深度揭秘Elon Musk的火星殖民地图(上)

人类很习惯线性关系,但往往会忽视从A到B这种线性关系背后的复杂过程。比如下面这个:从(A)「我不敢相信我的闹钟刚关掉」 到(B)「现在我正坐着工作」。再比如,从(A)「我的房子下个月就到期了,我要找新房」,到 (B)「现在我已经搬到一个新公寓甚至所有的东西都已挂在墙上。」


再或者这个:从(A)「我想要让一百万人去火星」到(B)「现在有一百万人在火星上」——这似乎比上面的从A到B更难。


但Elon Musk 就是要雄心勃勃地实现这个过程。


Musk的「A到B」计划开始以来,我已经和他交流过六次,大部分的讨论都集中在如何实现目标这个层面上。按照Musk的计划,他只需要两件事情就能实现从「A到B」的神奇转化!这两件事是:


(1)愿望

(2)方法


这看起来并不是什么多么高深的办法。因为一直以来,古今中外的智者们都会这样教导我们:「有志者事竟成。」事实上,人类四十年前已经登上了月球,之后的十五年里,电脑已经从遥不可及的「奢侈品」成为人人都能买得起的普通产品,所以看起来去火星也是完全可行的,除非是人类缺乏意志。


但Musk不这么认为。人类还缺乏一种前往火星的经济实惠的方式,现有方案里的预算都是天文数字,并且还没有办法让人类长期驻扎火星。这也正是Musk不满的地方,尤其是他把美国看作一个「探险者」的国度,能体现「人类探索的精神」。Musk认为,昂贵的价钱阻碍了人类登陆火星的意愿。


Musk的这个理由让我想到很多。比如,如果有人告诉我,曼哈顿附近一个带大阳台的复式公寓已经降价95%,我可能会第一时间冲过去把这个房子租下来。不过对我而言,这个房子除了价格之外,并没有真正吸引我的理由,我甚至都不敢想象能有这样的事情。当我有机会在浴缸里俯瞰整个纽约城时,我能感觉到那是一种十分有「逼格」的行为。的确,我有这样的愿望,但我没有足够的资金。


Musk认为火星的情况也是这样。相比于所谓「有志者事竟成」,他似乎更相信「如果你建造好了,他们就会来。」


具体来说,Musk认为,到火星的「航班」成本将由乘客们共同承担,这和地球上的交通问题没有本质差异。关键就是把车票价格大幅降低,使得每一百万人中会有一人可以买一张。或者就像Musk所言:


「必须有很多愿意前往火星并且有能力支付的人,如果这个群体掏的钱能凑够供养火星的经费,那么就抓住了解决问题(人类殖民火星)的关键。」


就像是这样的


1

但问题是,现在情况更像是这样的


2


Musk认为,想要去火星的人(右侧的黄色区域)会随着火星计划变得可行而不断增多,真正具有挑战性的是左侧的蓝色区域。也就是说,太空旅行价格过于昂贵将成为主要制约因素。Musk将其作为从「A到B」的关键。Musk告诉我:「我组建了一支团队,并且让他们连续几个周六开展关于制造更高效火箭的可行性研究,研究的结果表明并没有什么可阻止我们。」

接下来,他有些激动地说道:「火箭技术从上世纪六十年代起就没有过什么本质的提高—— 甚至其实还倒退了!」


那么,除了火箭可行性研究结果呈现的积极要素,Musk又是如何思考他要不要尝试的的呢?来看看Musk的内心独白(下面是作者的虚构描写——译者注):


3

4

这就是2001年Musk脑海中的一系列想法,这些想法同时也造就了Space X的商业计划。

5

Space X 现在已经历经了十三年,让我们一起回顾一下现有的成就和以及对未来的展望。


从零开始


第一阶段早在Space X存在之前就开始了,那是2001年年中,当时Musk还在PayPal工作。在慎重考虑并决定踏入航空领域之后,Musk和所有想成为一流的火箭科学家的人一样,花了将近一年的时间自学阅读各种相关资料。


他读了很多这样那样的书,并且记住了这些枯燥的内容。火箭专家Jim Cantrell在那段时间里遇见了他,并曾和他一起去俄罗斯(未成行), 他回忆道:「Musk可以一字不差的引用那些书里的概念,他已然成为了一个材料方面的专家。」


7

Elon Musk 的部分阅读书目


为了扩展自己的阅读,Musk还请教了大量专家。Cantrell把Musk称为「迄今为止最聪明的工作伙伴」。他表示:「Musk 几乎把我同事里愿意为他出谋划策的火箭和航空飞船领域专家都招募到新公司,简直就像要把这些专家的经验吸干。」


就当Musk 越来越认真地开始把打造航空设备作为自己下一个目标时,他的朋友们不禁都担心起来。这看起来并不难理解。试想一下,如果你的朋友卖掉了互联网公司获取了巨额资金,并告诉你他为了人类需要一个多星球的居住环境这一目标,将倾尽全部资产成为第一个成功建造太空公司的企业家,或许你也觉得他要疯掉了。当时,Musk 的一个朋友为了劝他放弃这个疯狂的项目,把所有火箭发射失败爆炸的例子都收集起来放在了他的面前。


