SpaceX 的秘密武器：能承受一次次爆炸
當地時間4 月20 日早9 點33 分，SpaceX 的Starship 太空船從德克薩斯州南部的一座發射場緩緩升空。近4 分鐘後，太空船和火箭一同炸毀。但爆炸後，SpaceX 總部大樓傳出了歡呼聲，還有人開了一瓶香檳。
能讓120 米高、人類所建造的最大火箭擺脫地心引力，不在發射台上爆炸，已經是成功。而Starship 起飛後大約一分鐘，成功經歷了最大氣動壓力點（Max Q）——火箭發射裡的最重要階段之一，意味著它承受住了衝破大氣層的壓力。
一枚新火箭發射失敗、尤其是爆炸解體後，通常需要一年或更長時間才能為第二次發射做好準備。但SpaceX 的計劃是，“幾個月後”，再來一次。
SpaceX 已經向Starship 投入30 億美元，其中一部分投入是建立Starship 飛船和Super Heavy 火箭的生產工廠。今年初，SpaceX 創始人馬斯克說年內將造5 套飛船和火箭。在Starship 發射台附近，就矗立著另一枚Super Heavy 火箭。
如果算上原型，這是Starship 的第九次爆炸。這也是SpaceX 第二次嘗試發射全新火箭失敗。更早，在SpaceX 成立之初，第一枚火箭進入軌道前，爆炸了三次。這家商業公司能承受高頻率的失敗，並在每次失敗後讓自己變得更強。
在一次次爆炸中，SpaceX 已經完成了前所未有的技術突破——火箭發射後自行降落回收，徹底改變了以政府機構為主導的航天業格局。目前SpaceX 是每年全球發射火箭最多的機構，幫美國宇航局（NASA）用更低成本維繫空間站，用數千枚Starlink 衛星搭建了地球上新的通信系統。今天在美國送一噸設備進太空的成本比1990 年代末，NASA 主導的時期，便宜了近九成。
不論是在地球周圍用衛星搭建基礎設施，還是飛往更遠的未來，都需要讓火箭送更重的物資上太空。此前荷載最多的火箭是美國1960 年代為登月建的土星5 號。
若Starship 成功入軌，就意味著一個商業公司，用登月計劃2% 的費用，做出了人類歷史上最大、一次往太空中運輸物資最多的太空飛船和火箭發射系統，而且發射成本可能低到百萬美元，開啟人類太空探索的新階段。
01 SpaceX 的超能力——窮
相對於NASA 這樣的政府機構，SpaceX 的超能力是窮。
NASA 曾以驚人的速度實現了美國總統肯尼迪許諾的登月願景——從1961 年5 月肯尼迪向國會宣佈到1969 年首次登月，歷時8 年。
《阿波羅是如何飛到月球的》一書中評價，阿波羅計劃是用20 世紀的技術實現21 世紀探險的典範，它提前了兩代人的時間。
阿波羅計劃期間，美國政府給NASA 的投入稱得上不設上限——數千名科學家和超過40 萬工人加入其中，消耗250 億美元（幣值相當於如今超過1500 億美元）。沒有強大的計算機和精密的儀器，NASA 用繁瑣的步驟拼湊出登月的必要條件。
即便是冷戰結束，NASA 的預算大減，每年依然有200 億美元。而SpaceX 成立21 年只籌了近百億美元資金。
2022 年，牛津大學三位學者分析了NASA 和SpaceX 的203 次太空任務，發現SpaceX 的火箭研發成本只有NASA 的十分之一，研發速度快兩倍。
他們認為主要是出發點不同。作為政府機構，NASA 只要靠實現超前的項目展現國家技術實力，做的都是沒有規模化效應的一次性項目，不可複用，難以持續。而SpaceX 作為商業機構，想靠有限的資金頻繁進入太空，必須盡可能降低成本，完成平台化。
“每次飛行後扔掉價值數百萬美元的火箭，就像每次飛行後扔掉一架波音747 一樣。”馬斯克認為，可複用是航天事業商業化的關鍵。太空飛行需求少的原因是價格貴得離譜，價格便宜就有需求，有需求商業就成立，商業能成立，整個技術的研發就可持續。
這想法並不稀罕，現代工業都是平台化，降低單位建造、使用成本，激發更多需求。但航天探索長期被計劃和指令，而非市場主導，來自財政撥款的機構往往缺少對效率的極致追求。
用獵鷹1 號證明SpaceX 可以往太空中發射火箭後，馬斯克就將火箭回收當作必須實現的目標。之前從未有機構實現過這樣的壯舉，現在也少有機構可以做到。
