今天小編分享的互聯網經驗：物理學沒說不可以：馬斯克如何改寫人類航天史？，歡迎閱讀。
把 SpaceX 的獵鷹 9 号回收火箭比作一支鉛筆，那麼從發射到返回的技術難度，相當于讓鉛筆飛過 453 米高的帝國大廈頭頂，然後精準落到只有鞋盒大小的着陸點上。
接替獵鷹 9 号的重型運輸系統星艦，提出了一個更極限的目标：用一雙筷子牢牢夾住這根小小的鉛筆。
如果機械臂穩穩接住推進器，就能減少火箭零部件着陸時的損傷，火箭在簡單維護和補充燃料後，可以迅速返回工作崗位，提高發射效率。
2023 年開始星艦試飛後，SpaceX 的前三次試飛以兩次爆炸一次失聯收尾。今年 6 月的第四次試飛，星艦飛行一小時後在海面實現 " 軟着陸 "。
今年 7 月的采訪中，馬斯克就信心十足地預言第五次試飛有很大機會成功，因為 " 我們并沒有違背物理學 "。
物理學回報了馬斯克。10 月 13 日，星艦的第五次試飛中，巨大的機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，人類的航天史進入了新的章節，" 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 次火箭發射，占全世界總發射次數的 44%；這 98 次任務發射了 1984 顆星鏈衛星、将 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 有望在火箭發射和星鏈業務上獲得 90 億美元收入。
關于 SpaceX 的願景和實現路徑，清晰記錄在 2011 年 5 月馬斯克發表的一封名為《The facts about SpaceX Costs》的公開信中 [ 2 ] ，13 年過去，絕大多數内容依舊有效：
·完全可復用的運載器是航天產業的長期目标，在實現目标前，SpaceX 不會滿足于當前的進步。
·全球範圍内，只有 SpaceX 将發射費用公開在網站上。SpaceX 的定價不是為了搶占市場份額，也不是用低價 " 教育 " 市場後提價，而是通過創新戰勝海外的廉價勞動力。
·随着時間的推移，SpaceX 的表現會越來越好，價格會越來越低，這是所有科技門類的發展規律。
最好的零部件是沒有零部件
航天發射大致由兩個部分組成：運載火箭和送進太空的飛行器（衛星、空間站、深空望遠鏡等）。
運載火箭是飛行器逃離地球的動力來源。在人類不算長的太空探索歷史中，運載火箭一直是一次性消耗品。完成運送任務後，它會跌入大氣層燒毀。
類比民航業，就像一架把乘客運到目的地後，立刻原地墜毀的飛機。
有去無回的一級運載火箭會占據發射成本的 50% 以上 [ 6 ] ，沒有任何商業機構能承擔這樣的成本。因此，太空發射只能由政府财政買單，交由特定的承包商承擔發射任務。
馬斯克的思路其實很簡單：讓火箭可以重復發射，同時将火箭做的盡可能大，一次運載足夠多的東西，每公斤的運輸成本就能極大攤薄。
這個思路的第一個產物不是星艦，而是 NASA 的 " 航天飛機計劃 "。航天飛機的設計初衷也是為了實現發射系統復用，但思路是依靠空氣動力學——這就是為什麼它長得像飛機。
但在航天飛機短暫的生命周期裡，其安全性一直飽受質疑。挑戰者号和哥倫比亞号都經歷過失事慘劇，多次事故後，保守意識在 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：挑戰者号起飛 73 秒後在空中爆炸
下圖：哥倫比亞号返回大氣層時解體。兩次事故造成 14 名機組人員全部遇難
另外，航天飛機雖然實現了 " 可復用 "，但并沒有解決成本問題。
航天飛機項目擁有超過 650 個設施，120 多萬台設備，雇用了 5000 多名員工。除此之外，全美有 1200 多家供應商為該項目服務。
如此巨大的投入後，航天飛機向低地球軌道運輸的增量成本依然高達 4.09 億美元；按照測算，送往國際空間站的每公斤貨物，運費高達 27 萬美元。
作為對比，SpaceX 每公斤運費約為 1410 美元，其他商業航天公司最低能達到 5000 美元。
馬斯克贊同火箭復用的構想，但他認為，既然空氣動力學的思路已經被歷史證偽，SpaceX 就要從根本上改變，一種被認為天方夜譚的火箭回收方式擺上台面：動力垂直回收。
