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SpaceX 的秘密武器:能承受一次次爆炸 新消息
來源:富途牛牛 發布時間:2023-04-21 21:30:05

當地時間 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,不在發射臺上爆炸,已經是成功。而 Starship 起飛后大約一分鐘,成功經歷了最大氣動壓力點(Max Q)——火箭發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。

Starship 升空

一枚新火箭發射失敗、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射做好準備。但 SpaceX 的計劃是,“幾個月后”,再來一次。


(資料圖)

SpaceX 已經向 Starship 投入 30 億美元,其中一部分投入是建立 Starship 飛船和 Super Heavy 火箭的生產工廠。今年初,SpaceX 創始人馬斯克說年內將造 5 套飛船和火箭。在 Starship 發射臺附近,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 已經完成了前所未有的技術突破——火箭發射后自行降落回收,徹底改變了以政府機構為主導的航天業格局。目前 SpaceX 是每年全球發射火箭最多的機構,幫美國宇航局(NASA)用更低成本維系空間站,用數千枚 Starlink 衛星搭建了地球上新的通信系統。今天在美國送一噸設備進太空的成本比 1990 年代末,NASA 主導的時期,便宜了近九成。

不論是在地球周圍用衛星搭建基礎設施,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射系統,而且發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,SpaceX 的超能力是窮。

NASA 曾以驚人的速度實現了美國總統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 世紀的技術實現 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 的投入稱得上不設上限——數千名科學家和超過 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。

即便是冷戰結束,NASA 的預算大減,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。

Starship 和 Super Heavy 是人類造的最大火箭。下方三行分別是國家 / 地區、高度、載重。來源:Wiki Common

2022 年,牛津大學三位學者分析了 NASA 和 SpaceX 的 203 次太空任務,發現 SpaceX 的火箭研發成本只有 NASA 的十分之一,研發速度快兩倍。

他們認為主要是出發點不同。作為政府機構,NASA 只要靠實現超前的項目展現國家技術實力,做的都是沒有規模化效應的一次性項目,不可復用,難以持續。而 SpaceX 作為商業機構,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,可復用是航天事業商業化的關鍵。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,有需求商業就成立,商業能成立,整個技術的研發就可持續。

這想法并不稀罕,現代工業都是平臺化,降低單位建造、使用成本,激發更多需求。但航天探索長期被計劃和指令,而非市場主導,來自財政撥款的機構往往缺少對效率的極致追求。

用獵鷹 1 號證明 SpaceX 可以往太空中發射火箭后,馬斯克就將火箭回收當作必須實現的目標。之前從未有機構實現過這樣的壯舉,現在也少有機構可以做到。

SpaceX 嘗試 5 年把它變成現實,獲得巨大回報。SpaceX 的一位發言人說,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 號火箭發射一次的價格為 6700 萬美元。而 NASA 主導的火箭項目,每次發射的成本會到上億甚至數億美元。便宜的價格幫 SpaceX 吸引大量客戶。去年歐美國家發射了 84 次火箭,超過 70% 靠 SpaceX。

SpaceX 一次發射 60 枚 Starlink 衛星 “排隊” 進入軌道,在全球提供衛星互聯網。

馬斯克認為,想造出可用的火箭,唯一方法就是反復試驗,然后快速迭代,逼近最正確的設計方案。獵鷹 9 號成功回收前,發射過 20 次火箭。而這次 Starship 測試發射前,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。傳統的航天機構更傾向在制造火箭前,花數年時間和大量資金完善設計方案,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,吸引到了大量商業訂單。去年 SpaceX 61 次發射,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節。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火箭的每一個環節。

用更便宜的解決辦法,哪怕更笨重

現在許多火箭的主體都用碳纖維復合材料制造,它能承受火箭沖破大氣層時產生的高壓,不輕易變形。更關鍵的是,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,馬斯克說這是 “SpaceX 做出的最佳設計決策”。

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。

Starship 早期測試畫面。來源:SpaceX

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。這次發射前,如果你放大畫面看發射架上的火箭,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,內部元件也一樣。

火箭進入太空后,太陽輻射可能會導致計算機系統中的比特翻轉,例如從 0 變成 1,讓計算機處理器出錯。傳統的做法是采購專門為高輻射環境研發的計算機設備,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計。

