（本文作者飯統(tǒng)戴老板）

 

把SpaceX的獵鷹9號(hào)回收火箭比作一支鉛筆，那么從發(fā)射到返回的技術(shù)難度，相當(dāng)于讓鉛筆飛過453米高的帝國(guó)大廈頭頂，然后精準(zhǔn)落到只有鞋盒大小的著陸點(diǎn)上。

接替獵鷹9號(hào)的重型運(yùn)輸系統(tǒng)星艦，提出了一個(gè)更極限的目標(biāo)：用一雙筷子牢牢夾住這根小小的鉛筆。

如果機(jī)械臂穩(wěn)穩(wěn)接住推進(jìn)器，就能減少火箭零部件著陸時(shí)的損傷，火箭在簡(jiǎn)單維護(hù)和補(bǔ)充燃料后，可以迅速返回工作崗位，提高發(fā)射效率。

2023年開始星艦試飛后，SpaceX的前三次試飛以兩次爆炸一次失聯(lián)收尾。今年6月的第四次試飛，星艦飛行一小時(shí)后在海面實(shí)現(xiàn)“軟著陸”。

今年7月的采訪中，馬斯克就信心十足地預(yù)言第五次試飛有很大機(jī)會(huì)成功，因?yàn)?ldquo;我們并沒有違背物理學(xué)”。

物理學(xué)回報(bào)了馬斯克。10月13日，星艦的第五次試飛中，巨大的機(jī)械臂成功夾住了火箭的助推器Super Heavy——高度為69米，直徑為9米，空重200噸，滿載重3600噸。自此，人類的航天史進(jìn)入了新的章節(jié)，“太空公交車”不再是遙不可及的天方夜譚。

2023年全年，SpaceX成功完成了98次火箭發(fā)射，占全世界總發(fā)射次數(shù)的44%；這98次任務(wù)發(fā)射了1984顆星鏈衛(wèi)星、將1600噸有效載荷送上了既定軌道，占全球有效載荷的80%。

按照彭博的說法，2024年SpaceX有望在火箭發(fā)射和星鏈業(yè)務(wù)上獲得90億美元收入。

關(guān)于SpaceX的愿景和實(shí)現(xiàn)路徑，清晰記錄在2011年5月馬斯克發(fā)表的一封名為《The facts about SpaceX Costs》的公開信中[2]，13年過去，絕大多數(shù)內(nèi)容依舊有效：

·完全可復(fù)用的運(yùn)載器是航天產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)前，SpaceX不會(huì)滿足于當(dāng)前的進(jìn)步。

·全球范圍內(nèi)，只有SpaceX將發(fā)射費(fèi)用公開在網(wǎng)站上。SpaceX的定價(jià)不是為了搶占市場(chǎng)份額，也不是用低價(jià)“教育”市場(chǎng)后提價(jià)，而是通過創(chuàng)新戰(zhàn)勝海外的廉價(jià)勞動(dòng)力。

·隨著時(shí)間的推移，SpaceX的表現(xiàn)會(huì)越來越好，價(jià)格會(huì)越來越低，這是所有科技門類的發(fā)展規(guī)律。

最好的零部件是沒有零部件

航天發(fā)射大致由兩個(gè)部分組成：運(yùn)載火箭和送進(jìn)太空的飛行器（衛(wèi)星、空間站、深空望遠(yuǎn)鏡等）。

運(yùn)載火箭是飛行器逃離地球的動(dòng)力來源。在人類不算長(zhǎng)的太空探索歷史中，運(yùn)載火箭一直是一次性消耗品。完成運(yùn)送任務(wù)后，它會(huì)跌入大氣層燒毀。

類比民航業(yè)，就像一架把乘客運(yùn)到目的地后，立刻原地墜毀的飛機(jī)。

有去無回的一級(jí)運(yùn)載火箭會(huì)占據(jù)發(fā)射成本的50%以上[6]，沒有任何商業(yè)機(jī)構(gòu)能承擔(dān)這樣的成本。因此，太空發(fā)射只能由政府財(cái)政買單，交由特定的承包商承擔(dān)發(fā)射任務(wù)。