但Musk 就是一个怪咖,并且一如既往的执着。在给自己整理完了一个完整的知识体系后,他觉得是时候开始召集人马了。当我问询他的生意经时,他打量了我一下,然后说:「我并不知道什么是做生意。所有的公司都是一群人为了一个新产品或者新的服务而聚在一起。并没有什么生意的说法,我觉得就是追求一个目标,一群人一起为一个目标奋斗。」


所以,他开始集结一批他所能找到的最有智慧的人在一起,然后Space X就诞生了。在全明星的核心领导层中,包括著名的火箭专家 Tom Mueller。早期Space X招人的某些理念是:不招混蛋。Musk说,如果你讨厌你的同事或者老板,你肯定不会想来工作或者在这里长期呆下去。


招聘(和升职)全凭借于自身的才能,并不看所谓的经验。Musk已经表示他并不在乎你是硕士、本科甚至高中学位,仅仅关注自身的才能、个性以及对于Space X计划的热情。我曾和Space X 公司负责运输工程的副总裁Mark Juncosa见过面,他给我的印象出乎意外。看起来他就是个随意的加州男孩,就像我那些吃喝打诨的朋友一样,并不像一个顶尖火箭科学家。他告诉我,他曾经是一个非常槽糕的学生。直到他开始在一个汽车俱乐部的竞速赛车部门打工后,才发现自己找到了让自己疯狂的东西。事实证明他在这个方面也很有天赋,毕业后由其他人推荐,并最终被Musk录取。Juncosa在公司很快地成长起来,现在他才30出头,但已经独立负责公司的一个主要部门,并带领一支由上百个富有经验的员工组成的团队。


诸如此类的故事屡见不鲜,也从一个侧面反映出Space X不拘一格任人唯贤。我还曾见过Zach Dunn,Space X公司现任发射项目的高级总监,他看上去就像12岁。Dunn告诉我,几年前他作为实习生加入了Space X。早期他原以为Musk应该不认识他,但令他惊讶的是,Musk不仅知道他是谁,还认为他是一名实力强大的工程师,这一点使Dunn意识到Musk对公司的每个人都了如指掌。几年后,Dunn带领100多人的工程团队负责了发射项目。


在Space X,Musk亲自面试每个人,包括门卫,听起来简直像个怪人。Space X创办的前8年,这一规则几乎未曾打破,直到公司雇佣了1000名雇员。我们通过Musk的自传可以得知,「每名雇员在面见Musk前都会收到通知,被告知接下来会接受一段30秒到15分钟不等的面试。刚开始面试时,Musk很有可能在写邮件或者忙工作,说话不多。别感到恐慌,这是很正常的现象。最后,他会转过椅子来朝向你,尽管如此,他可能也不会与你有眼神接触或完全正视你的存在。也不必为此感到恐慌,这也是正常的。等到适当的时机,他会与你交流的。」


Space X与Musk的另一家公司特斯拉很类似,垂直一体化程度相当之高。这意味着,相比将火箭制造过程中的大部分工作外包给第三方供应商,Space X几乎自主生产了所有要件,保持元件的所有权并控制绝大所数供应链。这在航空工业中非比寻常,正如Ashlee Vance 解释的那样,「Space X是一座神殿,致力于它认为在火箭制造竞赛中的主要武器——内部生产。Space X的火箭80%-90%几乎由他们自己制造,包括引擎、电子元件及…设计主板和电路、用于感测振动的传感器、飞行计算机和太阳能电池板。」传统的企业家如安德鲁·卡内基和亨利·福特,都是产业链垂直整合的拥趸者,今天的苹果在很多方面也是如此。而如今大多数公司避免大规模的产业垂直整合,但对于质控怪人,如Musk和乔布斯来说,这是他们唯一的选择。


这一过程的许多阶段都被纳入了Space X体系之下,此外,他们也都在一栋楼里工作,就像特斯拉那样——坐在计算机前的工程师要么被安排坐在户外的地板上看着设计和制造过程,要么坐在全玻璃的办公室中,周身就能看到组装过程。


当小组成长成部门时,Musk仍以不同寻常的方式密切关注几乎每一个流程。有些领导者被称为「微观管理者」(指管理者细致入微的管理),在Musk的公司,他对事务参与的程度可称之为「纳米管理者」。


Musk什么都知道 几乎每个和我聊过的在特斯拉和Space X工作的人,都强调Musk在他们领域钻研之深广,包括汽车电池、汽车设计、电动汽车、火箭结构、火箭引擎,火箭电子( 「航空电子」 )或航天工程。他之所以能涉及如此多的领域,源于他把物理学和工程学的基础认知进行了树状结构的梳理和结合,以及他天才级过目不忘的能力。 正是这种难以置信的的专业素养,使得他能维持对公司发生的所有事情的异同寻常的控制力。有关Space X的火箭,Musk说,「我对我的火箭了如指掌。我可以和你聊表皮材料的热处理回火,哪里发生了变化,为什么我们会选择这个材料、焊接技术......直至每个小小的细节。」 我问Space X的软件工程的副总裁Jinnah Hosain有关Musk的「纳米管理」,他说: 「每个初入Space X的人最吃惊的,就是公司提出的『纳米管理』, 你的感受就是,好吧,他把握每一个细节,这很酷,但是你并不真正理解。作为Space X的CEO ,Musk深不可测,他能记住所有提供给他的信息,他可以深入并长期钻研任何一件事,他也时常这么做。他以极高的责任心为公司进行很低层次的决策和方向指导,我不认为其他任何公司有人能够做到这样。一个人成为众多事情的关键决策点,对我而言这简直不可思议,他能在大脑中储存所有信息并及时按需提取——这是必需的——以做出正确的决策。」


