自动获取到小火箭
北美东部时间5月30日,在肯尼迪航天中心39A发射平台,SpaceX载人火箭DM-2(Demo-2)任务蓄势待发,在经历了5月27日发射取消后,第二次发射让大家显得更加紧张。
尤其是天气条件仍然不乐观,很多人已经做好了明天“再来一次”的准备,不过准备工作依然按部就班进行着,丝毫没有取消的迹象。直到发射前1分钟,听到“确认发射”的命令,所有人都明白即将见证这一历史性时刻。
T+00:01:00,猎鹰9号度过MAX-Q(火箭超音速飞行达到最大动压),并随后恢复最大动力。
T+00:07:20,一级火箭ENTRY BURN(进入大气层启动3个梅林发动机减速)成功,持续时间约30秒左右。
T+00:08:58,一级火箭LANDING BURN(软着陆前点火1个梅林发动机减速)成功,不过落到海上平台“We Still Love You”时信号日常丢失,后续画面传来,回收成功,两位宇航员听到消息兴奋地碰拳。
T+00:12:06,二级火箭分离成功,龙飞船部署(DEPLOY)成功。到这一阶段,意味着整个DM-2任务基本成功了一半。
接下来龙飞船将经历几次点火过程,逐步接近ISS(国际空间站),并在北京时间5月31日22点27分开始对接ISS,开舱门会在6月1日零点45分发生,ISS欢迎仪式则会在6月1日凌晨1点15分开始。
DM-2为DM-1的后续任务,是NASA与SpaceX签订的CCP(Commercial Crew Program,国际空间站人员运输项目)合同的两个前置发射任务。DM-1为同样硬件配置,执行同样流程,只不过龙飞船中只有一个假人。
道格赫尔利出生于1966年10月21日,之前曾两次进入太空,停留时长共683小时,曾执行亚特兰提斯号航天飞机/STS-135任务, 是NASA 航天飞机计划最后一次执飞的驾驶员(2011年7月8日,STS135 奋进号,肯尼迪39A平台发射),此次也是龙飞船的指挥官。
鲍勃本肯出生于1970年7月28日,拥有机械工程博士学位,之前曾两次进入太空,停留时间共计708小时,其中包括太空行走37小时。
在5月27日第一次发射时候,采访提到了SpaceX宇航员衣服,马斯克说:“这套衣服花了3-4年设计,目标是保证使用方便、安全情况下,一定要美观。衣服好不好看真的很重要,我想要达到的目标是小孩子会想要穿这套衣服,让美国重燃航天梦想,每天醒来都兴奋的那种。
此次使用的肯尼迪航天中心39A平台非常有名,历史上阿波罗登月计划就是在这发射的,还有美国航天飞机时期,大部分任务也是在这里执行的。
毕竟特斯拉是自己的公司,所以接送宇航员到发射台的车辆为特斯拉Model X,并印上了著名的NASA蠕虫标志,车牌为ISSBND(ISS Bound)。
载人飞船为Dragon 2(载人龙飞船),上半部分为加压乘员舱,能够乘坐最多7人,下半部分深色为太阳能电池板,为未加压的货物舱。
●全世界第9款载人飞船发射(苏联东方号飞船、美国水星号飞船、苏联上升号飞船、美国双子座飞船、苏联联盟号飞船、美国阿波罗飞船、美国航天飞机、中国神舟飞船之后)
自2011年美国航天飞机退役后,美国失去了发射载人火箭的能力。SpaceX此次DM-2任务成功意味着美国载人航天可以不再受俄罗斯联盟号限制、商业载人航天将迈入新纪元、载人航天发射成本将会大幅降低……而这些都与这家“小公司”SpaceX有关。
2002年10月,eBay花费近15亿美元收购了PayPal公司,最大股东马斯克因此获得了1.8亿美金,并在同年5月创立了SpaceX公司。
马斯克梦想的起点来源于小时候看过的《The Hitchhikers Guide to the Galax》(银河系漫游指南),并在2001年逐步将“火星绿洲”(Mars Oasis)设想具象化,想要未来在火星建立生存家园,但他发现美国现役的火箭都太贵了。
