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找到将物体送入太空的方法

2016-12-10

飞碟探索 2016年12期
关键词:有效载荷马斯克火箭

事实上,当马斯克仍然在PayPal时,就开始思考将物体送入太空的方法了。他读了大量火箭技术方面的书籍,基本上把它们全都记下来了。那个时候,他认识了火箭专家吉姆·坎图尔,并且跟他一起去俄罗斯进行了一次不成功的购买谈判。坎图尔说:“他在引用这些书里的内容时能够一字不差,对这些材料真的已经滚瓜烂熟了。”

为了补充阅读,马斯克请教了很多专家。坎图尔认为马斯克是“迄今与我共事过的最聪明的人”,并说马斯克“聘请了许多我在火箭和航天器领域里的同事,这些人都愿意做他的顾问”,而且“他就像要把这些人的经验吸干一样”。

就在马斯克越来越多地谈论会把太空作为他的下一个追求时,他的朋友们开始替他担心了。如果换做你,难道你不会吗?想象你的朋友把自己的互联网生意卖了一大笔钱,告诉你他要用这笔钱成为第一个成功创建太空发射公司的企业家——因为这对人类成为多行星文明来说非常重要。马斯克的朋友用尽全力想要说服他放弃这个疯狂的项目,并制作了一段有关火箭爆炸的蒙太奇电影,强迫马斯克观看。

“土星5”号的结构就像俄罗斯套娃,可以一层一层地拆分

但马斯克也不是一般人,他还是坚持了下来,没有被说服。在给自己打下坚实的知识基础之后,他开始邀请其他人加入了。他说:“公司就是一群人在一起创造一个产品或者一项服务。没有什么所谓的生意,只有对一个目标的追求——一群人对一个目标的追求。”他开始组建一支团队,成员是他能够找到的最聪明的人,这样SpaceX就诞生了。

然后,这个包括著名火箭工程师汤姆·缪勒在内的全明星核心队伍,开始招人了。马斯克说他不十分在意研究生学历,大学学历,甚至是高中学历——SpaceX只需要天分、品格和激情。我和SpaceX运载工程副总裁马克·允克萨坐下来谈了谈,很吃惊地发现他是一个平平常常的加利福尼亚人。他看上去就像我会交朋友的类型,而不是顶尖的火箭科学家。他告诉我他曾经是一个糟糕的学生,在人生快要走向无望的时候发现自己喜欢捣鼓赛车。后来,他发现他在这方面完全是个天才。毕业之后有人把他介绍给了马斯克,马斯克就聘请了他。允克萨很快就得到了晋升,30岁刚出头,他就已经负责公司一个重要部门了。

SpaceX里似乎有许多这样的故事,反映出这家公司不走寻常路的用人理念。扎克·邓恩是SpaceX发射工程部门的资深主管,他告诉我他做实习生的时候,马斯克跟他说他是一个能力很强的工程师。这让邓恩感到很吃惊,并且意识到马斯克对公司里的每一个人都有清晰的认识。几年之后,邓恩被提拔到了发射工程主管的职位,管理着100多名员工。

这家公司跟特斯拉一样,垂直整合程度很高。SpaceX自己制作几乎所有的主要零件,在几乎整条供应链都保持着所有权和控制权。这在航天业里是很罕见的。就像阿什莉·万斯解释的那样:“这家工厂是SpaceX在火箭制造游戏里主要武器的神殿,内部制造。SpaceX制造火箭的80%至

90%,包括引擎、电子元件、主板和电路的设计、检测震动的传感器、飞行电脑以及太阳能电池板。”

团队不断扩大,但马斯克仍然以一种不同寻常的方式保持着对每个环节的参与。一些老板被叫作微管理者,但在马斯克的公司里,他的参与程度为他赢得了“纳米管理者”的称号。

2002年,马斯克的疯狂主意开始成真了。有了清晰的任务,有了一个团队,以及一位雷厉风行的CEO。下一步就需要一枚火箭了。

在我们介绍SpaceX的第一枚火箭之前,先让我们明确一下术语:

几乎所有的太空发射,目的都是把某些东西送入太空。递送的东西叫作有效载荷,它可以是一颗卫星、一批货物、人或者猴子——什么都可以。

为了在太空旅行的恶劣条件中保持完好,有效载荷有时候被放置在一个叫作整流罩的保护壳中。有些有效载荷在外太空里需要控制、导航和停靠,甚至被带回地球。在这种情况下,有效载荷会被携带在航天器内部。

然后是火箭。火箭是发射的最主要部分,它只有一项工作:携带着有效载荷和它的容器穿过大气层,将它们送入太空。火箭的主要部分是一个大型燃料罐,底部是一个或者若干个功能强大的钟形引擎。这些引擎给火箭提供强大的动力——或者叫作推力,用来将许多吨的负重送出地球大气层。有时候火箭由多级更小的火箭组成,即分级火箭。如果携带的有效载荷是武器的话,这枚火箭就被叫作导弹。

最后,火箭飞船这种东西不存在,它不是一个专业术语。

“阿波罗”任务使用的巨型火箭叫作“土星5”号。“土星5”号重3000吨,大约相当于7架波音747飞机,高度相当于一幢35层楼。

航天飞机的任务更简单,就是进入近地轨道,而它采取的是一种完全不同的策略。

和采用一枚大型火箭不同, 航天飞机使用两枚火箭(被称为固体推进火箭)来完成升空过程,有效载荷——也就是宇航员和设备——位于穿梭航天器中,它的造型其实就是典型的航天器。在火箭掉落之后,由橘黄色燃料箱来提供航天器所需的推力。通常,返回的航天器会使用降落伞在海洋中着陆,但是航天飞机采用的是更为先进的方式——像飞机一样降落在跑道上。

SpaceX制造第一枚火箭的时候,并没有试着去做一枚最大最厉害的火箭。相反,他们制造了一枚小型的、构造简单直接的试验性火箭,马斯克将它命名为“猎鹰1”号(取名自《星球大战》中的千年隼)。这枚火箭有21米高, 分为两级,底部有一个超级强劲的引擎——这是paceX的发明,叫作“梅林”引擎。

虽然体型不大,功能也很普通,但是“猎鹰1”号上充满了新技术。他们的首要目标是让向太空运送小规模有效载荷的花费变得前所未有地便宜,这不仅是因为马斯克认为降低成本是将我们送上火星的关键,还因为他认为这是目前太空旅行唯一能有显著提高的地方。他说:“火箭的速度差不多都一样,便捷性和舒适度也差不多都一样,可靠性方面已经没有多少提升的空间了。因此,真的只剩下一个因素来考量这项技术的进展,那就是成本。”至于火箭发射的成本为什么居高不下,马斯克列出了两个原因:

第一,航空航天业里都是大型公司,而大公司是反对承担风险的。他说:“这个行业对风险存在很大的偏见。每个人都在采取一切可能的措施防止承担责任……即使有更好的技术出现,他们仍然在使用历史遗留下来的组件,经常是20世纪60年代的那些。”

第二,垂直整合不够。我们提到了SpaceX的垂直整合模式,以及这一模式给马斯克提供的管理便利。马斯克认为这种垂直结构对降低成本来说也至关重要,而且他这样指责同行业的人:“大型航空航天公司倾向于搞分包……他们把工作交给分包公司,这些分包公司又会继续寻找下一层的分包公司。想要找到真正着手一项工作的人,比如谁在切割金属、谁在操纵原子,需要经过四五层转手,每一层都会增加支出,经费得是原来的五次方。”

没有这些包袱,SpaceX能够“从零开始设计和建造‘猎鹰1号,从一张白纸开。”SpaceX的早期员工马克斯·沃佐夫说“你可以从马斯克拆分式的推理中看到这张‘白纸。火箭是由什么制造的?航天级别的铝合金,外加一些钛、铜和碳纤维。这些材料在市场上的价格是多少?结果发现这些用于火箭的材料的售价是火箭造价的2%左右——这对大型机械产品来说是个惊人的比例……所以我认为,鉴于这些原材料的费用,我们应该能够建造出更加便宜的火箭。”