好的,现在是2002年代中期, 这个疯狂的想法开始提上日程。有一个明确的任务,一个团队,一个仿佛拥有神一样能力的CEO。下一步 ——一艘火箭。


火箭发射的现状与困境


在我们开始讨论Space X的第一艘火箭之前, 让我们先理清楚一些条款: 几乎所有航天发射的目的都在于把一些东西送往太空。 你所谈论的这个东西叫做有效载荷。有效载荷可以是一个卫星,一些货物,一些人,一只猴子——任何东西。 为了在去太空的艰苦旅程中幸存下来,有效载荷有时被放置在一个被称为整流罩的保护壳里。其他时候,当它在太空时,甚至有可能需要把有效载荷带回地球时,有效载荷需要被操纵、引导和停靠。在这种情况下,有效载荷将会被放置在航天器内携回,对九岁儿童来说,也就是「宇宙飞船」。 然后接下来就是火箭,发射火箭是主要的大事,它只有一个工作内容:携带有效载荷及其容器向上穿过大气层,并把它送入太空。火箭的大部分是一个大的燃料箱,在火箭底部是一个或多个极其强大的钟形引擎。这些构造提供了巨大的力或者推力——把多吨的重量向上推,穿过地球大气层。有时一个火箭是由多个被称为「多级火箭」的小火箭组成的。哦, 对了,如果有效载荷是一个武器,那么我刚刚所描述的一切将成为一枚导弹。 最后,宇宙飞船并非一个实质上真实存在的事物。「宇宙飞船」只是一个让四岁小孩对生活充满向往的术语,仅此而已。 阿波罗登月计划使用了一个叫做土星5号的巨大火箭。土星5号重达3000吨,大约相当于7架波音747飞机的重量,并且高达35层楼。 


8

土星5号

土星5号就像一个俄罗斯套娃,一层层地变得越来越小。下图展示了它的组成部分:


9

航天飞机,由于其只执行在近地轨道飞行的简单的工作,与火箭有着完全不一样的结构原理。

跟一枚大的多级火箭相反,航天飞机用2枚火箭(也称之为固体火箭助推器)来支撑升空的重要部分和有效载荷——人员以及设备,因此他们真的看来像一个典型的宇宙飞船。当火箭剥离主体时, 航天器采用来自于橙色(我们也不知道为什么是橙色)的大燃料箱里的燃料来支持余下的行进。通常,归来的航天器一般通过使用降落伞降落在海洋,但是航天飞机则不同,它更高级——像普通飞机一样降落在飞行跑道上。

10

当Space X造第一支火箭时,他们没有尝试去制造有史以来体积最大酷到没朋友的玩意。相反,他们制造了一种带有训练轮的火箭,小而简易,Musk称其为猎鹰1号(falcon 1,以《星球大战》中的Millennium 猎鹰命名)。它有21米高,分为两级,底部有一个超级强大的引擎——梅林引擎,这是Space X自己的发明。

11

尽管在大小和容量上很保守,猎鹰1号却凝结着许多前卫的新科技。团队的初衷是在费用比所有之前更低的情况下把小型容载量的火箭送上太空。在这里,Musk考虑的并不仅仅是降低去往火星的费用,更多的是他认为目前太空旅行的唯一面貌应该得到一个更有意义的改观。便利性和舒适性还是始终如一。在可靠性上,也不需要更多的改进了。所以剩下的可以真正通过科技进步来改善的关键参考指标就是费用。

Musk列举了两个费用仍然这么高的原因。

一、仅有的几家航空航天方面的公司都是规模巨大的,这些大公司都憎恶风险。他说:「他们相当拒绝承受风险。每个人都保护自己只求苟安于世,躲避风险和责任。即使新科技已经足够好,但他们仍然使用一些遗留下来的零部件,经常是60年代研发的…(很多)使用60年代俄罗斯制造的火箭引擎。别误会,我的意思是他们不仅仅是采用60年代的设计,他们根本就是直接使用60年代制造的火箭引擎,把它们从茫茫西伯利亚打包运过来。」

二、垂直整合不够。我们提到过Space X的垂直整合以及对它的全权控制使得Musk可以掌握Space X的发展动态,而且他认为垂直结构对于降低费用很关键。他指责其他的企业并没有这么做:「有一个趋势是大的航空航天公司喜欢外包出所有的事情…他们外包给次承包商,承包商又外包给次承包商,层层下去。你需要往下查找四五层才能知道究竟谁在做有用的事情——切割金属,修整原子能。以上提到的每一层都会从中获取利润——费用因此翻了五番。」

没有历史久远的大公司的那些包袱,Space X的老员工Max Vozoff认为「Space X得以在一张「白纸」上从头开始设计和研发猎鹰1号」。而且你可以理解马Musk为什么会有这种思维倾向:「火箭由什么组成?航空航天级铝合金,加一些钛,铜还有碳纤维。这些材料在商品市场上是什么价格?事实上,这些材料的价格大约仅仅是它标准化(为了应用在火箭上)价格的2%——这对于一个大型机械制造产品来说是很疯狂的利润率...所以我认为,考虑到这些材料的成本,我们应该有能力制造更便宜的火箭。」