所以在2001年马斯克就曾前往俄罗斯,希望购买退役洲际导弹改装的火箭来作为起步,然而多次商谈后他认为俄罗斯报价过高,最终放弃。
回去后马斯克认真琢磨了一下这件事,发现造火箭好像并不是很难,原材料价格约占当时火箭售价的3%,所以如果自己制造就能极大降低生产成本。于是在拿到PayPal的收购款后,立即拿出了1亿美金并吸收了外部约1亿美金建立了SpaceX公司。
2006年,Merlin(梅林) 1A发动机研制成功,Falcon 1(猎鹰1号)火箭研制成功。
然而不幸的是,2006年3月24日、2007年3月20日、2008年8月2日,Falcon 1三次试发射全部失败,SpaceX经费见底,且同时特斯拉也遇到Roadster交付问题的危机,马斯克几乎是“梦悬一线年的金融危机)
好在2008年9月28日SpaceX终于成功发射了Falcon 1,成为世界上第一个实现火箭发射入轨的私营商业航天公司。(距离第三次发射失败仅有一个多月)
2009年7月14日,SpaceX完成了全球首枚私营火箭成功将商业卫星送入轨道(Falcon 1)。
2010年6月4日,Falcon 9(猎鹰9号)试飞成功;2010年12月8日,搭载着龙飞船的猎鹰9号发射成功,标志着全球首个私营研制宇宙飞船成功发射入轨和回收。并决定2012年正式开始为NASA向ISS(国际空间站)提供货运服务,NASA见此势立即追加了4.4亿美元投资。
2012年,SpaceX开始与美国军方接触,签署了诸多例如GPS卫星的发射任务;2012年5月25日,龙飞船首次对接ISS(机械臂对接,非全自动),SpaceX成为全球首家向ISS发送飞船的私人公司。
2013年,SpaceX火箭回收项目Grasshopper 测试飞行成功,并实现了744米飞行,包括悬停和安全着陆。也是在该年,SpaceX成为全球首家私营公司成功发射地球同步轨道卫星。
2015年,SpaceX首次实现了Falcon 9火箭安全在陆地软着陆;与此同时,Google看到了这家公司的潜力,尤其是在此时SpaceX宣布的“星链计划”,所以投资了近10亿美金。
2016年,SpaceX首次实现了Falcon 9火箭安全在海上平台软着陆。并且在此期间由于Falcon 9的低发射成本以及数次发射的高成功率,吸引了不少商业发射任务,终于在这一年实现了盈利。
2017年,SpaceX发射18次,100%成功发射、100%成功回收一级火箭(排除4次发射时考虑搭载货物载荷过重主动放弃),实现全球首次重复使用、垂直回收轨道级火箭,全球首个太空飞船重复使用(货物龙飞船)。
2018年2月6日,SpaceX成功发射了Falcon Heavy重型猎鹰,就是搭载着SpaceX宇航服假人(Starman)坐在特斯拉Roadster飞往火星那次,同时完成了2个助推火箭陆地回收,可惜的是芯级火箭二次反冲点火失败,最终落在了海上平台“We Still Love You”旁边的海里。实现全球首家私营公司将航天器(特斯拉Roadster轿车)送入日心轨道。
2018年11月,SpaceX的“星链计划”在美国联邦通信委员会投票通过,并计划从2019年开始发射,总规划7518颗卫星。
2019年3月3日,SpaceX为CCP任务的试发射任务DM-1(这次为DM-2),载有SpaceX宇航服的假人乘坐Crew Dragon载人龙飞船抵达ISS,并安全返回。成为全球首家私营公司发射载人飞船,且是美国第一个与国际空间站自动对接的飞船。
从2005年到2019年的14年中,SpaceX共研发制造了v1.0、v1.1、v1.2 Block 3、v1.2 Block 4和v1.2 Block 5这5种版本的Falcon 9,同步转移轨道运载能力从4.5吨一路提升到8.3吨,并且即便在回收一级助推器的情况下依然有5.3吨的同步转移轨道运力。这其中即便是同一个型号,也存在各种细节的改善和优化。