馬斯克的思路其實(shí)很簡(jiǎn)單：讓火箭可以重復(fù)發(fā)射，同時(shí)將火箭做的盡可能大，一次運(yùn)載足夠多的東西，每公斤的運(yùn)輸成本就能極大攤薄。

這個(gè)思路的第一個(gè)產(chǎn)物不是星艦，而是NASA的“航天飛機(jī)計(jì)劃”。航天飛機(jī)的設(shè)計(jì)初衷也是為了實(shí)現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)復(fù)用，但思路是依靠空氣動(dòng)力學(xué)——這就是為什么它長(zhǎng)得像飛機(jī)。

但在航天飛機(jī)短暫的生命周期里，其安全性一直飽受質(zhì)疑。挑戰(zhàn)者號(hào)和哥倫比亞號(hào)都經(jīng)歷過失事慘劇，多次事故后，保守意識(shí)在NASA抬頭，畢竟沒人希望看到宇航員的生命和納稅人的錢在半空中炸成碎片。

上圖：挑戰(zhàn)者號(hào)起飛73秒后在空中爆炸下圖：哥倫比亞號(hào)返回大氣層時(shí)解體。兩次事故造成14名機(jī)組人員全部遇難

另外，航天飛機(jī)雖然實(shí)現(xiàn)了“可復(fù)用”，但并沒有解決成本問題。

航天飛機(jī)項(xiàng)目擁有超過650個(gè)設(shè)施，120多萬臺(tái)設(shè)備，雇用了5000多名員工。除此之外，全美有1200多家供應(yīng)商為該項(xiàng)目服務(wù)。

如此巨大的投入后，航天飛機(jī)向低地球軌道運(yùn)輸?shù)脑隽砍杀疽廊桓哌_(dá)4.09億美元；按照測(cè)算，送往國(guó)際空間站的每公斤貨物，運(yùn)費(fèi)高達(dá)27萬美元。

作為對(duì)比，SpaceX每公斤運(yùn)費(fèi)約為1410美元，其他商業(yè)航天公司最低能達(dá)到5000美元。

馬斯克贊同火箭復(fù)用的構(gòu)想，但他認(rèn)為，既然空氣動(dòng)力學(xué)的思路已經(jīng)被歷史證偽，SpaceX就要從根本上改變，一種被認(rèn)為天方夜譚的火箭回收方式擺上臺(tái)面：動(dòng)力垂直回收。

顧名思義，動(dòng)力垂直回收不依賴機(jī)翼滑翔，而是發(fā)動(dòng)機(jī)多次點(diǎn)火降速大力出奇跡。這種無損著陸方式在月球、火星等深空探索里已經(jīng)用過，但很少有人想把它用在地球上。

地球不僅有更大的重力、劇烈的大氣摩擦，還有廣闊的生命活動(dòng)區(qū)域與復(fù)雜的國(guó)界地形，這導(dǎo)致動(dòng)力垂直回收在地球最大的應(yīng)用場(chǎng)景是科幻電影，馬斯克是第一個(gè)試圖復(fù)現(xiàn)科幻電影的人。

2021年NASA的火星探測(cè)車“毅力號(hào)”成功著陸

目前，SpaceX的獵鷹9號(hào)是世界上唯一實(shí)現(xiàn)大規(guī)模重復(fù)使用的火箭，其回收技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。但馬斯克認(rèn)為獵鷹9號(hào)的起落架直立降落方案成本還是太高，干脆直接用筷子夾住助推器。

星艦系統(tǒng)配備了33個(gè)助推器發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠?qū)⒊^100噸的有效載荷送入預(yù)定軌道，這一數(shù)字是獵鷹9號(hào)的5倍。馬斯克認(rèn)為，終有一天，它將帶著100名乘客前往火星。

