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SpaceX猎鹰9号火箭让太空旅行更廉价

科幻 /  著作权归作者本人所有

伤我心太深  2016-12-12 21:51

  现在,SpaceX准备好开始太空递送服务了。“猎鹰9号”的第四次发射,即第一次国际空间站官方补给任务,是之后连续15次成功的开端。在成功完成20次发射任务之后,马斯克发文称:“火箭发射顺利,卫星已经进入地球同步转换轨道。过程还是紧张激烈,希望有一天能平淡下来。”


  在一个到处都是中间商赚差价和老旧设备的产业里,SpaceX密切控制的内部供应链和尖端技术让它成为全世界太空运输业里最便宜的选择。许多年以来,美国政府都依赖两家主要的航空航天公司——波音和洛克希德·马丁,以及两家合资企业——联合发射同盟(ULA)进行国内发射。ULA每次发射收取3.8亿美元。而相似的一次发射,美国政府只需要向SpaceX支付1.33亿美元。

  

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  对于其他客户,因为没有美国航空航天局的那些特殊要求,SpaceX每次发射只收取6000万美元的费用。


  因为拥有这项不可思议的优势,SpaceX的客户毫不意外地排成了长队。目前,这家公司堆积了超过50次的发射计划,价值达50亿美元。他们正在尽一切努力加快生产,目标是很快就能每年生产40枚“猎鹰9”号火箭。马斯克相信,SpaceX的发射费用在未来几年之内可以降到业内平均水平的1/10以内,并且可以获得世界上大部分商业发射订单。


  这不仅仅对SpaceX,对整个美国来说都是一件大事。


  美国通过波音公司自豪地成为世界上两家主要飞机制造商之一(欧洲的空中客车是另一家),但是不知道出于什么原因,这个国家允许自己在火箭发射领域只扮演一个无关紧要的角色。而与此同时,欧盟、俄罗斯和中国占据着该领域的支配地位。美国火箭发射的主要提供商ULA的大部分生意都来自美国政府,而他们火箭的最重要的硬件部分——引擎,却是从俄罗斯采购的。随着订单从世界各地不断涌入,SpaceX正在使美国重新成为火箭发射领域中的重要角色,同时他们的所有零部件都是本土制造的。


  虽然SpaceX的发展对美国和太空旅行的未来而言都是极好的,但并不是所有人都愿意看见它出现。


  太空发射产业就像一个小城镇里的一批汽车修理工,所有人的要价都比真正所需的高10倍,但是因为顾客对修理过程和其中的花费一无所知,而且竞争也是要耗费资金的,此外也没有升级设备、增加效率、降低花销的动力,一直相安无事。SpaceX就像是刚在这个小城镇建立的一家汽车修理厂,采用更新、更好的方式修车,比其他任何人工作都努力,而且同样的服务只收取一部分费用。对小城镇上的其他修理工来说,一切都被他毁了。


  2014年,欧洲的阿丽亚娜航天公司——全球火箭发射产业的巨头——向欧洲各国政府索要额外补贴以对抗同SpaceX的竞争。现在,“猎鹰9”号到最高的卫星轨道(GTO)的花费比历史上最便宜的中国长征运载火箭还要少1500万美元。至于发射市场上的其他玩家,马斯克开玩笑地说:“家人担心我被俄罗斯暗杀。”世界各地的客户都注意到了马斯克在做的事情,他们回头看看自己的发射公司,自问:“等一等,为什么我还在交这么多钱?”