这听起来很伟大——但它不是一家有着正常预算和正常发展时间表的正常公司,是一个理智的投资者不会去触碰的风险事业,公司得以生存下去大部分是靠Musk的个人银行账户。2006年的时候,Musk决定对汽车行业发起一场革命,他把在PayPal 上7千万的财富给了Tesla,留出1亿给Space X。Musk表示,这可以支持「3到4次发射」。Space X尝试证明它值得消费者花钱。消费者花钱就是希望Space X可以把他们有效载荷内的物品送上太空轨道,这就是Space X需要做的——成功把一些物品运往太空轨道,向这个世界宣告他们真的做到了。

所以这个游戏很简单——要么在3或者4次尝试以内把有效载荷内的物品送上轨道,要么这个公司就完蛋。在那段时间,许多私人公司尝试过把一些物品送上轨道(看看列表上那些缺乏可操作性的公司),只有一家成功了(Orbital Sciences)。

想要明白这件事为何如此之难,首先我们要明白什么是轨道。

那什么是轨道?

直觉上我们会认为把一个物体放在轨道里面临的挑战是很难让它进入轨道。就像直觉上会认为在国际太空站的宇航员是漂浮着的,因为太空没有重力。是时候别再相信你的直觉了。

现在让我们回顾下高中学过的知识。以下公式是我们在计算万有引力时所用到的:

12

G代表重力系数,一个不那么招人喜欢的数字,我们可以暂时忽略它。

m1和m2是分别代表两个相互作用的物体的质量。 引力并不是单向的,因此公式中有两个物体——代表他们正用相等的力量互相吸引。就拿你和地球来说,你的重量就是你与地球之间的引力,一个相同的力量同时作用在你还有地球上。两个物体的质量是公式的分子,这说明当它们增加,引力就会成比例的增加。如果我把你的质量增大一倍,那么你的重量也会相应增加一倍。如果我保持你的质量不变但是将地球的质量增加一倍,同样的,你的重量也跟着增加一倍,如果我将你的质量和地球的质量都增加一倍,那么你的重量就会变成之前的四倍。后面我们将不会再讨论到和质量这个值有关的问题。

我们关注的是d²这部分。d代表两个物体间的距离——更详细地说就是两个实体质心间的距离。以地球为例,地球的质量分布是非常均衡的,所以质心就是地球的中心点。地球的半径是3,959英里(6371千米),当你站在地球表面想要算出此时你受到的引力时,d的值就是上述的地球半径值。由于d是分母,因此当d变大时,引力会减小。

来进一步描绘我们讨论的问题,假如我把地球缩小到只剩目前的一千三百万之一,也就是说直径一米。

13

如果我们将地球推远半米(现在地球半径是半米),以获得双倍的d(距离),那么d²将变成4倍,这时引力和你的重量都会变成之前你在地球表面时的四分之一。如果推远到一米——这是你和地球之间就能放一个同样大小的地球——此时d增加三倍,引力就会是之前的九分之一。

那么国际空间站(ISS)应该在哪儿呢?

ISS位于离地表205英里到255英里的太空里,如果用我们上述这个一米的地球举例的话,它位于地球表面2-3厘米或1英寸多点的位置。如果地球表面贴着一个乒乓球,那么ISS(和其他很多卫星)就会被吸进去。(通常,被称为太空高度的起点是在卡门线,即向上62英里(100公里)的地方。就我们这个一米地球来讲就是在距离表面7.8毫米的地方——大概有根铅笔的宽度。飞机飞行在0.84毫米的位置,大概一粒沙子那么大)

那么近地轨道附近的引力又是如何呢,比如像国际空间站这种地方?

假如取中间值,ISS处于230英里的位置,那么比在地球表面的情况下,d(距离)只多了5.8%,也就是说他们所受到的重力只比在地球表面减少了10%

(一米地球重力演示)

14

所以ISS的宇航员们几乎感觉不到这样的重力差别,更别提他们会飘着。

因为他们处在自由落体的状态。

我曾经有机会坐过一个飞行员驾驶的一架小飞机,当然这个飞行员才不关心以上的理论推演以及种种结论。他飞到4000英尺高,然后迅速降到2000英尺的高度。在突降前,他交给我一支笔,叫我放在手上。降落的整个过程,尽管我是吓得半死,但我还是看到那支笔在我眼前盘旋,然后漂浮到一边,又紧接着突然掉在我怀里,当飞机到达2000英尺的高度时,笔又和我处于同一稳定状态。这就是在ISS里每天上演的场景。

原因是这样的:想像一下你正站在比地球更小更光滑的星球上面的一座悬崖上,那里没有大气层,你把一颗棒球尽可能远地投出去。

15

它着地前的运动路线是这样的:

16

如果棒球联盟的专业投球手尝试一下,球的路径或许是这样的:

17

那如果这个球是从一个大炮发射出去的呢?或许它的飞得更远。

18

所有这些抛出去的球在落地之前,都会形成一条运动曲线。现在我们把每条曲线和与它相吻合的圆配对。

19

如果是个射程更远的大炮,球的路线是这样的:

20

看起来没什么特别,但是注意下这个弧度的曲线和地球的形状是吻合的。所以最后情况是这样子的:

21

球会围绕着地球转一圈并飞回到大炮的背面。如果没有阻碍,球就会一直按这样的曲线一直「往下掉」,但永远不会掉到地上。因为这个球的飞行曲线曲率和地球的曲率是完全吻合的。地球一个劲地离开那个球,而球则是一个劲地要往地上掉。这样,你就成功让球进入轨道了。