物理學(xué)沒說不可以

為了在投入有限的情況下達(dá)到理想目標(biāo)，馬斯克將消費(fèi)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)思路大規(guī)模帶進(jìn)了壁壘森嚴(yán)的太空產(chǎn)業(yè)，其核心是快速試錯(cuò)，快速迭代。

2024年7月，SpaceX公布了服務(wù)于星艦的第三代猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)（Raptor 3），比著名的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)更強(qiáng)大、復(fù)雜，采用甲烷（一種在火星上易得的資源）+液氧的高效燃料組合。沒有排氣管，反應(yīng)產(chǎn)生的所有氣體都保持在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，可在海平面產(chǎn)生230噸的推力。

馬斯克表示：只有上帝本人才能在結(jié)合分子方面比猛禽燃燒室做得更好[3]。

星艦的三代猛禽引擎

和前兩代對(duì)比，猛禽三代的外表變得相當(dāng)干凈，甚至是小巧。生產(chǎn)流程和技術(shù)優(yōu)化迭代后，大量管線被金屬3D打印技術(shù)整合到了引擎內(nèi)部，于是保護(hù)管線的特殊隔熱罩也被舍棄了。

三代引擎是SpaceX研發(fā)哲學(xué)的一個(gè)側(cè)寫：開頭不需要完美，過程中要有針對(duì)性的改進(jìn)，最終通向一個(gè)簡(jiǎn)潔、清晰、高效的未來。

在火箭發(fā)射上，SpaceX同樣采取“炸了就炸了”的設(shè)計(jì)方式，即迅速制成火箭和發(fā)動(dòng)機(jī)原型，進(jìn)行測(cè)試，炸毀，修改，再次嘗試，直到做出能用的東西。

SpaceX的推進(jìn)部門首席技術(shù)官穆勒總結(jié)說：“你不需要完美地規(guī)避多少問題，關(guān)鍵是能多快找出問題，然后解決它[4]。”

和NASA如履薄冰的求穩(wěn)思維相反，馬斯克極力向工程師傳達(dá)一個(gè)理念，一件事情只要沒有違背物理學(xué)定律，那就有實(shí)現(xiàn)的可能。

這種思路同樣用于特斯拉的汽車生產(chǎn)。

2018年，馬斯克意外發(fā)現(xiàn)一輛Model S的玩具車模的車底被壓鑄成了一整塊金屬，甚至還有一套懸掛系統(tǒng)。當(dāng)天的會(huì)議上，馬斯克提出特斯拉也可以這么做，但工程師表示反對(duì)，因?yàn)槠嚨妆P要大得多。

馬斯克反問：“不就是搞一臺(tái)更大的鑄造機(jī)嗎？又不是打破物理學(xué)定律[5]。”

之后，他和高管給六家鑄造公司打了電話，只有一家名叫意德拉的公司接受了這項(xiàng)挑戰(zhàn)。后者提供的GigaPress將傳統(tǒng)車架中的需要加工再組裝70個(gè)零件，焊接1000至1500次的復(fù)雜生產(chǎn)過程，變成一次簡(jiǎn)單壓鑄加工，讓焊接兩小時(shí)變成壓鑄兩分鐘，為Model Y省下了20%的生產(chǎn)成本。

在“無需完美”的信念下，SpaceX解決很多工程學(xué)問題時(shí)膽子都很大，有一種亂拳打死老師傅的美感。

為了向NASA證明自身的正確性，SpaceX會(huì)同時(shí)用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和自己設(shè)計(jì)的設(shè)備進(jìn)行發(fā)射測(cè)試。一旦SpaceX的設(shè)計(jì)性能等同或優(yōu)于業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，它就會(huì)成為公司的新標(biāo)準(zhǔn)。

按照規(guī)定，美國(guó)所有飛行器發(fā)射都必須遵守聯(lián)邦航空管理局(FAA)的準(zhǔn)則。2020年第一次超重型助推器（星艦早期版本）無人發(fā)射測(cè)試?yán)铮現(xiàn)AA的檢查員認(rèn)為高空風(fēng)條件并不滿足發(fā)射要求，但SpaceX的天氣模型示意可以發(fā)射，工程師看向馬斯克，他默默點(diǎn)了個(gè)頭，火箭升空了。