  在未来几年当中,SpaceX的收益模式还会继续扩大。以下便是马斯克正在筹划的最酷的三件事。


  1.“猎鹰”重型火箭


  还记得前面讲到9台“梅林”引擎能够将摩天大楼一般高的一堆汽车抬起来吗?“猎鹰”重型火箭就等于“猎鹰9”号的一枚一级火箭被增加到了三枚。

  拥有27台“梅林”引擎的“猎鹰”重型火箭可以抬起大约2000吨的有效载荷,这比世界上其他任何一枚火箭的有效载荷多得多,并且创造了历史上每单位质量有效载荷的最低价格。


  2.使轨道卫星的数目成为今天的4倍


  事实上,在2015年,马斯克宣布SpaceX将在西雅图开展卫星制造业务,以在2030年将4000颗互联网卫星送上近地轨道。这一数目是当前1300颗轨道卫星的3倍多。马斯克说,他之所以想这么做,是因为:

  


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  第一,降低成本,发展技术。今天,制造一颗卫星需要花费大约2.5亿美元,发射升空同样大约要花费这些数目。这就导致每次卫星发射的风险都很高,各家公司会想尽办法降低风险,因此他们倾向于使用过去已经被验证了的技术,以保证每颗卫星至少可以使用15年。结果就是今天向我们提供服务的卫星是在1990年建造的,使用的是25年前的技术。SpaceX想要找到让制造卫星

  的成本更低的方法,以便跟更便宜的火箭发射技术相结合,能够把使用尖端技术的卫星送入轨道,增加卫星发射频率,并且加快卫星替换频率。


  第二,将互联网带给世界各地的每个人。我坐下来跟SpaceX航空电子工程部门的副总裁拉吉夫·巴迪尔聊了聊,他负责这个卫星项目。他解释说,SpaceX的4000颗太阳能供能卫星组成的网络将智能化协同工作,覆盖地球上的每个地方,将光速互联网发送到最需要它的地方。他说目前世界上只有少数几个地方做到了优质互联网覆盖,而该项目对世界上其他地区来说将具有颠覆性意义,尤其是边远地区。想要使用互联网,用户唯一需要的就是一个小型接收盒,可以随时在任何地方接收到互联网,比如北极、太平洋中央、珠穆朗玛峰峰顶。他还谈到了这些卫星在其他方面的用途,比如将摄像机附加在卫星上,可以用来进行犯罪侦查、实时谷歌地图、天气预报等。


  第三,激怒更多的巨头。把时代华纳有线和康卡斯特这样的大企业加到马斯克想要与之竞争的名单中来不是很好吗?在他的发布会上,马斯克提到了这一点:“如果有人被时代华纳或者康卡斯特困扰,现在你们就有选择离开的机会了。”


  第四,能够获得利润。一边销售制造的卫星,一边通过发射这些卫星创造收益,SpaceX可以从中获取丰厚的利润。


  第五,解决火星上的互联网问题。物理电缆成为过去,火星是我们的未来。马斯克计划将来让SpaceX制造的互联网卫星在火星周围绕行,给火星殖民地提供高速网络。


  3.载人太空飞行


  美国的航天飞机在2011年退役,开始了美国无法执行载人航天飞行的空窗期。美国的下一个航天飞机式太空项目本应该是被命名为“太空发射系统”的计划,以及它的“猎户座”宇宙飞船,但是这项计划的启动至少推迟到了2021年。美国不想在2021年之前一直依赖俄罗斯,所以美国航空航天局举行了一场比赛,以选择合适的私营公司来进行载人发射。美国航空航天局最终将总

  额68亿美元的合约分给了波音公司42亿美元,SpaceX26亿美元。


  2014年5月,SpaceX发布了龙飞船2号。第一艘龙飞船很酷,它是唯一能够完好返回地球的航天器,也是目前世界上唯一能把货物从国际空间站带回来的现役航天器。

  但是龙飞船2号更酷。它可以不用国际空间站的机械臂牵引就直接进行对接;它内部有座位和先进的触摸屏(今天的大多数航天器都设计于20世纪60年代,因此还像无线电设备那样使用的是按钮和把手)。但是,它最酷的地方还在于它的引擎。它拥有8台超级强大的小型引擎,叫作“超龙”,每一个都能抬起4辆汽车。“超龙”经过了特别设计,全部零部件都由3D打印制造,是用这种方法制造的第一台引擎。


  马斯克同样希望重新定义宇航员。他解释说,一个人不需要成为宇航员才能在太空飞行。在他的设想中,普通人跳上SpaceX火箭就能去太空,不需要接受多少训练和技巧。与此同时,SpaceX还在对宇航服的理念进行重新设计——马斯克坚持要把它们设计得好看,摆脱棉花糖人的形象。


