馬斯克的Spacex為什么能成功，用六七十年來從未有過的方式做航天 | 二湘空間

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　　Spacex的成功故事

　　文/海北尬生

　　星艦在前幾天完成了第10次試飛，完成了所有的既定目標，是一次空前的大成功。昨天在七維發(fā)了一篇關于俄烏戰(zhàn)爭中觀點的文章，結果立即有人在評論區(qū)里點名讓我寫星艦第10次試飛，也可見這事的關注度。

　　我當然是要寫的，不過首先請大家理解，我們公號發(fā)文章大致都是在每天早上6：00 7：00左右，這個時間不可能趕上當天的星艦試飛，因此都只能放到第2天才發(fā)表，需要稍微等一等。當然對于寫作者我而言，這個話題也很難寫：能寫的東西太多了，而且又要盡量把事情講得簡潔易懂。但是還是那句話，我怎么可能不寫，這是我的專業(yè)啊。

　　我不太清楚讀者是怎么評價馬斯克這個人的，最近幾個月里他和特朗普從好到穿一條褲子都不顯瘦到徹底鬧掰，恐怕也遭到了不少人的非議，同時他與人交往向來有問題，說話不管不顧，再加上對生育問題的“過于開明”，也惹出了不少麻煩。但至少他的專業(yè)素質(zhì)是過硬的，航天界沒有什么人敢在這方面質(zhì)疑他，類似的，汽車行業(yè)也往往不在這方面質(zhì)疑他的特斯拉。

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　　必須要承認馬斯克是一個很有水平的工科生。當然作為企業(yè)的大老板，他不會親自去設計細節(jié)的東西，他的任務在于抓方針，抓戰(zhàn)略，抓技術路線，而他抓的技術路線往往都是正確的，比如特斯拉的熱泵系統(tǒng)，再比如space x的各種決策，我們會稍后細說。

　　當然正像所有取得成功的人一樣，他對自己的夢想有一種幾乎病態(tài)的執(zhí)著。早在零幾年的時候，他就把火星當成了自己的夢想，一直堅持到今天，算是“不忘初心牢記使命”的“洋典范”。目前所能找到的他對于火星的第1個任務規(guī)劃，是01年的事兒。他的想法是，往火星發(fā)射一個帶有植物種子的溫室，在火星環(huán)境下觀察植物的生長，為未來建設火星基地提供數(shù)據(jù)支持，這是一個純粹的科學性的任務。沒有運載火箭，他就打算買俄羅斯退役下來的彈道導彈。導彈能提供的運載力當然有限，他真正要送到火星的溫室只有一個籃球左右大。

　　相較于今天的space x火星任務，這樣的任務絕對是寒酸至極的，但就算如此馬斯克也展露出了自己的能力：比如試圖購買退役的俄羅斯導彈當運載火箭，這體現(xiàn)了他充分利用既有產(chǎn)品和技術，以及壓低成本的能力，這樣的能力和方法被他一直堅持到今天。正是因為如此，他的這篇報告被獲準參加01年的火星學會年會，初試啼聲便不同凡響（當然這個學會也邀請過我）。

　　彼時馬斯克的pay pal剛剛被收購，他也把自己的家產(chǎn)提升到了10億美元的程度，但是這點錢投進航天項目的汪洋大海里都不會有一個響。人們都不看好他，覺得這個人有熱情，但也只是僅此而已。他的那些想法過于大膽，也往往都很離經(jīng)叛道，再加上他并不是科班出身的航天專家，而是一個it工作者，一個碼農(nóng)，于是就更遭到了人們的冷眼和鄙視。

　　在做完報告差不多一年以后，他成立了space x，而且最初口氣就不小：他試圖把航天做成一個能盈利的生意。當然他并不是第1個做航天的民營企業(yè)—美國的航天一直是依賴企業(yè)來進行生產(chǎn)的，也有像ula這樣的公司試圖做發(fā)射，但這樣的公司首先是背靠波音、洛馬這樣的大巨頭，其次也是靠和政府的深度合作特別是靠補貼來維持自己的運營。馬斯克作為一個純粹的民營企業(yè)老板，搞不到這么多的補貼，就只能寄希望于讓火箭有更好的經(jīng)濟效益。到這兒事情還可以理解，但是他的目標遠不止于此，他希望能夠?qū)崿F(xiàn)徹底的盈利，這也就意味著，每次發(fā)射火箭的設計、生產(chǎn)、發(fā)射成本等等，加合起來必須要小于客戶支付的費用。