这听上去挺美好,但并不是一家具有普通预算以及发展时间框架的普通公司能做到的。这是一个没有几个理智的投资人敢涉足的风投项目,公司能否存活在很大程度上取决于马斯克的银行存款。2006年,马斯克决定把在汽车制造业发动一场变革作为自己的另一个项目。他把从PayPal 中获得的资产投了7000万美元给特斯拉,1亿美元给SpaceX。马斯克说这些钱应该够进行“三四次发射”。SpaceX只有几次机会向客户展示他们值得被投资,他们必须成功地把某些东西送上轨道,向世界证明他们是动真格的。

这是一场规则简单的游戏:用三四次发射机会把一个有效载荷送入轨道,要不然公司就完蛋。当时,在许多尝试过这么做的私营公司当中,只有一家成功了(轨道科学公司)。为了理解这件事为什么如此困难,我们需要理解轨道是什么。

火箭就像一只巨大的手,把有效载荷扔出去。

实际上SpaceX的挑战就是把有效载荷“扔”到轨道上。人们以为火箭发射是垂直向上的,但实际上这个过程是把有效载荷用很大力气从侧面抛出去。

在现实中,火箭公司需要把有效载荷通过七层楼高、40吨重的金属塔扔出去,而且需要在正好合适的高度、以正好合适的速度将一台精致的仪器发射出去。

更为困难的是,这个抛物动作从海平面高度的大气层中开始,而这里对高速运动的火箭来说,就像糖浆一样黏稠,并且到处都是流动的东西(指空气)。这好比试图在水面下方几米用手投球,希望能够命中。允克萨对引导火箭穿过大气层的挑战进行了这样的描述:“火箭就像一根你试图推向太空的面条,它到处晃动,仅仅测量火箭上一个点的运行轨迹,是无法计算出它的前进方向的——你需要测量好几个不同的点。”

有这么多重要因素在作用——火箭的重量、速度、稠密的大气层,即使是最小的设备故障也会立刻毁掉整次发射。问题在于,在发射之前,根本无法可靠地检测这个庞然大物是不是能招架得住。

SpaceX在这方面付出了巨大的代价。

2006:第一次发射——失败;

2007:第二次发射——失败;

2008:第三次发射——失败;

时运不济。

导致失败的都是小问题。一个锈掉的螺母在压力之下失去了作用,火箭中的液体晃动得太厉害,火箭多级分离过程当中一级引擎晚关闭了几秒……哪怕99.9%都正常运转,只要剩下的0.1%出问题都会导致火箭爆炸,发射失败。太空之梦实现起来困难重重。

每一个具有火箭发射能力的政府或者公司都经历过失败,这是在所难免的。正常情况下,只要深呼吸,卷起袖子,找到哪里出了问题,然后进行下一次发射就可以了。但是SpaceX的境况不同,这家公司的资金只够进行“三四次发射”,在前三次都失败了之后,他们只剩下一次机会。第四次发射被安排在第三次之后不到两个月,这是最后一搏。

马斯克的朋友阿迪奥·雷西将当时的情况做了这样的描述:“一切都靠这次发射了,命悬一线……如果成功,就是巨大的成功;如果失败,即使是因为很小的问题失败了,也是巨大的失败。没有中间地带。他已经经历了三次失败,差不多已经一切都完了。这件事很可能被编进哈佛商学院的案例教材,富豪选择火箭生意然后输掉了一切。”但是在2008年9月28日,SpaceX进行了第四次发射,并且成功了。他们把一个仿制的有效载荷送上了地球轨道,没有出任何问题。SpaceX成为第二家拥有这项能力的私营公司。同时,“猎鹰1”号也成为历史上成功发射的火箭当中成本效益最优的一个——790万美元,是当时美国最佳选择的1/3不到。

SpaceX的成功引起了美国航空航天局的注意。2008年年底,美国航空航天局打电话给马斯克,说他们愿意给SpaceX提供16亿美元的合同来向国际空间站进行12次物资运送。

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