与此同时,Falcon 9全部火箭的发射成功率是97.1%(且失败仅出现在早期阶段),回收的成功率有83%,回收后的火箭复用成功率为100%。
2002年至2020年,不到18年时间里,SpaceX实现了第一个民营航天公司以液体为燃料成功发射火箭入轨、世界第一个实现火箭回收并可重复利用火箭、第一个民营航天公司的飞船访问国际空间站……包括今天的全球私营太空公司载人航天第一飞、美国乃至全球商业载人航天新时代第一飞、2011年航天飞机退役后美国本土载人航天发射第一飞……
自马斯克开始被媒体关注以来,关于他的争议就未曾停止过,所以自然而然他的公司也难逃此劫。特斯拉、Solarcity、Boring Tunnel、Neuralink无一例外,从创办之初到如今,饱受着各种争议。
尤其是SpaceX,一个名不见经传的小公司,随着一次次的成为,不禁令人心生怀疑:“SpaceX成立才多少年,能做到这么多成就,肯定是NASA给予的帮助,本质上SpaceX就是一家披着私营外衣的国家企业。”
首先,SpaceX和NASA关系的确很好,马斯克不只一次面对采访时曾说过自己的密码就是:“ILOVENASA”。不过两者只是合作关系,并且由于SpaceX的努力,NASA现在非常喜欢与SpaceX合作。
NASA全称The National Aeronautics and Space Administration,即美国国家航空和航天局,这个机构成立于1958年,是国家航空咨询委员会(NACA)的继承者,目的是鼓励和刺激太空科技的发展。不过真正的目的在于比苏联更早掌握航天技术,所以NASA得到了非常多的资金支持,历史上有名的阿波罗登月计划、国际空间站(ISS)、Skylab空间站、航天飞机等多个任务都是由NASA领导的。
不过注意,NASA并不是美国火箭发射提供商,本质上它是一个研究机构,真正具体造火箭需要与承包商合作,早期的火箭和太空运载技术是NASA研发的,不过后来逐渐转移给了波音和洛马(洛克希德马丁)等公司。
过去NASA执行的是Cost Plus Contracting合作模式,即NASA雇用某公司制造火箭的某一个部分,在成本基础上加入利润部分,保证承包商的积极程度和速度。这种模式源自于二战时期,原因也很简单,不惜代价尽快拿到成品用于战场。不过问题是如果NASA要更改最初要求,那么承包商将需要在短期内对同一个项目进行多次修改,因此也能获得几倍的付款。不过在冷战时期,这些代价都是可以接受的。
然而随着冷战结束后,NASA的预算一减再减,难以支撑预算庞大的航天项目,于是他们想到了吸收社会资本的方法。
在此之前,美国的太空发射业务一直是被波音和洛马公司垄断,并且两家公司后来(2006年)还合资成立了联合发射联盟(ULA,United Launch Alliance),包揽了美国军方、NASA和政府机构的火箭发射任务,成为了暴力行业。
然而一旦产生垄断,就会有诸多离谱的事情发生,离谱的价格、离谱的交付期。于是逐渐各方开始对火箭发射成本不满,最关键的改变节点来自于小布什和奥巴马的新政策,《国家航天运输政策》、《美国国家航天政策》。
例如奥巴马曾在2010年向国会提交2011财年预算案,有数十亿美元用于鼓励私人企业为NASA制造、发射、运营太空飞行器,即NASA之后不再为宇航员打造往返太空于地球之前的航天器,而是采用租赁形式。
所以后来NASA采用了Fixed Price Contracting合作模式,即预算是有限的,合作公司需要自己考量能否在这个价格下赚钱,并接受合同。