顧名思義，動力垂直回收不依賴機翼滑翔，而是發動機多次點火降速大力出奇迹。這種無損着陸方式在月球、火星等深空探索裡已經用過，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區網域與復雜的國界地形，這導致動力垂直回收在地球最大的應用場景是科幻電影，馬斯克是第一個試圖復現科幻電影的人。
2021 年 NASA 的火星探測車 " 毅力号 " 成功着陸
目前，SpaceX 的獵鷹 9 号是世界上唯一實現大規模重復使用的火箭，其回收技術已經相當成熟。但馬斯克認為獵鷹 9 号的起落架直立降落方案成本還是太高，幹脆直接用筷子夾住助推器。
星艦系統配備了 33 個助推器發動機，能夠将超過 100 噸的有效載荷送入預定軌道，這一數字是獵鷹 9 号的 5 倍。馬斯克認為，終有一天，它将帶着 100 名乘客前往火星。
物理學沒說不可以
為了在投入有限的情況下達到理想目标，馬斯克将消費電子產品的生產思路大規模帶進了壁壘森嚴的太空產業，其核心是快速試錯，快速迭代。
2024 年 7 月，SpaceX 公布了服務于星艦的第三代猛禽發動機（Raptor 3），比著名的梅林發動機更強大、復雜，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，反應產生的所有氣體都保持在發動機内部，可在海平面產生 230 噸的推力。
馬斯克表示：只有上帝本人才能在結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
和前兩代對比，猛禽三代的外表變得相當幹淨，甚至是小巧。生產流程和技術優化迭代後，大量管線被金屬 3D 打印技術整合到了引擎内部，于是保護管線的特殊隔熱罩也被舍棄了。
三代引擎是 SpaceX 研發哲學的一個側寫：開頭不需要完美，過程中要有針對性的改進，最終通向一個簡潔、清晰、高效的未來。
在火箭發射上，SpaceX 同樣采取 " 炸了就炸了 " 的設計方式，即迅速制成火箭和發動機原型，進行測試，炸毀，修改，再次嘗試，直到做出能用的東西。
SpaceX 的推進部門首席技術官穆勒總結說：" 你不需要完美地規避多少問題，關鍵是能多快找出問題，然後解決它 [ 4 ] 。"
和 NASA 如履薄冰的求穩思維相反，馬斯克極力向工程師傳達一個理念，一件事情只要沒有違背物理學定律，那就有實現的可能。
這種思路同樣用于特斯拉的汽車生產。
2018 年，馬斯克意外發現一輛 Model S 的玩具車模的車底被壓鑄成了一整塊金屬，甚至還有一套懸挂系統。當天的會議上，馬斯克提出特斯拉也可以這麼做，但工程師表示反對，因為汽車底盤要大得多。
馬斯克反問：" 不就是搞一台更大的鑄造機嗎？又不是打破物理學定律 [ 5 ] 。"
之後，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挑戰。後者提供的 GigaPress 将傳統車架中的需要加工再組裝 70 個零件，焊接 1000 至 1500 次的復雜生產過程，變成一次簡單壓鑄加工，讓焊接兩小時變成壓鑄兩分鍾，為 Model Y 省下了 20% 的生產成本。
獵鷹 9 号火箭
在 " 無需完美 " 的信念下，SpaceX 解決很多工程學問題時膽子都很大，有一種亂拳打死老師傅的美感。
為了向 NASA 證明自身的正确性，SpaceX 會同時用業界标準設備和自己設計的設備進行發射測試。一旦 SpaceX 的設計性能等同或優于業界标準，它就會成為公司的新标準。
按照規定，美國所有飛行器發射都必須遵守聯邦航空管理局 ( FAA ) 的準則。2020 年第一次超重型助推器（星艦早期版本）無人發射測試裡，FAA 的檢查員認為高空風條件并不滿足發射要求，但 SpaceX 的天氣模型示意可以發射，工程師看向馬斯克，他默默點了個頭，火箭升空了。
龍飛船為國際空間站執行載人任務
2022 年，牛津大學三位學者分析了 NASA 和 SpaceX 總計 203 次太空任務，發現後者的火箭研發成本只有 NASA 的十分之一，研發速度卻快了兩倍 [ 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。用着 NASA 半年的預算，SpaceX 陸續開發了獵鷹一号、獵鷹九号、獵鷹重型和星艦，還有梅林和猛禽兩款火箭發動機。