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　　想做到這一點，路線其實也早都有，那就是要實現(xiàn)火箭的回收：花幾億造出來的火箭只能是一次性的，這樣當然不可能盈利。火箭回收的方案很多，錢學森先生六十年代的名著《星際航行概論》就提到好幾種，包括著名的航天飛機其實也是要達到這樣的目的。

　　馬斯克最初在獵鷹1號上選擇了用降落傘回收第1級的方案，這也是經(jīng)典的老概念，但他很快他就發(fā)現(xiàn)這與其他的回收方法一樣都有嚴重的問題：技術上可行，但經(jīng)濟上不可行?；鸺厥盏某杀尽⒒厥栈貋砗笳薜某杀炯拥揭黄鹌鋵嵤且笥谝淮涡缘幕鸺?。包括美國的航天飛機也遇到了這樣的問題。所以在獵鷹1號結束使命，他們開始研究獵鷹9號的時候，馬斯克開始放大招：他要用垂直回收，也就是我們現(xiàn)在看到的這種。

　　當然，這也不是他的原創(chuàng)，早在上個世紀的六七十年代就有人提出了這樣的方案，美國和蘇聯(lián)都有。只不過雙方的國家隊進行研究后發(fā)現(xiàn)這個東西理論上可行，實踐層面卻難度很大，于是就不約而同的將之束之高閣。馬斯克這時做過的最大的火箭也是只有20多米長的獵鷹1號，在專家來看還很稚嫩、青澀，業(yè)界的不看好也就可想而知。（至今都有些人說馬斯克在發(fā)展過程中NASA起了很大的幫助，實際上這就是酸葡萄：且不說NASA根本不會支持一個他們不看好的項目，要是NASA這么神通廣大，他們怎么沒造出自己的星艦、自己的可重復利用火箭來呢？）

　　但這時馬斯克在IT行業(yè)積累的經(jīng)驗發(fā)揮了他山之石可以攻玉的作用。回收的過程中涉及到復雜的動力學和控制問題，但是這恰恰能發(fā)揮馬斯克和他手底下這些計算機方面的人才的作用，通過大量的數(shù)值計算和仿真，馬斯克的團隊成功找到了控制火箭的方法。而且數(shù)值計算還有另外一個優(yōu)勢：研發(fā)成本極低，因為不需要真的做實驗，同時周期也很快。當然想要做好它難度還是很大的，但是對于馬斯克這些程序員出身的人，事情也不那么難。

　　此時另外一個問題到來：控制這樣的火箭的程序的復雜程度遠超過既有的火箭，于是對計算機提出了更高的要求，而火箭用的計算機計算性能都很差。這里多說一句，火箭的計算機要花相當大的精力來對抗宇宙射線的轟擊，高能的宇宙粒子打到芯片的晶體管上，是可以造成比特翻轉(zhuǎn)的災難性的后果的，也就是原本算出來結果是0，卻變成1，或者反過來。于是通常情況下給火箭和飛船設計的計算機都著重考慮防輻射性能，甚至還會用電子管，而不是晶體管，因為電子管的抗干擾能力更好。這樣帶來的副作用就是，火箭和飛船用的計算機速度都非常慢，比如聯(lián)盟號用的阿爾貢16計算機速度就只有5赫茲，中國空間站的主計算機時鐘頻率只有10兆赫，內(nèi)存也只有2M，只能存一張照片。但是這樣的計算機也價格不菲，單位都是億元。

　　spacex第10次發(fā)射畫面 圖源網(wǎng)絡

　　馬斯克的解決方案是什么？答曰，他直接購買市場上的成品芯片（主要是英偉達和英特爾的產(chǎn)品）。那么比特翻轉(zhuǎn)怎么解決呢？答曰，他同時聯(lián)用好多個芯片一起算。因為很多個芯片一起算出問題其實是小概率事件，一起算出同一個錯誤答案就更小概率了，所以只要選取這些芯片算出來的最一致的那個答案，就可以保證結果是正確的。

　　比如space x的初代龍飛船，飛控主計算機由三臺完全一樣的計算機組成，每臺計算機用的都是雙核的芯片，實際運用過程中每個核單獨使用，于是輸入同一個數(shù)據(jù)后可以得到6個獨立的答案。每一步計算完成后，每個核之間都會比對數(shù)據(jù)，執(zhí)行多數(shù)的答案，也就是說即使某一個核某一步算錯了，也會從其他核那里獲得正確答案，再繼續(xù)算下去。其他系統(tǒng)也是如此，最后一個初代龍飛船上要裝54臺一樣的雙核處理器。獵鷹9號火箭也是如此，每一個火箭發(fā)動機的控制單元都有三臺這樣的處理器，9臺發(fā)動機加起來就是27臺，同樣飛控主計算機也是三臺處理器，每一個也都是雙核的。