2022年，牛津大學(xué)三位學(xué)者分析了NASA和SpaceX總計(jì)203次太空任務(wù)，發(fā)現(xiàn)后者的火箭研發(fā)成本只有NASA的十分之一，研發(fā)速度卻快了兩倍[16]。

NASA每年獲得的撥款超過200億美元，SpaceX成立21年，總共只籌集了百億美元左右的資金。用著NASA半年的預(yù)算，SpaceX陸續(xù)開發(fā)了獵鷹一號(hào)、獵鷹九號(hào)、獵鷹重型和星艦，還有梅林和猛禽兩款火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

獵鷹9號(hào)火箭從一張白紙到首次發(fā)射，只用了四年半的時(shí)間，耗資平均在3億美元左右。作為對(duì)比，NASA主導(dǎo)研發(fā)的航天飛機(jī)，每一架都耗資超過20億美元。

龍飛船上的浴室門把手

第一批SpaceX員工入職時(shí)，被告知公司目標(biāo)是做“太空行業(yè)里的西南航空公司（美國(guó)版春秋航空）”。

雖然看上去尖端無比，但SpaceX的火箭實(shí)際上采用了大量廉價(jià)的消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品[11]：

獵鷹火箭用5000美元的普通電腦，取代了100萬美元的航天級(jí)電腦；火箭打撈雇的是普通的商業(yè)打撈公司；龍飛船的門把手是工程師們用浴室零件組裝的，成本只需30美元，而NASA的同款門閂造價(jià)1500美元。

獵鷹9號(hào)的載重艙的空氣冷卻系統(tǒng)要價(jià)300多萬美元，但后來被換成了稍經(jīng)改造的商用空調(diào)設(shè)備。得知猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部有一根成本2萬美元的管子，馬斯克表示“恨不得戳瞎自己的眼睛”，并要求發(fā)動(dòng)機(jī)成本在12個(gè)月內(nèi)，從200萬美元降到20萬美元。

除了物理學(xué)，馬斯克真正關(guān)心的東西似乎只有成本。SpaceX真正的創(chuàng)舉是改變了航天器的生產(chǎn)流程，用生產(chǎn)汽車的方式生產(chǎn)火箭。

馬斯克提出過一個(gè)名為“白癡指數(shù)”的概念，即工業(yè)品生產(chǎn)成本與原材料成本的比值。比如一個(gè)零部件的總成本為1000美元，而原材料鋁的成本只有100元，那么白癡指數(shù)就高達(dá)10，意味著生產(chǎn)環(huán)節(jié)創(chuàng)造了過多的成本。

SpaceX出現(xiàn)前，火箭的整體成本比碳纖維、金屬、燃料這些原材料成本高出了足足50倍，白癡指數(shù)爆表。星艦項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，馬斯克強(qiáng)迫SpaceX的財(cái)務(wù)分析師在一夜之間找出20個(gè)白癡指數(shù)最高的零部件，比如泵和整流罩，并制定目標(biāo)，盡可能減少加工工序。

按照馬斯克的說法：“如果你做的東西白癡指數(shù)很高，那你就是個(gè)白癡。”

一直以來，馬斯克解決成本問題的思路是“用成本最高的方法降低成本”，十個(gè)會(huì)計(jì)需要花一個(gè)月算好的賬，會(huì)招二十個(gè)程序員編寫一套程序，把算賬流程自動(dòng)化，這樣一天就能算完了。這也是為什么馬斯克會(huì)說，“與設(shè)計(jì)一家工廠所需的腦力勞動(dòng)相比，設(shè)計(jì)車的腦力勞動(dòng)不值一提。”

從生產(chǎn)Model 3的超級(jí)工廠到SpaceX的星艦，這套思路無往不利。

SpaceX在火箭生產(chǎn)中引入了一項(xiàng)摩擦攪拌焊接(friction stir welding)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的核心是借助高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)頭摩擦金屬板連接處，讓晶狀結(jié)構(gòu)融合在一起。