SpaceX 嘗試5 年把它變成現實，獲得巨大回報。SpaceX 的一位發言人說，SpaceX 翻新並再次利用火箭的成本，遠遠低於從頭造一枚火箭的一半成本。
去年SpaceX 的獵鷹9 號火箭發射一次的價格為6700 萬美元。而NASA 主導的火箭項目，每次發射的成本會到上億甚至數億美元。便宜的價格幫SpaceX 吸引大量客戶。去年歐美國家發射了84 次火箭，超過70% 靠SpaceX 。
馬斯克認為，想造出可用的火箭，唯一方法就是反複試驗，然後快速迭代，逼近最正確的設計方案。獵鷹9 號成功回收前，發射過20 次火箭。而這次Starship 測試發射前，SpaceX 至少測了10 艘不同的Starship，炸毀8 艘。
此前的航天探索中，這樣的折損基本不可能存在，也承受不起。傳統的航天機構更傾向在製造火箭前，花數年時間和大量資金完善設計方案，盡可能避免爆炸。
在實驗階段的一次次失敗後，SpaceX 得到了可靠且便宜的火箭，吸引到了大量商業訂單。去年SpaceX 61 次發射，成功率100%，於是在一款火箭的生命週期裡，失敗率就非常低了。
火箭回收僅僅是降低成本的一個環節。就像在特斯拉做的那樣，過去二十多年，馬斯克將極致削減成本的理念帶到了開發火箭的每一個環節。
02 用更便宜的解決辦法 哪怕更笨重
現在許多火箭的主體都用碳纖維複合材料製造，它能承受火箭衝破大氣層時產生的高壓，不輕易變形。更關鍵的是，它還足夠輕，可以有效降低火箭自身重量，讓火箭沖向太空時多帶點東西，或少用點燃料。
SpaceX 試過用碳纖維複合材料當Starship 火箭的外殼，但製造幾個大型部件後放棄。它不耐高熱，溫度超過200 度，碳纖維複合材料的強度會直線下降，想用得加隔熱層，這會增加火箭製造難度和成本。而且碳纖維複合材料很貴，市場價每公斤130 美元。
這與SpaceX 快速且低成本地製造火箭理念相悖。SpaceX 選了更便宜的不銹鋼當火箭主要外殼架構，馬斯克說這是“SpaceX 做出的最佳設計決策”。
不銹鋼最大的問題是重。2019 年，SpaceX 用不銹鋼製造的Starship 原型重200 噸，如果用碳纖維複合材料製造，粗略估算會減到40 噸。但不銹鋼足夠便宜，每公斤大概只要4 美元。SpaceX 犧牲載重，能在一艘Starship 上省掉超400 萬美元。
用了更重的不銹鋼，SpaceX 想盡一切辦法削減火箭的重量。不銹鋼耐高溫，SpaceX 就只在火箭與大氣層有接觸的部分加隔熱罩，其他地方不用。SpaceX 不給火箭噴漆，也能夠減輕部分重量。這次發射前，如果你放大畫面看發射架上的火箭，可以清晰地看到焊接痕跡。三年迭代，SpaceX 把Starship 的重量從200 噸減到了120 噸。
類似的選擇不只在火箭外部材料，內部元件也一樣。
火箭進入太空後，太陽輻射可能會導致計算機系統中的比特翻轉，例如從0 變成1，讓計算機處理器出錯。傳統的做法是採購專門為高輻射環境研發的計算機設備，成本極高。
曾擔任SpaceX 分管飛行可靠性負責人的漢斯·科尼格斯曼（Hans Koenigsmann）接受采訪時提到過自己與馬斯克相同的理念：如果能用500 美元的計算機解決，為什麼要花500 萬美元？
SpaceX 量產的獵鷹9 號火箭上，每一枚都裝有三台雙核x86 的計算機，每台計算機中的兩個核各自運行一套飛行控制軟件。飛行全程，只要三台計算機有一台能正常工作，就不會出問題。類似的，被獵鷹9 號送進太空的龍飛船，也做了類似的冗餘設計。
03 製造火箭的同時，也在製造工廠
全世界每年只生產上百台火箭，像Starship 這樣的火箭更少，上一個與它體型、載荷、推力接近的火箭是NASA 去年發射的SLS，過去十多年只產了1 枚。
但推進Starship 項目時，馬斯克希望像汽車行業那樣，建一條高效的流水線——保證一頭送進去零件，另一頭能出來火箭。
為了節省成本，SpaceX 沒用混凝土建廠房，在美國得州的基地Starbase 搭了許多大帳篷。美國知名航天記者埃里克·伯格（Eric Berger）感慨，這地方就像珍珠港事件幾週後的美國海軍造船廠。
每生產一枚火箭，SpaceX 就會迭代流水線，提高效率、縮短製造時間。2019 年，SpaceX 的工程師和技術人員製造第一艘Starship 原型用了8 個月。半年後，SpaceX 只用1 個月的時間，就能造一艘Starship 原型。