  SpaceX和波音公司进行载人航天发射的时间都定在2017年。但是,目前美国国会参议院正在计划削减美国航空航天局的预算,这可能会使原计划推迟至少2年。

  这就是SpaceX正在做的事情,以及它如何盈利。但是马斯克说,如果SpaceX 变成某些人榨取短期利益的工具,就成了他的噩梦。我们在前文中提到过,这些都是SpaceX正在做的事情,但不是SpaceX真正要做的事情。

  

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  SpaceX真正要做的事情,从“猎鹰1”号的研发就已经开始了,而今天你能以非常划算的方式用“猎鹰9”号向太空传送物品,更加证明了一切正在发生。

  但是,SpaceX的低价策略仍然只能被归类为增值改进,而不是根本的变革。

  SpaceX真正在做的是一件影响深远很多的事,他们将把火箭发射的成本继续降低到1%,彻底改变人类在太空的未来,使我们成为多行星文明。



  还记得前面提到的这些内容吗?


  马斯克估计,如果去火星的票价每张为50万美元,就可以让蓝色的圆圈变大,从而使绿色区域的人数增加到100万人。根据他的描述,50万美元的票价,相当于在加利福尼亚购买一套中等房屋,“发达国家大多数40多岁的人都有能力负担起这笔钱”。

  我们离这个目标有多远?1989年,老布什提出了一个把美国宇航员送上火星的议案,美国航空航天局估计这会花费4500亿美元,能够送4名至6名宇航员。也就是说,每张票价1000亿美元。

  

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  这个数目是马斯克提出的数目的20万倍。

  2004年,小布什提出了将美国人送上火星的想法。美国航空航天局表示这将花费500亿美元,100亿美元一张票。这仍然是马斯克目标的2万倍。

  怎样才能使某种东西的价格降低到1/20000呢?

  马斯克计划两方面齐头并进来解决这个问题。


  1.送很多人上火星


  “猎鹰”火箭家族是SpaceX的赚钱机器,但是无论是“猎鹰”还是龙飞船,都永远无法把人类送上火星。

  首先,龙飞船的大小相当于一辆SUV,而去火星的旅途至少长达3个月。因此,用龙飞船不是好主意。

  其次,如果你想去火星那样遥远的地方,最好还是拼车去。

  

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  SpaceX有一个长期计划,准备建造一枚让“猎鹰9”号相较之下像热狗的巨型火箭——火星殖民运输机(MCT)。


  MCT火箭将是一个庞然大物,由强大许多的SpaceX引擎——“猛禽”——提供动力。这些工作目前正在进行。MCT的航天器将能够容纳至少100人。

  如果SpaceX能做到这一点,就已经把目前每张票的估价至少降到了1/20,还需要再把票价降低到1/1000。


  但是我们要考虑到,SpaceX已经通过“猎鹰”上的创新,把火箭发射的价格降低到业界标准的1/5了,而且马斯克相信在未来几年当中,这一价格会降到业界标准的1/10。而小布什估算的票价是建立在业界标准花费之上的,因此,现在的票价实际上比目标贵了100倍。

  一艘更大的航天器可以帮助降低去火星的票价,但是它无法对今天的商业发射产业产生任何影响,降价幅度也远远达不到目标,而且也无法解决马斯克谈到的“太空探索的基本问题”。



  2.回收利用



  想象一下今天的航天业如果有这样一项关键不同,会是什么样子:每架飞机只能飞行一次。每次飞行都使用全新的飞机,在着陆、乘客下飞机之后,飞机会被分解成金属碎片和可能被循环利用的组件,送去重新打造新飞机。


  一架飞机的成本大约为3亿美元。在新模式里,除了支付机组人员的工资和燃料费外,航空公司还要额外花费3亿美元来打造一架新飞机。这会带来什么改变?