2006年,NASA应政策倾向和寻找商业化合作出路,COTS(Commercial Orbital Transportation Services,商业轨道运输服务)应运而生,当时通过争取,有两家公司经过多轮考验最终入选:Orbital ATK和SpaceX,并且SpaceX因此获得2.78亿美元投资,后来于2011年追加投资至3.96亿美元,用于研发猎鹰9号和龙飞船(包括载人版)。
SpaceX一直以来的目标就是“殖民火星”,而要实现这一目标,降低发射成本是最重要的基础。而低成本,正是NASA看重SpaceX的根本原因。
举个简单的例子,1970年至2000年之间,向太空发射一公斤的成本大约在18500美元自动获取到小火箭,当年美国航天飞机投入运行时,每公斤合54500美元。而对于SpaceX猎鹰9号来说,用于进入ISS的火箭成本仅为每公斤2720美元。如今新猎鹰9号发射一次需要6200万美元,如果用回收的火箭价格降至5000万美元,远低于其他公司报价。
再举个形象的例子,重型猎鹰(Falcon Heavy)具有与ULA宇宙神5(Atlas 5)和重型德尔塔4(Delta Heavy)的实力,仅需9000万美元即可完成任务;重型德尔塔每次发射则需要4亿美元,宇宙神5需要1.5亿美元左右。
如果SpaceX仅仅是报价低也就罢了,发射成功率也非常高。所以NASA才会在之后先后与SpaceX签定CRS、CCP合同。
NASA给SpaceX资金支持的确不少,但是大部分款项都是合同款,并不是免费白给的资源。但是NASA并非只与SpaceX合作,这么多年来,除了波音、洛马、ULA巨头外,与NASA合作过、NASA投过钱的公司有几十家,但这毕竟是生意,选择SpaceX,少花钱、实现一样的效果,NASA何乐而不为。
尤其是美国在2011年太空飞机退役后,失去了运输宇航员进太空的能力,而此后一直依赖的俄罗斯联盟号票价一张再涨,并且还是俄罗斯掌握的技术。选择SpaceX不仅只需要5800万美元/次/人,还能够重整美国航天工业,以及美国信心。
或许有人会说:“就算NASA不是白给的资金,技术也都是NASA给的,否则SpaceX不可能在这么短时间里实现如此多惊人的成果。”
诚然,表面上看SpaceX并没有采用什么“曲率推进器”级别的黑科技创新,甚至目前主力火箭发动机Merlin的只是液氧煤油发动机。但这并不代表SpaceX就没有自己的技术,SpaceX自己研发的Merlin发动机具有推重比高、比冲不差、造价极低等优点,以及大量Merlin发动机并联技术,这些都是SpaceX自己努力得来的。
再举个例子,火箭垂直降落技术,如果说这是来自NASA的技术支持,那么为什么NASA不给那些“亲儿子”?
注:波音的SLS重型运载火箭于2011年宣布开始研发,原定2016年首飞,结果一拖再拖,研发经费和发射费用一张再涨,运力一缩再缩。发射时间推迟至2021年,单次发射费用从4亿美元飙升至15亿~20亿一次,运力水平将至75吨(LEO)。SLS火箭尚未首飞,已经花费了100多亿美元,即便如此,NASA还在拨款,这才叫“亲儿子”。
当年SpaceX说自己要研发火箭回收技术时,不仅被ULA嘲讽,还要被利益相关的政治家嘲笑;结果2019年当SpaceX拿着回收火箭复用100%成功率的成绩单时,不仅让“亲儿子”难以面对,还以更低的发射价格收获了大量订单(17个国家的卫星订单共64个卫星发射订单)。
这些其实仅仅是SpaceX自己技术实力展现的一角,还有诸多电子控制、材料创新、工程设计等多方面的创新和创举,例如正在测试全流量补燃循环Raptor发动机,很有可能成为世界上第一款实际投入使用的液氧甲烷发动机。
2002年,马斯克找到了汤姆穆勒(Tom Mueller),并在获得他同意加入的意向后,SpaceX正式成立。穆勒曾经在TRW Automotive(Thompson Ramo Wooldridge)公司工作了15年,曾主导过海平面推力近300吨的液氧液氢发动机TR-106,其性能可谓是世界最顶级火箭发动机之一。