獵鷹 9 号火箭從一張白紙到首次發射，只用了四年半的時間，耗資平均在 3 億美元左右。作為對比，NASA 主導研發的航天飛機，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，被告知公司目标是做 "太空行業裡的西南航空公司（美國版春秋航空）"。
雖然看上去尖端無比，但 SpaceX 的火箭實際上采用了大量廉價的消費級產品 [ 11 ] ：
獵鷹火箭用 5000 美元的普通電腦，取代了 100 萬美元的航天級電腦；火箭打撈雇的是普通的商業打撈公司；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 的同款門闩造價 1500 美元。
獵鷹 9 号的載重艙的空氣冷卻系統要價 300 多萬美元，但後來被換成了稍經改造的商用空調設備。得知猛禽發動機内部有一根成本 2 萬美元的管子，馬斯克表示 " 恨不得戳瞎自己的眼睛 "，并要求發動機成本在 12 個月内，從 200 萬美元降到 20 萬美元。
除了物理學，馬斯克真正關心的東西似乎只有成本。SpaceX 真正的創舉是改變了航天器的生產流程，用生產汽車的方式生產火箭。
馬斯克提出過一個名為 "白痴指數" 的概念，即工業品生產成本與原材料成本的比值。比如一個零部件的總成本為 1000 美元，而原材料鋁的成本只有 100 元，那麼白痴指數就高達 10，意味着生產環節創造了過多的成本。
SpaceX 出現前，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，白痴指數爆表。星艦項目啟動時，馬斯克強迫 SpaceX 的财務分析師在一夜之間找出 20 個白痴指數最高的零部件，比如泵和整流罩，并制定目标，盡可能減少加工工序。
按照馬斯克的說法：" 如果你做的東西白痴指數很高，那你就是個白痴。"
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 "，十個會計需要花一個月算好的賬，會招二十個程式員編寫一套程式，把算賬流程自動化，這樣一天就能算完了。這也是為什麼馬斯克會說，" 與設計一家工廠所需的腦力勞動相比，設計車的腦力勞動不值一提。"
從生產 Model 3 的超級工廠到 SpaceX 的星艦，這套思路無往不利。
SpaceX 在火箭生產中引入了一項摩擦攪拌焊接 ( friction stir welding ) 技術，這項技術的核心是借助高速旋轉的機頭摩擦金屬板連接處，讓晶狀結構融合在一起。
由于焊接會改變金屬板材的受力性能，航天公司一般采用鉚釘等緊固件提供支撐，代價是限制了金屬板材的尺寸。SpaceX 第一次将摩擦攪拌焊接應用于火箭箭體這類龐然大物，不僅焊縫更堅固，也能使用更輕的合金，讓獵鷹火箭一舉減重數百磅。
四個鋁制圓頂由摩擦攪拌焊接技術焊接而成
與大多數航天器制造商不同，SpaceX 的核心工廠設在了公司總部裡面，所有火箭、飛船的核心零部件都在這裡生產組裝。在工廠最中間，各種巨大的焊接施工區網域之間，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 " 生產方案，設計者和制造者能一同工作，新想法能快速落地，產線問題能立即解決。
SpaceX 的太空工廠
基于這套方法，SpaceX 自己完成了 80%～90% 的制造工作——包括火箭、發動機和關鍵電子設備。SpaceX 的所有技術經理都必須去生產一線，包括馬斯克本人。
這種對生產流程極端的掌控是提高效率的關鍵，特斯拉曾将其稱為 "來到紅燈前"。特斯拉的首席設計師馮 · 霍茲豪森曾說：" 我們要培養出一群像工程師一樣思考的設計師，再培養出一群像設計師一樣思考的工程師。"
到 2022 年感恩節，星艦工廠裡已經每天能造出超過一台猛禽發動機，整個生產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，SpaceX 颠覆了太空產業傳統的成本結構。就連 NASA 也承認 [ 8 ] ：" 我們确實認識到需要降低成本，并認為商業合作夥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射面臨的安全審查的行政要求，以及發射許可審批的復雜。