  首先,世界上可能就没有几次航班了——航班时刻表会受到飞机制造速度的限制。其次,芝加哥和旧金山往返的机票价格大约会是150万美元,这还只是经济舱。


  “空军1”号永远都不会出现。富有的国家会拥有小型军事飞行队,政府会通过飞行来执行某些种类的科学实验。拥有100亿美元资产的人或许会飞足够多次,但是拥有100万美元资产的人就负担不起了。你呢?你会出生、生活和死亡,连一次飞机都没坐过。


  如果情况变成这样,人们可能会看看不存在的航空业,下结论说“显然公众没有坐飞机的意愿”。政客们会说不应该把政府资金投进这项花费过高的活动,大多数人甚至无法理解飞机是如何工作的,他们也不会浪费时间去想象如果世界上的每个人都能使用飞机,世界将会是什么样子。飞机会变成无人问津的话题。我们的交通工具有汽车、火车、轮船,但没有飞机。

  

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  知道我要说些什么吗?


  历史上没有人——美国没有,苏联没有,停滞的ULA 当然也没有——找到回收利用火箭的方法。

  建造火箭需要花费数月时间,升入太空,然后不是在大气中被烧毁,就是坠落入海洋变成金属碎片。但是,并不是没有人尝试过,美国和苏联都在这上面花费了上百亿美元,只是没有人成功过。


  现在,SpaceX把目光投向了新的、更加困难的任务——可回收性。如果SpaceX能研发出“完全快速可回收火箭系统”,唯一的发射花费就是燃料、维修和内部支持系统(就像飞机那样),就会把太空旅行的花费减少到1%,甚至更低。

  那么,该怎样才能做到呢?


  首先,你需要更好的着陆方式。马斯克描述了火箭和航天器的三种着陆方式。

  着陆方式1(最基础):降落伞减速,坠落至海洋。


  这是现在几乎所有航天器着陆的方式,如果它们能着陆的话。

  问题:在没有空气的地方降落伞无法工作,比如月球;在具有腐蚀性的卤水中着陆,会严重破坏设备;这种着陆方式会让人颜面尽失(想象外星人想震慑我们,但用降落伞着陆在海洋中,因此不得不游到岸上来,那是个什么情形)。


  着陆方式2(中级):用机翼和着陆轮在跑道上着陆。

  航天飞机采用的就是这种着陆方式。


  问题:没有空气的地方机翼是无法工作的,比如月球;没有跑道也不行,而只有地球上有跑道;虽然这种着陆方式可以在航天器上运用,但是火箭的着陆要困难得多,而完全的可回收性意味着航天器和分级火箭都要能够着陆。

  着陆方式3(高级):推进器着陆。

  这种着陆方式和火箭的起飞方式是一样的。“阿波罗”月球着陆器采用的正是这种方式(比如“阿波罗11”号的“鹰”号)。

  推进器着陆使得火箭或者航天器可以在着陆平台上灵巧地着陆,对设备的损伤最小。


  

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一级火箭的着陆方式标注“燃烧”表示单一主要引擎点火(中间的引擎)


  航天器采用推进器着陆比火箭容易想象,因为我们见过航天器采用这种方式着陆。龙飞船2号被设计成着陆专家,它可以在任何类型的地表着陆,就像直升机在地面着陆一样。但火箭进行这样的着陆更加陌生,而且难度更大。如果成功,从理论上来讲,火箭和航天器就可以返回、加燃料,然后在几小时之内重新出发——就像飞机一样。


  洪柯萨跟我说,最先也是最重要的一步是学会怎样让“猎鹰”火箭的第一级着陆。一级火箭的造价相当于打造一架喷气式飞机,占去了火箭总花销的很大一部分(特别是引擎)。如果他们成功做到了这一点,就是向前一大步,就能够向世界展示火箭回收是可能的,包括对此持怀疑态度的航空航天界。到时候,他们会绘制一份蓝图,其他火箭制造商也可以通过这种方式削减成本,并且开始太空旅行的新时代。