由于焊接會(huì)改變金屬板材的受力性能，航天公司一般采用鉚釘?shù)染o固件提供支撐，代價(jià)是限制了金屬板材的尺寸。SpaceX第一次將摩擦攪拌焊接應(yīng)用于火箭箭體這類龐然大物，不僅焊縫更堅(jiān)固，也能使用更輕的合金，讓獵鷹火箭一舉減重?cái)?shù)百磅。

與大多數(shù)航天器制造商不同，SpaceX的核心工廠設(shè)在了公司總部里面，所有火箭、飛船的核心零部件都在這里生產(chǎn)組裝。在工廠最中間，各種巨大的焊接施工區(qū)域之間，有一棟三層樓高的透明辦公樓，是火箭工程師的辦公室。

這就是SpaceX推行的“垂直集成”生產(chǎn)方案，設(shè)計(jì)者和制造者能一同工作，新想法能快速落地，產(chǎn)線問題能立即解決。

基于這套方法，SpaceX自己完成了80%～90%的制造工作——包括火箭、發(fā)動(dòng)機(jī)和關(guān)鍵電子設(shè)備。SpaceX的所有技術(shù)經(jīng)理都必須去生產(chǎn)一線，包括馬斯克本人。

這種對(duì)生產(chǎn)流程極端的掌控是提高效率的關(guān)鍵，特斯拉曾將其稱為“來到紅燈前”。特斯拉的首席設(shè)計(jì)師馮·霍茲豪森曾說：“我們要培養(yǎng)出一群像工程師一樣思考的設(shè)計(jì)師，再培養(yǎng)出一群像設(shè)計(jì)師一樣思考的工程師。”

到2022年感恩節(jié)，星艦工廠里已經(jīng)每天能造出超過一臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，整個(gè)生產(chǎn)過程幾乎就像配裝汽車一樣便捷流暢。

在突破工程難題的同時(shí)，SpaceX顛覆了太空產(chǎn)業(yè)傳統(tǒng)的成本結(jié)構(gòu)。就連NASA也承認(rèn)[8]：“我們確實(shí)認(rèn)識(shí)到需要降低成本，并認(rèn)為商業(yè)合作伙伴在這方面做得比我們更出色。”

看得見的手

《馬斯克傳》中記載，SpaceX的工程師曾向馬斯克解釋火箭發(fā)射面臨的安全審查的行政要求，以及發(fā)射許可審批的復(fù)雜。

這讓馬斯克怒不可遏，表示自己為人類登陸火星殫精竭慮，但到頭來“還得操心這些破事”。緊接著，馬斯克說了一段富有哲理的話：

“文明就是這樣衰落的，因?yàn)樗麄兎艞壛嗣半U(xiǎn)。當(dāng)他們放棄了冒險(xiǎn)事業(yè)，文明的動(dòng)脈就會(huì)硬化。”

在SpaceX的故事里，NASA似乎一直扮演著電影中經(jīng)典的反派角色：低效、官僚，頻繁動(dòng)用行政力量阻礙市場(chǎng)化的手段創(chuàng)新。但實(shí)際情況是，NASA是SpaceX最重要的支持者之一。

航天飛機(jī)計(jì)劃終止后，為了削減成本，美國(guó)政府開始支持私人航天企業(yè)。SpaceX最初的訂單，就由NASA和DARPA提供。DARPA高層曾盛贊馬斯克：有遠(yuǎn)見的人有很多，但既有遠(yuǎn)見還懂火箭的只有馬斯克。

SpaceX的成長(zhǎng)過程中，看得見的手始終如影隨形。

NASA向SpaceX 提供了技術(shù)轉(zhuǎn)讓，包括開放技術(shù)資料、派駐技術(shù)人員、轉(zhuǎn)讓專利、提供研發(fā)設(shè)備與試驗(yàn)場(chǎng)地等。美國(guó)現(xiàn)行的《國(guó)家航天政策》中明文寫著，要通過采購(gòu)政策、體制創(chuàng)新來推動(dòng)商業(yè)航天的發(fā)展。