这个人还曾在自家车库里造过一台火箭发动机。穆勒现在的名片上起码要印上:SpaceX创始人、副总裁、推进系统部门CTO、Merlin发动机和Raptor发动机总工程师。
其一,美国的人才市场。当年美国对太空领域狂热之时,有很多人受此影响,纷纷追随着太空领域脚步。例如当年阿波罗计划中,有将近40万人参与其中,很多小孩子的梦想就是当宇航员或者造火箭。
然而后来由于这些项目太过于耗钱,象征性的成就(登月)也已经完成,或者冷战时期的军备竞争结束后,国会并没有继续再无止尽资金支持的必要,导致大量人才无处可去。还有例如太空飞机项目2011年退役后,很多火箭人才亟需“伯乐”出现。
所以此时有大量人才从NASA等地方出走,寻找实现梦想的地方。而恰巧马斯克就是一个手握资金想要实现“不可能”梦想的人,并且这位老大是个天才,面对英国记者连续一个多小时的天文天体、物理原理、火箭技术等问题,对答如流。
注:马斯克在SpaceX的头衔是总工程师Chief Engineering,虽然他不可能与穆勒相比,但他依靠极强的自学能力,早期SpaceX的诸多设计都有他参与,无论是软件还是硬件方面。
要知道,美国可是在20世纪70年代就实现了登月的国家,在这片土地上,人才储备和工业基础充沛,商业化的产业需求庞大,从而产生一个闭循环后使得航天事业前景美好。根据调查,2019年美国毕业生,最想去的科技公司中排名第一的就是SpaceX,第二名是Tesl,第三名是Google。
注:艾伦谢泼德 1961年升空进入太空,尼尔阿姆斯特朗 1969年踏足月球。
当然,这样的大环境对于美国所有航天公司而言都是一样的,并不能说明SpaceX成功的决定性因素——人和。
之所以SpaceX在如此短的时间里进步飞速,并不是自己过于优秀,而是其他人太慢了。SpaceX发展模式根本不是传统的研制流程,压根不是制造业的开发模式,而是采用像互联网公司那样迭代软件的方式。
从Grosshopper测试返场飞行到Falcon 9火箭首次软着陆成功只用了2年,从5吨GEO到20吨GEO火箭改良优化只花费了3年,Merlin发动机从玩具一样到超强推重比只用了5年,从龙飞船(货物)到载人龙只用了3年,从BFR开始研发到Raptor发动机达到需求只用了3年。
SpaceX的研发方式,本质上一个软件开发流程,即一个大工程目标下,需要每一个岗位的人时刻高效率的工作,信息共享、技术共享,所有部门协同一起推进,且对改变优化应对迅速。
只要研发过程中发现问题,就尽快沟通、改进、测试,而不是花费大量时间商讨新方案的可行性、追究谁的责任错误,再动手去实践。一位SpaceX工程师曾说:“我们能在一周能改进设计并在火箭上实现出来。”
这样研发思路下,SpaceX产品的进步速度令人难以置信,如同手机软件升级速度一般。但是想要实现这样一套工作流,并非只是制度上有些改变就行,而是产业垂直集成化和一位集愿景和技术一身的决策人,即臭鼬工厂模式。
一个顶级的全能型独裁者拳拳负责构架和所有部分的决策,他不需要搞所有的细节,但知道所有部分的产出结果是否符合要求,出现问题该朝哪个方向解决,哪里能妥协,哪里不能。
SpaceX从发动机、火箭制造,再到测试,全部都由自己来做。之前马斯克曾讲过,他们在与不少供应商谈生意时,发现最终不仅要花费更多成本,还需要耗费大量时间等待供应商研发,最终不得不自己动手来做。这样就具有了极大自主权,在遇到优化和改变时,很多时候不需要依靠别人的能力,而是自己在工厂内部就能解决。
另一方面,马斯克不仅目标清晰坚定,且拥有技术储备。马斯克对SpaceX的目标非常清晰,也正是在这样的目标下,整个公司的发展都遵循着这条道路:“移民火星”。所以低成本、复用、能够在火星上行得通等基础要求从来没变过,所以才有了猎鹰系列火箭的可靠性和回收技术、才选择了甲烷这种可以在火星制造的物质作为Raptor发动机的燃料。