如果你有表面光滑的任意大小星球,且没有大气层,理论上你可以把任何物体放入这个轨道。但是地球有着厚厚的大气层(表面有着高低起伏的山脉),无论你如何努力地从地球表面发射一个 球,大气层都会把它的飞行速度降下来,让它的飞行曲线的半径越来越小,直到它掉出那个轨道,落到地球表面。这就是为什么我们要把物体放入远离地球表面的轨道上,只有大气层足够稀薄,物体速度才不会受影响。没有摩擦力的干扰,牛顿的惯性定律就会开始奏效,那么这个物体就会永远围绕着地球,一直绕下去。

为了进入到这个轨道,物体必须以非常高的速度飞行。当然也不能太快。为什么?因为飞得太快的话,物体飞行的曲线所对应的圆的半径会越来越大,当半径大于地球的半径的时候,下图的情况就会发生:

22

这就是为什么人们会说达到「轨道速度」才能停留在轨道上,而达到「逃逸速度」就能成功摆脱地球引力,飞向太空。逃逸速度意味着物体飞行的速度曲线曲率要大于地球的曲率。

那么距离地球230英里远的ISS所需要的轨道速度是多少呢?17150英里/小时(27600千米/小时)。或者说每秒4.76英里/7.66千米。这就是这个高度的物体刚刚好的轨道速度。

到底是多快?想像一下如果你把一个球从沙滩扔向大海,球呼啸而出,穿过地平线,在半秒左右的时间它就没了踪影。ISS正是以这样的速度,每九十分钟绕地球一圈。(当然,因为速度是相对的,ISS里的宇航员完全感觉不到他们在移动,这就像你在飞机上感觉不到自己在飞一个道理。

Space X:在失败中成长

回到Space X公司。如上文所述, Space X公司面临的挑战是从根本上实现将有效载荷「扔」入轨道这一难题就说得通了。人们一般会认为火箭是向上升空的,但实际上它更像是一个将某物狠狠地向旁边投掷出去的动作,这也就是为什么火箭的轨迹是像这样的:

23

这就像我们上面的例子,火箭表现得就像是一个巨人在投掷某一有效载荷:

24

25

不像在现实世界中使用一只胳膊和一只手,火箭公司需要用一个七层楼高、40吨重的金属高塔来将有效载荷发射出地球,并且它需要在一个适当的高度适当的速度下弹射出一台精密机器 。

使事情变得更加困难的问题是:这一投掷动作开始于如糖浆般稠密而且充满不确定性(即天气状况)的海平面大气层。这就像你的手浸在几英尺的水下然后试图做出精准的投球动作。Space X车辆工程部门的主管Mark Juncosa,描述了指引火箭穿过大气层的挑战在于:「火箭就像是湿面条,而你正试图把它推入太空。它会相当剧烈地震颤,你甚至无法只通过测量火箭上任意一个点的轨迹来推测其运行轨道——你必须测量好几个点。」

然而在实际的运作过程中,因为有如此大的作用力——火箭的重量、速度、厚厚的大气层——甚至一个微小的设备故障都能立即摧毁整个任务。问题在于,直到火箭真正发射之前你都无法真正准确可靠地测试这些设备的稳定性。

Space X 经历了一段非常艰辛的过程才学会这一切的。

2006年:第一次发射——失败

2007年:第二次发射——失败

2008年:第三次发射——失败

困难时期。

这些失败都是由一些微小的事物造成的。具体而言,一个被腐蚀的螺母在压力的作用下无法保持稳定、火箭中液体的晃动程度超出预期、以及在逐级分离的过程中第一级引擎晚了几秒才关停。你可以准确做到99.9%的事,可是这最后0.1%的失误导致火箭爆炸,成为灾难性的失败。航空技术很有难度。

每一个发射火箭的政府或公司——每一个——都曾经历过失败,这是必经之路。通常情况下,你只是深呼吸一口气,卷起袖子,找出什么地方出了错,然后继续进行下一次的发射。但是Space X有着自身的特殊情况——公司的资金只能进行 「三或四次的发射」,而在经历了三次失败之后,他们唯一剩下的就是这或许存在的第四次。它被安排在距第三次发射失败之后不到两个月的时间内。并且这是最后的一次机会。

Musk一个朋友,Adeo Ressi,描述了当时的情况:「所有的资源都投入到了这次发射中…如果成功了,这将成为史诗级的胜利。如果失败了—— 如果哪怕一件事出现问题从而失败了——这将成为史诗级的挫败。没有丝毫回旋的余地,外界也没有了多余的信任。他已经失败了三次。这一切本该结束了。我们正在谈论的是哈佛商学院的研究案例——一个富有的家伙开始做发射火箭的生意,然而却失去了一切。」

但在2008年9月28日,Space X公司进行了第四次的发射——并且成功了!他们将试验用的有效载荷顺利无阻地送入轨道,成为仅有的第二家实现这一技术的私营企业。

猎鹰1号也是迄今为止发射的最具性价比的火箭,计价790万美元,它的成本低于当时美国可供选择的最佳替代方案的三分之一。

NASA注意到了,第四次成功的发射足以向他们证明Space X公司是值得信赖的,在2008年底,NASA联系了Musk,并告之他们打算提供给Space X一个为国际空间站进行12次货物运送的价值16亿美元的合同。Musk投入的钱成功完成了它们的使命。 Space X公司现在不仅拥有了客户并且有着相当美好的前景。