  因为在发射过程中重量是一个非常重要的因素(几乎没有空间来添加重量,否则火箭就无法把有效载荷送入轨道),火箭携带的燃料足够燃烧三次:第一次用来阻断火箭的弹道轨道,将它导向登陆地点;第二次用来减速,从4800千米/ 时降到885千米/ 时,使它不至于在大气层中燃烧掉;第三次也用来减速,使用在降落到发射平台之前,让火箭减速到8千米/时。


  因为空气在流动,天气不好预测,火箭内部有很多软件来探测外部受力,进行轨道调整。火箭安装有小型的叫作“栅格翼”的襟翼,张开时可以引导火箭进行方向调整(栅格翼和着陆腿也可以使火箭减速)。栅格翼只有在大气层中才能工作,在太空中没有空气,栅格翼也就没有用处了,因此火箭通过冷气推进器喷射来进行调整。冷气推进器就是小型的氮气喷气机。

  如果一切按计划进行,大约发射9分钟后,一级火箭将会在这个海上平台着陆,离发射平台3 20千米。


  这个过程难度很大。如果把所有的尺寸都按比例缩小,就像是从摩天大楼的顶端发射一支铅笔,并试图让它降落在地面上的一个鞋盒子里,而且是在有风的天气。SpaceX把这项挑战比作“试着在一场风暴中让手上的橡胶棍保持平衡”。也有人称之为“一场紧张的杂耍,几千个运动的物体中任何一个都能把整个系统推向灾难。如果火箭确实在驳船上平稳降落,那是因为上百万个细节的自我调整使‘猎鹰9’号在穿越混乱时保持了镇静”。


  为了测试这项技术,SpaceX制造了名为“草蜢”的一级火箭。2012年,他们做到了把“草蜢”升到12层楼的高度,悬停若干秒,然后安全返回地面发射场。在之后的2年中,他们把“草蜢”发射得越来越高,直到最终把真的“猎鹰9”号一级火箭发射到1000米高空,然后回到发射平台。


  进行真正尝试的时刻到了,这项技术将被运用到实际的发射中去。2015年1月,SpaceX进行了常规发射,引导一级火箭穿越大气层,试图让它着陆。就差一点儿!SpaceX的工作人员把出现的情况叫作快速非计划解体。


  仅仅三个月后,他们获得了第二次机会,但还是差了那么一点儿,最终火箭翻倒并且爆炸了。

  第三次尝试被安排在同年6月,但还是失败了。


  2015年12月21日,SpaceX在6月15日的失败之后首次进行发射,这次任务不但进展顺利(将1 1颗卫星送入轨道),而且还成功使一级火箭着陆。他们做到了!我有幸在SpaceX总部观看了这次发射(并且客座主持了网络直播),我从来没有见过一屋子这么高兴的人。


  在为这篇文章进行调查研究的时候,为了确保马斯克对50万美元一张去火星的票这件事是认真的,我发了一封邮件给他,陈述了自己看出来的逻辑,希望知道这是不是他所想的。以下是他的答复:


  “是的,这些看上去是很荒谬,然而不是不可能。解决方案的关键因素是火箭的可回收性以及低成本助推燃料。而且我们可以在火星上制造返回的助推燃料。火星大气层有大量二氧化碳,这为我们提供了便利。另外,火星土壤里冻结着很多水。

  

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  “从技术上讲,设计目标是每次飞行携带100吨的有效载荷,所以或许可以搭载100个人。这取决于每个人的质量,还有允许携带的行李。

  “航空电子、传感器、通信、运载机结构、着陆平台,以及其他几项都随着规模扩大变得更好,所以我猜想每次飞行搭载的人数会随着时间增加,或许达到几千人。另外,我们可以向头等舱多收钱,对经济舱进行补贴。

  “上面提到的这些,以及把价格降低到10万美元每吨或每人,最终都是可能的。到时候这趟行程的花销主要就是助推燃料了,而燃料基本上只有40美元/ 吨的液态氧(虽然每吨有效载荷都需要携带大量燃料)。一旦实现那就太好了!”

  SpaceX似乎正在完成的途中,很可能在下一个10年。一旦他们到达那个节点,就可以开始进行最后一个阶段的工作了。那将是一个会改变一切的工作。




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