　　民用的芯片相較于國家隊的產(chǎn)品，首先是價格極其低廉——一個飛控主計算機系統(tǒng)總共才值2.6萬美元。而且民用的芯片相較于傳統(tǒng)芯片，在運算速度上能查出好幾個量級，于是space x用來回收火箭的復雜程序，也不用再愁算力了。這是一個一箭雙雕的解決方案，著實讓國家隊有點尷尬。我還記得某次某院士出去介紹他們研究的航天用飛控計算機，結果被懂行的聽眾問到space x的這個方案，很尷尬地被掛了黑板。

　　諸如這樣簡單粗暴，但又能一箭雙雕甚至多雕的方案在他們那里真是不勝枚舉，也恰恰是這樣的方案造就了他們的成功。再舉兩個例子：

　　Spacex的發(fā)動機是非常好的，但這個好并不體現(xiàn)在推力上，而是體現(xiàn)在經(jīng)濟性（星艦的一臺發(fā)動機只用20萬美元）和效率上。若論推力，他們的所有發(fā)動機都只是中檔水平。為了提供足夠的推力，他們多發(fā)聯(lián)用，比如獵鷹9號一級聯(lián)用9臺（獵鷹9號的9就是這么來的），重型獵鷹將三個獵鷹9號的一級捆綁起來，相當于是一級有27臺發(fā)動機，星艦一級聯(lián)用33臺。

　　對于某些老學究和業(yè)余人士（比如項某剛）而言，這樣的設計簡直是離經(jīng)叛道，他們是不敢連著用30多臺發(fā)動機的，畢竟蘇聯(lián)的n1火箭就栽到了這個方面，順帶著毀了蘇聯(lián)的登月計劃，我也寫過這個的文章。換言之，他們覺得多大的火箭就要用多大的發(fā)動機，星艦這種最大的火箭，就應該用推力最大的火箭發(fā)動機。

　　N1火箭的失敗當然是一個慘痛的例子，但只能說這些人知其然而不知其所以然：N1火箭多發(fā)聯(lián)用的失敗，一方面是因為時間過于倉促，沒有解決好燃料供應、振動等多方面的問題，另外一方面也是因為程序過于復雜，超過當時的計算機的水平，可是這些問題對于space x而言早都已經(jīng)被規(guī)避掉了。振動之類的問題。通過仿真、模擬就可以很好的解決，Space x他們就擅長這個，至于計算機，上面也提到過。而且space x也積累了豐富的經(jīng)驗，星艦裝33臺發(fā)動機，看起來很突兀，但是他們之前設計的重型獵鷹一級已經(jīng)用了27臺發(fā)動機，量變已經(jīng)不足以引起質(zhì)變了。星艦的10試飛有成功有失敗，但沒有一次是由多發(fā)聯(lián)用而起。

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　　問題不存在，剩下的便都是好處：首先是這樣的發(fā)動機需求量大，產(chǎn)量大，于是就可以更好的平衡、降低成本，同時這也更進一步方便了他們的垂直回收方案，因為火箭返回著陸時基本上是空的，重量很輕，所需要的推力其實不大，spacex他們可以通過只啟動部分發(fā)動機，實現(xiàn)更小的推力，比如獵鷹9號返回時只啟動中間一臺，星艦返回時只啟動中間三臺，也就是說只產(chǎn)生相當于起飛時1/10的推力。而如果采用的是更大的發(fā)動機就做不到，火箭發(fā)動機往往只能節(jié)流到最大推力的60%左右，再低就不能正常工作，就如同汽車發(fā)動機怠速的時候都要最起碼600轉(zhuǎn)一樣。因此這是一個大智若愚的方案。

　　另外一個例子則是星艦用的材料。眾所周知，星艦是不銹鋼的，這在整個航空航天界都是前無古人的。當然，這并不是馬斯克的最初選擇，他最初也打算用又輕又時髦的碳纖維，甚至還為這個專門收購了一家做碳纖維的公司，但最終還是很干脆的回到了不銹鋼上。為什么是這樣？這也是非常巧妙的工程學設計。