Space X的杀手锏之一:猎鹰9号

如今,许多人都听说过Space X。不过,鲜有人了解它到底是干什么的。它是干这个的:商业运输太空物资。

这就是它真正在做的事情:一台试着解决大问题的——太空之旅的成本——创新机器,因为这是人类迈入多行星勘察文明的关键一环。

我们后面会讲到如何做的问题。现在,先看一下商业运输太空物资到底是咋回事儿。

猎鹰9号

2008年,猎鹰9号发射成功吸引了大量新客户前来登记使用SpaceX价格低廉的太空运输服务。SpaceX是时候造一台自己的哈雷了。来,和猎鹰9号打个招呼。

26

先跑题吐槽一个事实——猎鹰9号是世界上最大的小弟弟状雕塑。公司员工已经学会忍受这个职业生涯挥中挥之不去却又不能提及的事实。

回归正题,猎鹰9号也是世界上最先进的火箭,相比猎鹰1号,9号有了巨大改进。火箭体型巨大——224英尺高,相当于三个猎鹰1号,与20层建筑一样高,占地四分之三个足球场。猎鹰1号最多只能搭载1吨物资,而猎鹰9号能够搭载13吨。无论从哪方面看,猎鹰9号都让公司跻身成熟玩家的行列。

27

研究火箭会让人对火箭「排泄物」都产生崇拜之情。火箭不仅需要难以置信的坚硬——1000吨的家伙,满腹爆炸材料以极快的速度上升穿越强飓风——其设计也要精确到毫米,因为火箭要搭载不坚固的东西,比如计算机电路板,纤弱的卫星还有大活人。标准制造技术并不总是为此类特殊物件「量体裁衣」,公司给我展示了猎鹰9号各种奇形怪状的部件,它们不得不通过3D设计并打印出来,因为实在没有别的方法能够立刻生产出这样的部件。

然而,这些都不是问题。所以,咱也不用过多理会。

28

火箭的第一级

火箭第一级承担着非常重要的三分钟任务——在脱离、坠入海里之前,爆炸力助推第二级以及有效载荷升至海拔100公里的高空。

和猎鹰9号的绝大多数部件一样,第一级也是由SpaceX位于加州的总部研制。

第一级几乎是一个巨大的燃料库,有两个关键部分组成:一个巨大的液态氧罐,旁边是一个火箭使用级别的煤油罐。火箭上升速度极快,很快达到空气稀薄的层面,这时会因无法吸取氧气而停止工作。因此,火箭必须自己携带氧气。在 -297.3 F (-183 C),氧气会呈液态,此时密度是气态氧的1000倍——所以,可以尽情打包。液态氧和煤油混合作为推动燃料。

火箭引擎是如何运作的(属于反作用力式发动机——译者)

或许有些奇怪,这家伙的汽车公司不用原油做燃料,而火箭公司每次发射时却要烧上成千上万吨化石燃料。Musk已经说过未来所有交通工具都会是电动的,除了火箭。

原因在于牛顿第三定律:每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力

29

驱动交通工具的方法之一就是使用推动器。它的工作原理是通过朝着一个方向推动空气,反作用力会推动运输工具朝另一个方向前进,有点像朝墙蹬一下腿或者用手推一下墙壁。问题是,太空没有空气供推动器使用,在太空使用推动器就像站在离墙很远的地方,无论做啥推动动作,根本不会有任何力量反推动自己。即使大气层较高处会有些空气,如果太稀薄,仍然无法产生足够大的反作用力。 还有一个方法,如果给太空中的气球放气,气球就会快速往后退——在地球上也会发生这种情况——因为此时的推力并非来自气球外部的空气(就像推动器一样),而是由于气球内部的气压比气球外部高出很多,压差将气球里的空气排出。实际上,如果我们在太空中漂浮并带着充满空气的气球,只要慢慢给气球放气,你就能朝着相反的方向漂移——此时的气球就扮演着引擎的角色。 猎鹰9号底部的引擎就像是更加强劲的紧缩中的气球。爆炸产生了极高的温度和压力,使得爆炸气体快速膨胀填充周围的低压空间。如果一个空间区域的中心发生爆炸,它会迅速向四周膨胀开来,如果不限制爆炸时的膨胀方向的话......

30

火箭的引擎通过制造爆炸实现相同功能——不过,引擎就像气球一样,它会将力量导入一个方向。其他去路被堵反而增加了动力。

31

这也是火箭引擎能在真空中工作的原因。它们并不需要外部物质,比如空气,来向下推动——而是靠热气体物质。 Musk肯定乐意找到更好的燃料替代化石燃料,不过,他没有把握我们可以找得到这样的能源。我问过他这个问题,他的回答是,「用电力驱动火箭,这个发现可以获好几座诺贝尔奖啦。」


Space X的杀手锏之二:梅林引擎

猎鹰1号采用了Space X研发的一款超级强劲发动机梅林8。

32

一台梅林引擎的推力超过73吨——比如,能够举起73吨的重物——这意味着,如果你把40辆车叠加在这部引擎上,它能在三分钟内将这40部汽车送至太空。它是世界上最高效、强劲的引擎之一。火箭发动机领域的一个重要统计数字是推力重量比——发动机能够举起自身重量多少倍的物体。梅林发动机体重超过半吨,最高推力超过80吨,它的推重比就是165:1,能够像这样吹走所有其他发动机。这是梅林测试点火:

现在,想象一下9个这样的引擎一起运作。这就是猎鹰9号发射时的装备——名字源于9个梅林引擎。 

现在,想象一下9个这样的引擎一起运作。这就是猎鹰9号发射时的装备——名字源于9个梅林引擎。

33

9个梅林引擎一共产生650吨的推力,足够将360辆小轿车送入太空(这么多辆轿车叠加起来的高度相当于世贸中心),每秒燃烧540加仑(2044升)燃料——一分钟不到,即可蓄满一个游泳池。所有发动机的最终使命都是推升火箭及其携带的燃料,重量合计550吨,不过,我们在火箭顶部再加一个相当大的有效载荷。

火箭第二级

发射后三分钟,火箭的第一级会与第二级分离。

34

第一级返回地球,该是第二级火箭大放异彩的时候了。第二级火箭是第一级的迷你版,绝大部分装的是燃料。不过,没有使用9个梅林引擎,只安装了一个特殊版本的梅林引擎,用以在真空环境中运行,同时增加了钟状延伸部分增加推力。这个时候之所以不用那么多引擎的原因有二:首先,没有那么厚的大气;其次,分离后,火箭体重越来越轻;最后,火箭已经飞地很快了,大部分工作已经完成。

第二级的工作完成时间在几分钟或数小时之间不等。引擎可以开关,有方向操作。它的任务就是精确地将有效载荷送至确切地点并达到需求速度。一旦完成任务,即与有效载荷分离并坠落。

35

说起有效载荷,猎鹰9号可以分为两类,以有效载荷的类型为标准,这是第一类:

36

这种猎鹰9号搭载着人造卫星。头部隆起部分是两片保护性蛤壳状物质,叫整流罩,看起来和立体卫浴的大小差不多,实际上有校巴那么大。

37

一旦第二级运行达到一定的速度(通常是子弹速度的4倍),整流罩的两个壳状部分就会分离开来并坠入大气层燃尽。

第二种火箭顶部设计是这样的:

38

顶部明显呈三角状的火箭正搭载着龙飞船。


Space X的杀手锏之三:龙飞船

龙飞船

39

SUV大小的龙飞船是SpaceX的宇宙飞船,主要用于太空货物运输,或许将来还会搭乘人类。2008年,NASA与SpaceX签订合同,龙飞船将要完成12个ISS的物资运输任务。如上图所示,圆锥状部是龙飞船的密封舱,也是唯一返回地面的部分。柱状部分是非密封箱,能够承载额外货物和夹载住太阳能板。这两个部分加起来能承载大约六吨的货物。

那些小洞是龙飞船采用的迷你推进器,用来在太空中行动,底部是一个防热罩,用以保护火箭返回地球时遭到损坏。

40

猎鹰9号开始服役了

当这些新装备还在研发中时,猎鹰1号已经在2009年夏天完成了它的第五次、也是最后一次的发射,为马来西亚政府发送一颗人造卫星,大马政府也是SpaceX第一个付费用户,这也是公司第二次发射成功的案例。不过,孕育中的猎鹰9号更加高大英俊,公司不再需要猎鹰1号了,老人家退休了。

2010年,第一 艘猎鹰9号来到发射台,当时高速公路上的司机都在问:「那是个什么鬼?」

41

试发射成功了。然后,公司开始做一些人们认为商业公司无法做到的事情。

将宇宙飞船送入太空很难——不过,把它还带回来,难上加难。从码头跳入海中,不会有什么糟糕的事情发生(除非海水刺骨冰凉)——但是,如果从一座桥上纵身跃入海中,你会死翘翘吗?如果唯一的区别就是身体入水时的流速呢?地球大气层也是一个道理。

你现在感觉不到大气,因为你的速度很低。如果你失心疯似的前后来回摆动手臂,你就能感觉到大气了。乘快艇加快速度,你会迅速感觉到大气击面。但是,速度并不仅仅与你有关,还和你的速度与大气速度的相对值有关。在车速为每小时50英里时,将手伸出窗外,此时的感觉与停车将手伸到每小时50英里的风中是差不多的。因此,当轨道上的物体——之前已经证明过运行速度为每小时1,7000英里(每小时27,300公里) ——完成任务返回地球时,如同体验着每小时1,7000英里的飓风。我们官方的飓风「水平」从1级(每小时74-95英里)到5级(起始值为每小时155英里),每小时风力每增加20英里,就上升一个级别。每小时1,7000英里相当于身处842级飓风当中。

飓风让我们恐惧的地方是它的力量。不过三位数级别的飓风,会让我们有大麻烦。飞船在高空大气中的行进速度很猛烈,太空舱前面的空气会因为没有足够时间「让路」而变得超级压缩而且相当炙热。低处大气较浓的地方,飞船必须处理 强大的大气热阻力。火箭无法处理这个问题——这也是它们化作流星陨落原因。 建造一艘飞船需要掌握很多梦幻般的技术。

到2010年,只有五个国家的政府成功向太空发射过宇宙飞船并成功回收。猎鹰9号的第二次发射将龙飞船送入地球轨道,在此次测试飞行中,龙飞船在绕地球轨道运行两周后高速闯过842级飓风,安全降落于预定海域,SpaceX成为世界上第一家回收轨道飞船的公司、也是世界上第六个实现这一创举的机构。

