的闪光划过天空，与神话里的星宿并行。
这样的壮举跨越种族与意识形态，在全球各地激起了喜悦之情。但并不是我们可能猜想的那种为人类壮举所感动的胜利喜悦。根据政治哲学家汉娜阿伦特（Hannah Arendt）当年的观察，人们的情绪更接近于一种等待多时的宽慰 —— 科学终于追上了预期，" 人类终于在摆脱地球这个囚笼的道路上迈出了第一步 "。
人们总是根据技术探索，快速调整着自己对世界的预期。当科幻作家的一桩畅想变成现实，往往是技术终于追上了人们的预期，或者用阿伦特的话说，" 科技实现并肯定了人们的梦想既不疯狂也不虚无。"
今天这样的时候，多一点梦想是更好的。
来源：晚点 LatePost 微信号：postlate

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