　　首先星艦是一艘要返回地球的飛船，在這個過程當中一定要應對與大氣摩擦產(chǎn)生的熱的襲擊，而不銹鋼的好處就在于它在高溫下的強度更高：不銹鋼可以在600多度的溫度下仍然保持強度，但如果是鋁合金或者碳纖維，卻只能忍受200多度。所以碳纖維和鋁合金當然可以減重，但最終需要更多的隔熱防熱的設計，站在總體的層面來看，實際上是把通過換材料省下來的重量又在隔熱材料上加了回來。

　　其次，不銹鋼也極其好加工，這一點碳纖維鈦合金就比不上。碳纖維材料如果發(fā)現(xiàn)有裂縫，修補起來是很繁瑣的，鈦合金的焊接是一個老大難的問題，因為它熔點實在是太高，但如果是不銹鋼，事情就很簡單。當其他的火箭需要在無塵的作業(yè)間里用等離子者摩擦攪拌焊接，或者用鋪帶機慢慢鋪帶的時候，Space x的團隊卻敢在半露天甚至露天的廠房里直接開焊，既省錢又省時。

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　　當然最明顯的，不銹鋼便宜，便宜至極。迄今為止，星艦進行了10次試飛，還沒有正式投入使用，之前還建了十來艘地面實驗用的飛船。這如果是傳統(tǒng)的項目，到這里會直接崩潰掉，因為開支已經(jīng)失控，根本不可能只是單純?yōu)榱俗鰧嶒灐⒏愕驮斐?0來個飛船，但是馬斯克他們不怕，因為他們的火箭實在是太便宜，扔了就扔了，炸了也就炸了。這里面其實也有他們軟件工程師式的思路：軟件工程師往往可以邊測試邊迭代，不要求一次就交出最后的成品?，F(xiàn)在他們在硬件方面也敢這樣做，一方面是因為他們高度模塊化的設計很容易替換，不會牽一發(fā)而動全身，另外一方面也是因為他們迭代，其實沒什么可怕的成本。整個星艦項目每年總共只有20億美元左右的現(xiàn)金流，是花小錢辦大事的典范。

　　當然還有一些很聰明的設計就不詳細展開了（比如用筷子夾火箭，可以省下著陸支架的重量）。總而言之，馬斯克和他的團隊確實能找出最簡明最高效的設計方案，也能夠充分利用既有的技術，更能夠降低成本。他們給傳統(tǒng)的行業(yè)從業(yè)者帶來的震撼往往不是技術層面，而是觀念層面，他們真的是在用一種六七十年以來從未有過的方式做著航天。

　　比如說火星學會那次我就遇到了獵戶座飛船的總設計師胡先生（此人真的姓胡，名叫霍華德胡，也真的是華裔），他就很坦誠的跟我說“Space x的架構比我們好，他們的團隊緊湊而高效”。中國的同行也大致是這樣的看法，實際上這事兒是可以公開說的，比如說某單位就在他們的公號里推了這樣的文字：

　　他們確實應該有危機感，因為馬斯克的團隊總共才六七千人，中國的航天卻30多倍于此，得到的支持更遠非馬斯克所能比，可是偏偏星艦、星鏈這樣的產(chǎn)品卻出自馬斯克那里。如果真說要改，我覺得恐怕不是什么技術問題，而是一種文化。

　　中國的學生往往都知道，不要隨便去駁導師的觀點，哪怕你的是有道理的；那進了企業(yè)和單位，也都知道不要隨便去駁“某某總”“某某院士”的方案，往往只要他們開了口拍了板，就去做就好。但是在spacex也好，特斯拉也好，什么方案都可以去駁，哪怕是馬斯克本人拍板的方案，只要你能夠詳細的有理有據(jù)的論證出你的方案比他更好，照樣是會受到獎勵和提升乃至重用的。比如說星艦的材料問題，最初選擇碳纖維就是馬斯克拍的板，收購那家做碳纖維的公司，當然更是他的行動。就當萬事俱備的時候，突然間出來一個人詳細計算了使用不銹鋼的數(shù)據(jù)，于是他們真的把馬斯克“欽定”的方案推倒重來。這樣，他們真的是發(fā)揮了群眾的智慧，而我們在方案層面往往只是那么特定幾個人的意見。

　　總結一下就是，Space x的成功是很多方面的，在他們離經(jīng)叛道的設計思路和非專業(yè)的出身和組織架構的表面下，其實藏著對工程的深刻理解和其他同行難以企及的雄心壯志。成功歸成功，他們畢竟搞的是技術而不是巫術，是可以被理解，可以被學習的。他們能做到，我也并非做不到。

　　作者：海北尬生，因其嘗求學于北海之北，每不顧環(huán)境而放尬言，故起此名也。喜航天，愛讀書，本學理工，愛好文學。

　　~the end~