猎鹰9号的第三次发射再次创造了历史,是为NASA进行的一次试飞,龙飞船成为第一个与ISS建立联系的商业宇宙飞船。

42

Space X 公司自己制作的充满高潮的庆祝视频

猎鹰9号不是玩票。Vance写到,「猎鹰1号从瓜贾林点火发射是一家创业企业的业绩,但是,猎鹰9号从古登堡发射成功却是一个航天大国才能做到的事情。」计划中的三次试发射完成后,NASA开始使用龙飞船为ISS完成官方的补给任务。

在猎鹰1号进行了5次发射、猎鹰9号进行了3次发射( 大都属于测试和demo)以后,SpaceX 准备好开始它的太空投递服务了。猎鹰9号的第四次发射和第一次官方ISS再补给任务是 15 次连续成功投递(6次是为NASA服务的龙飞船任务,9次是为其他顾客服务的卫星任务)中的第一次,让我们回到2015年5月,那时我写下了这面这句话,却意外地给整个公司带来厄运:

自从前三次发射失败后,SpaceX已经又发射了20次——都成功了。

在连续20次发射都成功后,Musk发声:「火箭发射正常,卫星也在进入轨道。但我仍然如此紧张。期待某天能感觉正常。」

然后——就在接下来的发射中——这事发生了:

43

发射失败是很恐怖的一件事,即使是无载人发射。难怪SpaceX 副总裁 Mark Juncosa会 告诉我,每次发射的那天都总是令人持续感到痛苦的焦虑。 这种感觉就像是在美国职棒总决赛的第7场第9局,投手掷出关键一球,但扔出去的球却要在几个月后才能达到本垒,投手和队友们只能回家在电视前等着棒球到达击球手的那一时刻。

但是,毁灭性的失败是你参加这个太空游戏的一部分。在猎鹰1号第三次令人泄气的失败后,Musk给他的手下写信:「我们或许应该注意这样一个现象:那些发射成功的公司也经历过这样的艰难时期。我一个朋友提醒我,飞马号的前9次发射,只有5次成功;阿里安号5次发射,3次成功;阿特拉斯号20次发射,9次成功;俄罗斯联合号21次发射,9次成功;质子号18次发射,9次成功。 SpaceX也在此列,无论有什么困难,我们都将继续下去。」这个观念让他们能够正确看待SpaceX在2015年6月的那次失败,同时这也提醒着它们,前24次发射中有20次成本是多么令人印象深刻的壮举。

发射失败的好处在于,它能准确的帮你发现弱点。这次失败的罪魁祸首是一根 2英尺长、1英寸厚的钢筋——火箭里有上百根这样的钢筋——它本应该承重5吨力,然而有一根被折断了。从此刻起,SpaceX将分别测试放入火箭里的每一根钢筋。我们从上面的动图可以看出,龙飞船脱离轨道时毫发无损(在屏幕顶端,刚开始的时候,火球包裹中),如果有软件能够较早展开降落伞,那飞龙号里的内件就可以幸免于难。从现在起,龙飞船会配备这套软件。

这带给我们如今的景象。

在这样一个满是中间商漫天要价以及设备成熟度达几十年的行业里,SpaceX对内部供应链和尖端技术牢牢把控,这使得他们成为全世界太空投递业报价最便宜的公司。多年来,美国政府依赖于两大航空航天公司——波音和洛克希德马丁,以及他们的合资企业联合发射同盟(United Launch Alliance,以下简称ULA)——负责国内的太空发射。ULA每次太空发射都向政府(实际上是美国的纳税人)收费3.8亿美元。而同样的太空发射,美国政府只需付给SpaceX 1.3亿美元。如果是其他客户,他们没有NASA那些特别要求的话,则SpaceX的每次发射只需收取6,000万美元。

这是令人难以置信的优惠,因此,自然会有一大批顾客排队等着他们的服务——他们当前已经积压了50个发射计划,总价值超过50亿美元。他们竭尽所能的增加产量,短期目标是一年制造出40架猎鹰9号。 Musk相信,几年内SpaceX的发射成本将降到行业平均水平的十分之一,并且将接管全球商业太空发射的大多数业务。

这不只是对SpaceX,对美国来说,也是个大买卖。

美国因为波音而成为两个(另一个是欧洲的Airbus)主要飞机制造国之一,但是基于一些原因,美国在全球太空发射领域中并不出彩——而欧洲、俄国和中国占主导地位。ULA是美国太空发射的主要厂商,但它的大多数业务都是来自于美国政府,而其硬件设备中最昂贵的部分——引擎则需从俄罗斯进口。SpaceX全球业务激增,而且几乎所有设备都是国产,这正在使美国再次成为太空发射领域的大玩家。

Space X的快速崛起引起了行业传统巨头的焦虑,他们似乎准备做点什么了……


本文选自WaitButWhy,作者:Tim Urban,由机器之心编译出品 参与成员:Rainbow、Kelsie、安隐、Rita、Jen.W、郑劳蕾、妞妞姐姐、泥泥刘、薛矽、Atian、Bing Wu、Duo、电子羊、KaraLii、微胖、柒柒、张玺、汪汪、赵云峰、庞

入门
暂无评论
暂无评论~
返回顶部