這讓馬斯克怒不可遏，表示自己為人類登陸火星殚精竭慮，但到頭來 " 還得操心這些破事 "。緊接着，馬斯克說了一段富有哲理的話：
" 文明就是這樣衰落的，因為他們放棄了冒險。當他們放棄了冒險事業，文明的動脈就會硬化。"
在 SpaceX 的故事裡，NASA 似乎一直扮演着電影中經典的反派角色：低效、官僚，頻繁動用行政力量阻礙市場化的手段創新。但實際情況是，NASA 是 SpaceX 最重要的支持者之一。
航天飛機計劃終止後，為了削減成本，美國政府開始支持私人航天企業。SpaceX 最初的訂單，就由 NASA 和 DARPA 提供。DARPA 高層曾盛贊馬斯克：有遠見的人有很多，但既有遠見還懂火箭的只有馬斯克。
SpaceX 的成長過程中，看得見的手始終如影随形。
NASA 向 SpaceX 提供了技術轉讓，包括開放技術資料、派駐技術人員、轉讓專利、提供研發設備與試驗場地等。美國現行的《國家航天政策》中明文寫着，要通過采購政策、體制創新來推動商業航天的發展。
相比商業公司訂單和有限的個人投資，政府訂單才是 SpaceX 運營的支柱。SpaceX 從美國政府得到的各類項目經費高達 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鬥。每一個高舉自由市場大旗的經濟體都無比清楚市場的優點和缺陷，然後對其善加利用。
尾聲
獵鷹重型火箭首次發射時，裝載了一輛特斯拉跑車做載荷試驗。發射很成功，馬斯克樂觀地預計，這輛跑車能在地球與火星之間的軌道上漂流上億年。
" 最後，它會極端的接近火星，有那麼一點點的機會、極其渺茫的希望，可能落到火星上。"
宇宙漂流的特斯拉跑車，一塊電路板上寫着 "Made on Earth by humans"
許多 SpaceX 工程師進入太空行業是受一本 1998 年出版的書鼓舞，《火箭小子（Rocket Boys）》。作者 Homer Hickam 曾擔任 NASA 工程師，負責宇航員培訓，參與過哈勃太空望遠鏡的維修任務。
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 作為一個煤礦工人的孩子，如何對太空探索產生興趣，在家鄉小鎮試射了 31 枚 " 自研 " 火箭，之後在全國科技博覽會奪魁。
電影裡有一段對白，發生在 Homer Hickam 和朋友們發生争執，準備放棄比賽期間。
主角的朋友問：老實說，我們這群煤礦來的小子赢得科學展的幾率到底有多高？
主角說：百萬分之一吧。
朋友說：這麼高？怎麼不早說。
科技的進步有很多原因。其中一個重要原因是，總有一些人把百萬分之一的概率當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 ] 矽谷鋼鐵俠：埃隆 · 馬斯克的冒險人生，阿什利 · 萬斯
[ 6 ] 美國重復使用運載火箭發展分析，胡冬生
[ 7 ] SpaceX 發展之路：互聯網模式下的商業航天，盛英華
[ 8 ] How the Rise of SpaceX Is Reshaping NASA，WSJ Youtube
[ 9 ] 可重復使用航天器是怎樣降落的，中國航天
[ 10 ] 美國太空探索技術公司供應商管理方法及可借鑑之處，中國航天标準化研究所袁碩
[ 11 ] 美國太空探索技術公司成本控制分析，中國航天科技集團有限公司魏鳴
[ 12 ] Why Is The U.S. Space Industry So Obsessed With Vertical Integration?，Garrett Reim
[ 13 ] 火箭復用的颠覆式創新，SpaceX 如何做到的，知識分子
[ 14 ] 領跑太空 2.0 時代，美國商業航天發展綜述，蒿旭
[ 15 ] SpaceX 是怎樣長大的：政府支持對太空探索技術公司成長影響分析，楊開
[ 16 ] How to Solve Big Problems: Bespoke Versus Platform Strategies, Bent Flyvbjerg
編輯：李墨天
視覺設計：疏睿
責任編輯：李墨天