在进入SpaceX的5轮面试中,其中就有马斯克亲自面试的技术面阶段(后来太耽误时间,就让别人去面了);另外在一次电台节目中,一位SpaceX的工程师被问到平时工作时与马斯克有聊过什么内容,他的回答是:“很多次与马斯克交流,全部都集中在工作本身,马斯克会问我很多关于技术细节的东西,以及提一些想法向我征求意见,从来没什么时间交流其他方面。”
两者加在一起的结果就是,马斯克能够果断决定方案,即便SpaceX也需要开会商讨问题,但马斯克依靠清晰的目标和技术基础,下达准确的命令。比如Falcon 1在第三次失败后,很多工程师提议推迟几个月再发射,而马斯克在向所有工程师了解情况后,明确说出哪里可能出错,并决定一个多月后就执行发射,结果是Falcon 1在第四次发生获得全面成功。
本质上SpaceX因为没有经验所以也就没有历史包袱。大胆采用快速迭代的敏捷开发加快技术进度,大量使用已有的技术并优化提升,从而降低成本并缩短开发周期。马斯克很清楚自己想做什么,从降低成本为出发点,做到了很多别人敢想但不敢做的事情。
所以对于SpaceX而言,每次失败都仅仅是一次迭代过程,比如今天刚刚发生的测试项目SN4发生爆炸,SpaceX非常平静。不信你查一查历史材料,SpaceX自黑自己曾经的失败,已经不是一两次了。
其实回望马斯克的公司成功之道,都逃不过一套原理:充分挖掘完全成熟的技术成果,加上迅速迭代创新和改进,就能完成很多“不可能”的任务。PayPal如是,特斯拉如是,Spacex更如是,只不过这些都需要一位不惜“一败涂地”的、拥有大量知识储备的富豪,才最终实现。
曾经与马斯克共事多年的Jim Cantrell在Quora回答一道关于“SpaceX”问题时,这样说道:“曾经SpaceX处于我看不到未来成功希望的阶段,然后我放弃离开了,马斯克并没有放弃,然后成功了。”
他认为马斯克能够成功最大的原因在于“一切向成功目标努力”,即无论路途中多么艰辛,有多大可能会失败,但是所有的策略和方向都是以“成功”为唯一目标考虑。
举个例子,生活中遇到很多人共事时,虽然都会提出某个方案的不可行处或者失败率,但是相对成功的那类人会考虑“如何克服处理这些麻烦”,最终达到目的地,而大部分人则是遇到困难时,要么放弃、要么换目标。
这其中微妙的不同之处在于,有些客观存在的难题,如果以“成功”为唯一目标,那么其中遇到所有的问题你都会积极去面对处理,将一切精力和能力用在关键地方;而另一种则会动摇目标,以可能遇到的困难和高失败率,放弃离开。
比如特斯拉起步之时,他的目标很简单:电动车能比燃油车好。然后面对客观的诸多困难,用既有的商业技术,通过技术创新和优化,逐步按照计划打造成为了世界上电动汽车的老大。
SpaceX之所以能够一步步走到今天,当然离不开美国的大环境、离不开诸多人才努力,但马斯克能将这一切几乎大家都能看到和利用的资源,通过自己能力“整合”和管理,最终实现诸多惊人的成就,与他本人有着密不可分的关系。
“2002年5月1日,我们创立了SpaceX,Elon在二月份成立了我理想中的公司……我们制造了只有一台Merlin引擎的猎鹰1,可以向LEO运载大约1000磅载荷。 有人人说,你们最多只能造一个小火箭,但是你永远不可能造一个EELV级别的EELV任务级火箭。所以我们建造了猎鹰9,并开始飞行。有人说说你永远不能复用它,你永远无法到达太空站。
在某些时候,你会停止听其他人的流言蜚语。我认为这是很棒的事,你知道,如果人们认为你在做什么是不可能的,那么你就是在做正确的事情。”
面对质疑、面对冷嘲热讽,马斯克一次又一次实现了自己曾经吹下的牛,或许有生之年见到Starship舰队飞往火星真的不是梦。
“地球是人类的摇篮,但是人类不会永远生活在摇篮里,开始他们将小心翼翼地穿出大气层,然后去征服太阳系。”