物理学没说不可以:马斯克如何改写人类航天史?(组图)






把SpaceX的猎鹰9号回收火箭比作一支铅笔,那么从发射到返回的技术难度,相当于让铅笔飞过453米高的帝国大厦头顶,然后精准落到只有鞋盒大小的着陆点上。

接替猎鹰9号的重型运输系统星舰,提出了一个更极限的目标:用一双筷子牢牢夹住这根小小的铅笔。

如果机械臂稳稳接住推进器,就能减少火箭零部件着陆时的损伤,火箭在简单维护和补充燃料后,可以迅速返回工作岗位,提高发射效率。

2023年开始星舰试飞后,SpaceX的前三次试飞以两次爆炸一次失联收尾。今年6月的第四次试飞,星舰飞行一小时后在海面实现“软着陆”。

今年7月的采访中,马斯克就信心十足地预言第五次试飞有很大机会成功,因为“我们并没有违背物理学”。

物理学回报了马斯克。10月13日,星舰的第五次试飞中,巨大的机械臂成功夹住了火箭的助推器Super Heavy——高度为69米,直径为9米,空重200吨,满载重3600吨。自此,人类的航天史进入了新的章节,“太空公交车”不再是遥不可及的天方夜谭。

2023年全年,SpaceX成功完成了98次火箭发射,占全世界总发射次数的44%;这98次任务发射了1984颗星链卫星、将1600吨有效载荷送上了既定轨道,占全球有效载荷的80%。

按照彭博的说法,2024年SpaceX有望在火箭发射和星链业务上获得90亿美元收入。






关于SpaceX的愿景和实现路径,清晰记录在2011年5月马斯克发表的一封名为《The facts about SpaceX Costs》的公开信中[2],13年过去,绝大多数内容依旧有效:

·完全可复用的运载器是航天产业的长期目标,在实现目标前,SpaceX不会满足于当前的进步。

·全球范围内,只有SpaceX将发射费用公开在网站上。SpaceX的定价不是为了抢占市场份额,也不是用低价“教育”市场后提价,而是通过创新战胜海外的廉价劳动力。

·随着时间的推移,SpaceX的表现会越来越好,价格会越来越低,这是所有科技门类的发展规律。



最好的零部件是没有零部件

航天发射大致由两个部分组成:运载火箭和送进太空的飞行器(卫星、空间站、深空望远镜等)。

运载火箭是飞行器逃离地球的动力来源。在人类不算长的太空探索历史中,运载火箭一直是一次性消耗品。完成运送任务后,它会跌入大气层烧毁。

类比民航业,就像一架把乘客运到目的地后,立刻原地坠毁的飞机。

有去无回的一级运载火箭会占据发射成本的50%以上[6],没有任何商业机构能承担这样的成本。因此,太空发射只能由政府财政买单,交由特定的承包商承担发射任务。

马斯克的思路其实很简单:让火箭可以重复发射,同时将火箭做的尽可能大,一次运载足够多的东西,每公斤的运输成本就能极大摊薄。

这个思路的第一个产物不是星舰,而是NASA的“航天飞机计划”。航天飞机的设计初衷也是为了实现发射系统复用,但思路是依靠空气动力学——这就是为什么它长得像飞机。

但在航天飞机短暂的生命周期里,其安全性一直饱受质疑。挑战者号和哥伦比亚号都经历过失事惨剧,多次事故后,保守意识在NASA抬头,毕竟没人希望看到宇航员的生命和纳税人的钱在半空中炸成碎片。


上图:挑战者号起飞73秒后在空中爆炸|下图:哥伦比亚号返回大气层时解体。两次事故造成14名机组人员全部遇难



另外,航天飞机虽然实现了“可复用”,但并没有解决成本问题。

航天飞机项目拥有超过650个设施,120多万台设备,雇用了5000多名员工。除此之外,全美有1200多家供应商为该项目服务。

如此巨大的投入后,航天飞机向低地球轨道运输的增量成本依然高达4.09亿美元;按照测算,送往国际空间站的每公斤货物,运费高达27万美元。

作为对比,SpaceX每公斤运费约为1410美元,其他商业航天公司最低能达到5000美元。

马斯克赞同火箭复用的构想,但他认为,既然空气动力学的思路已经被历史证伪,SpaceX就要从根本上改变,一种被认为天方夜谭的火箭回收方式摆上台面:动力垂直回收。

顾名思义,动力垂直回收不依赖机翼滑翔,而是发动机多次点火降速大力出奇迹。这种无损着陆方式在月球、火星等深空探索里已经用过,但很少有人想把它用在地球上。

地球不仅有更大的重力、剧烈的大气摩擦,还有广阔的生命活动区域与复杂的国界地形,这导致动力垂直回收在地球最大的应用场景是科幻电影,马斯克是第一个试图复现科幻电影的人。


2021年NASA的火星探测车“毅力号”成功着陆

目前,SpaceX的猎鹰9号是世界上唯一实现大规模重复使用的火箭,其回收技术已经相当成熟。但马斯克认为猎鹰9号的起落架直立降落方案成本还是太高,干脆直接用筷子夹住助推器。

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