制造火箭的同時,也在制造工廠

全世界每年只生產上百臺火箭,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 去年發射的 SLS,過去十多年只產了 1 枚。

但推進 Starship 項目時,馬斯克希望像汽車行業那樣,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。

Starship 裝配現場。來源:SpaceX

每生產一枚火箭,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 設計火箭時,會盡可能復用零部件。Starship 的外殼主體由數十個高兩米、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 Super Heavy 的流水線。”

用更多小發動機,而不是研發更巨型的發動機

Starship 能成為人類歷史上推力最強的火箭,并不是因為它的發動機更強。它使用的猛禽發動機,推力剛達到 1970 年代美國航天飛機上使用的 RS-25 發動機的水平,只有土星五號上發動機 F-1 的 1/3。

但 SpaceX 用得多。Starship 上有 6 臺猛禽發動機。一枚 Super Heavy 火箭上有 33 臺猛禽發動機。在傳統的火箭設計中,用更多發動機并不是最優選。每個發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。

Starship 助推器上的 33 臺發動機。來源:SpaceX

典型的例子是蘇聯的 N1 火箭,為了超越土星五號,蘇聯的工程師在 N1 上裝了 30 臺發動機,理論上推力達到歷史巔峰。但由于發動機太多,無法同時點火,或更好地調整方向。N1 火箭發射 4 次,炸毀 4 次。蘇聯因此擱置登月計劃。

2018 年 2 月,SpaceX 第一次發射有 27 臺發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沒趕上的計算機發展——特別是 GPU。2015 年 3 月,SpaceX 的工程師展示了他們開發猛禽發動機時怎么用 GPU 驅動做仿真測試。

SpaceX 用 GPU 模擬火箭發動機運行狀態。圖片來自 2015 年的英偉達 GTC 大會。

SpaceX 的工程師會模擬發動機運轉時發生的狀況,尋找潛在的問題,比如燃料沒能充分燃燒時,發動機會不停顫抖,導致火箭飛行不穩定,嚴重時會讓整個火箭無法載重飛行甚至解體。現有技術沒辦法在發動機運轉時給它做 “核磁共振”,用軟件模擬每一個部位的狀態,是成本最低、最適合的方法。

馬斯克說,SpaceX 在火箭上用更多發動機類似現代的計算機系統,Google 或亞馬遜用了大量小型計算機,就算有計算機出現故障,也不會影響使用。如果它們只用一臺或幾臺大型計算機,但凡出現宕機,整個系統就會停擺,“火箭發動機也是如此。就算獵鷹重型火箭上有 6 臺發動機出現故障,它還是能進軌道。”

這次 Starship 升空時,雖然有 3 臺發動機沒有工作,但并沒有影響它繼續向上。計算機快速調整其他發動機盡力保持飛行穩定。

用更多小發動機,能讓 SpaceX 更省錢。往太空發更大的火箭,帶更多貨物或者人時,他們不用投入大量的時間、人才和金錢研發推力更強大、創造歷史紀錄的發動機。SpaceX 沒有為載重更多的獵鷹重型火箭研發新發動機,而是直接用 3 枚獵鷹 9 號當作助推器,一共 27 臺發動機。

造更多發動機也可以攤薄 SpaceX 的成本,讓流水線運轉更有效率。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 發動機的制造線,為重返月球計劃中的 SLS 火箭供應發動機,年產能是四臺,每臺成本上億美元——一次即報廢。

到了 2022 年 11 月,SpaceX 生產同樣數量的猛禽發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十萬美元。NASA 副局長馬克·基拉西奇(Mark Kirasich)說,SpaceX 持續迭代猛禽發動機,提高性能和推力的同時,減少零件數量,讓制造和測試的時間更短,“他們現在每周能造七臺發動機。”

2010 年,阿波羅計劃終止近 40 年后,仍是少數政府控制著航天活動,俄羅斯是地球上發射火箭最多的國家,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,而是環繞著地球部署衛星。現實和曾經的奇跡相距甚遠,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:技術自己就會前進。技術是不會自動前進,甚至經常退化。只有很多人一起努力才能讓它變好。”

編輯/phoebe

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