SpaceX 設計火箭時，會盡可能複用零部件。Starship 的外殼主體由數十個高兩米、直徑九米的不銹鋼“大桶” 焊接組成。這些不銹鋼桶也是Super Heavy 火箭的外殼主體。馬斯克說，它只是更長、底部有更多發動機的Starship 燃料箱：“建一條Starship 流水線時，你基本上也有了一個生產Super Heavy 的流水線。”
04 用更多小發動機 而不是研發更巨型的發動機
Starship 能成為人類歷史上推力最強的火箭，並不是因為它的發動機更強。它使用的猛禽發動機，推力剛達到1970 年代美國航天飛機上使用的RS-25 發動機的水平，只有土星五號上發動機F-1 的1/3。
但SpaceX 用得多。Starship 上有6 台猛禽發動機。一枚Super Heavy 火箭上有33 台猛禽發動機。在傳統的火箭設計中，用更多發動機並不是最優選。每個發動機都是一隻鋼鐵巨獸，控制一個就很難，想要控制一群，難度會急劇上升。
典型的例子是蘇聯的N1 火箭，為了超越土星五號，蘇聯的工程師在N1 上裝了30 台發動機，理論上推力達到歷史巔峰。但由於發動機太多，無法同時點火，或更好地調整方向。N1 火箭發射4 次，炸毀4 次。蘇聯因此擱置登月計劃。
2018 年2 月，SpaceX 第一次發射有27 台發動機的獵鷹重型火箭時，馬斯克說SpaceX 不會重蹈N1 火箭覆轍，他們會做得更好。
SpaceX 的一部分底氣來自蘇聯沒趕上的計算機發展——特別是GPU。2015 年3 月，SpaceX 的工程師展示了他們開發猛禽發動機時怎麼用GPU 驅動做仿真測試。
SpaceX 的工程師會模擬發動機運轉時發生的狀況，尋找潛在的問題，比如燃料沒能充分燃燒時，發動機會不停顫抖，導致火箭飛行不穩定，嚴重時會讓整個火箭無法載重飛行甚至解體。現有技術沒辦法在發動機運轉時給它做“核磁共振”，用軟件模擬每一個部位的狀態，是成本最低、最適合的方法。
馬斯克說，SpaceX 在火箭上用更多發動機類似現代的計算機系統，Google 或亞馬遜用了大量小型計算機，就算有計算機出現故障，也不會影響使用。如果它們只用一台或幾台大型計算機，但凡出現宕機，整個系統就會停擺，“火箭發動機也是如此。就算獵鷹重型火箭上有6 台發動機出現故障，它還是能進軌道。”
這次Starship 升空時，雖然有3 台發動機沒有工作，但並沒有影響它繼續向上。計算機快速調整其他發動機盡力保持飛行穩定。
用更多小發動機，能讓SpaceX 更省錢。往太空發更大的火箭，帶更多貨物或者人時，他們不用投入大量的時間、人才和金錢研發推力更強大、創造歷史紀錄的發動機。SpaceX 沒有為載重更多的獵鷹重型火箭研發新發動機，而是直接用3 枚獵鷹9 號當作助推器，一共27 台發動機。
造更多發動機也可以攤薄SpaceX 的成本，讓流水線運轉更有效率。2015 年，NASA 撥款11.6 億美元，讓美國的航空與國防公司Aerojet Rocketdyne 重啟RS-25 發動機的製造線，為重返月球計劃中的SLS 火箭供應發動機，年產能是四台，每台成本上億美元——一次即報廢。
到了2022 年11 月，SpaceX 生產同樣數量的猛禽發動機只需要不到一周的時間，每台成本百萬美元，馬斯克希望未來降低到數十萬美元。NASA 副局長馬克·基拉西奇（Mark Kirasich）說，SpaceX 持續迭代猛禽發動機，提高性能和推力的同時，減少零件數量，讓製造和測試的時間更短，“他們現在每週能造七台發動機。”
2010 年，阿波羅計劃終止近40 年後，仍是少數政府控制著航天活動，俄羅斯是地球上發射火箭最多的國家，美國宇航局的主力是即將退役的航天飛機。它們的重心不再是去往更遠的地方，而是環繞著地球部署衛星。現實和曾經的奇蹟相距甚遠，以至許多人懷疑人類是否真的到過月球。
“1969 年，人類去了月球。然後我們有了航天飛機，只能把人送到低軌道。然後航天飛機也退休了。” 2017 年4 月，馬斯克參加TED 大會說，“人們有個錯誤的觀念：技術自己就會前進。技術是不會自動前進，甚至經常退化。只有很多人一起努力才能讓它變好。”（LatePost）