相比商業(yè)公司訂單和有限的個(gè)人投資，政府訂單才是SpaceX運(yùn)營(yíng)的支柱。SpaceX從美國(guó)政府得到的各類項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)高達(dá)80多億美元，其中NASA提供了約72億美元，空軍提供約9.6億美元。

SpaceX的成功從不是單打獨(dú)斗。每一個(gè)高舉自由市場(chǎng)大旗的經(jīng)濟(jì)體都無比清楚市場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，然后對(duì)其善加利用。

尾聲

獵鷹重型火箭首次發(fā)射時(shí)，裝載了一輛特斯拉跑車做載荷試驗(yàn)。發(fā)射很成功，馬斯克樂觀地預(yù)計(jì)，這輛跑車能在地球與火星之間的軌道上漂流上億年。

“最后，它會(huì)極端的接近火星，有那么一點(diǎn)點(diǎn)的機(jī)會(huì)、極其渺茫的希望，可能落到火星上。”

許多SpaceX工程師進(jìn)入太空行業(yè)是受一本1998年出版的書鼓舞，《火箭小子（Rocket Boys）》。作者Homer Hickam曾擔(dān)任NASA工程師，負(fù)責(zé)宇航員培訓(xùn)，參與過哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的維修任務(wù)。

這本書在出版第二年被改編成電影《十月的天空》，講述了Homer Hickam作為一個(gè)煤礦工人的孩子，如何對(duì)太空探索產(chǎn)生興趣，在家鄉(xiāng)小鎮(zhèn)試射了31枚“自研”火箭，之后在全國(guó)科技博覽會(huì)奪魁。

電影里有一段對(duì)白，發(fā)生在Homer Hickam和朋友們發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)，準(zhǔn)備放棄比賽期間。

主角的朋友問：老實(shí)說，我們這群煤礦來的小子贏得科學(xué)展的幾率到底有多高？

主角說：百萬分之一吧。

朋友說：這么高？怎么不早說。

科技的進(jìn)步有很多原因。其中一個(gè)重要原因是，總有一些人把百萬分之一的概率當(dāng)作值得畢生去追尋的理由。

參考資料

[1]SpaceX and the categorical imperative to achieve low launch cost，Space News

[2]Elon Musk: “Why the US Can Beat China”，SpaceX

[3]How SpaceX Reinvented The Rocket Engine!, The Space Race Youtube

[4]埃隆·馬斯克傳，沃爾特·艾薩克森

[5]硅谷鋼鐵俠：埃隆·馬斯克的冒險(xiǎn)人生，阿什利·萬斯

[6]美國(guó)重復(fù)使用運(yùn)載火箭發(fā)展分析，胡冬生

[7]SpaceX 發(fā)展之路：互聯(lián)網(wǎng)模式下的商業(yè)航天，盛英華

[8]How the Rise of SpaceX Is Reshaping NASA，WSJ Youtube

[9]可重復(fù)使用航天器是怎樣降落的，中國(guó)航天

[10]美國(guó)太空探索技術(shù)公司供應(yīng)商管理方法及可借鑒之處，中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所袁碩

[11]美國(guó)太空探索技術(shù)公司成本控制分析，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司魏鳴

[12]Why Is The U.S. Space Industry So Obsessed With Vertical Integration?，Garrett Reim

[13]火箭復(fù)用的顛覆式創(chuàng)新，SpaceX如何做到的，知識(shí)分子

本文僅代表作者觀點(diǎn)。

[14]領(lǐng)跑太空2.0時(shí)代，美國(guó)商業(yè)航天發(fā)展綜述，蒿旭

[15]SpaceX是怎樣長(zhǎng)大的：政府支持對(duì)太空探索技術(shù)公司成長(zhǎng)影響分析，楊開

[16]How to Solve Big Problems: Bespoke Versus Platform Strategies, Bent Flyvbjerg