目標(biāo)，火星文明
——SpaceX公司的黑科技之路

文/ 土星5號

▲ 通過長曝光鏡頭拍攝到的“獵鷹9”第一級回收兩次點火

不管是不是航天界的愛好者，現(xiàn)在幾乎每個人都知道太空探索技術(shù)公司（以下簡稱SpaceX公司）。然而在16年前的2002年5月6日，當(dāng)一個叫做“太空探索技術(shù)公司”的企業(yè)在加利福尼亞埃爾塞貢多市的一座倉庫里成立時，恐怕兩位創(chuàng)始人馬斯克和穆勒都不會想到在16年后的今天會有如此高的知名度，更不會想到太空探索技術(shù)公司會徹底改變商業(yè)航天發(fā)射市場格局。在美國人的語言習(xí)慣中，如果一項技術(shù)太復(fù)雜，常會以rocket science（火箭科技）來指代，因而當(dāng)太空探索技術(shù)公司作為私人航天公司，宣稱目標(biāo)在于降低太空運輸成本以讓火星殖民成為可能時，絕大多數(shù)人都認(rèn)為馬斯克是在妄想。哪怕在專業(yè)航天人士眼里，太空探索技術(shù)公司作為私人企業(yè)，試圖把大都在科幻片中出現(xiàn)的目標(biāo)帶入現(xiàn)實，未免過于牽強。太空探索技術(shù)公司的“黑科技之路”，便在一片質(zhì)疑聲中邁出了走向太空的第一步。

與眾不同的航天發(fā)射公司

盡管SpaceX公司常被冠以“商業(yè)航天公司”的稱號，但和其他幾乎所有的商業(yè)發(fā)射公司不同，SpaceX公司迄今為止都不是控股制，也就是說沒有什么SpaceX公司股票可買，SpaceX公司也沒有股東，公司運轉(zhuǎn)資金完全來自火箭發(fā)射收入和政府的研發(fā)扶持。按照馬斯克的想法，SpaceX公司和他的另一個公司特斯拉電機(jī)不同，最根本的目的不在于賺錢而在于殖民火星，開創(chuàng)火星文明。因此現(xiàn)階段尚處在研發(fā)路上的SpaceX公司不能被追求經(jīng)濟(jì)利益的股東所糾纏，若要轉(zhuǎn)為控股制，必須要等到公司已經(jīng)具備定期發(fā)射往返地球火星飛船的能力時。這在16年前看似不現(xiàn)實，現(xiàn)在依然看似很遙遠(yuǎn)的最終目標(biāo)，卻正是維持著SpaceX公司6000余名員工的核心理念。

經(jīng)濟(jì)學(xué)上常說若一個物品的價格降低，則購買使用此物品的人數(shù)會增加，因此價格通常和消費量成反比。同理若要把足夠的人員和物資送往火星完成殖民，必須要降低向太空發(fā)射物資的價格，而這正是過去16年SpaceX公司所有“黑科技”的一致努力目標(biāo)。為何SpaceX公司的發(fā)射報價總能低于其他發(fā)射公司？很多的答案認(rèn)為SpaceX公司通過回收第一級火箭的“黑科技”來降低發(fā)射成本，其實這個回答并非完全正確。從衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量便能看出，早在2015年回收成功之前SpaceX公司的發(fā)射量便已在飛速增長，回收成功的2015年太空探索技術(shù)公司占發(fā)射市場份額還因CRS-7的事故略低于2014年?；厥盏谝患壓翢o疑問會進(jìn)一步降低發(fā)射成本，但這并非SpaceX公司大幅度降低發(fā)射價格，并打贏航天發(fā)射價格戰(zhàn)的根本原因。在SpaceX公司創(chuàng)下的諸多“黑科技”中，很少有人注意到還有一項商業(yè)上的“黑科技”，那便是一個幾乎沒有任何外在承包商的航天發(fā)射公司。

▲ 太空探索技術(shù)公司商業(yè)計劃

▲ 從自帶創(chuàng)業(yè)“氣場”的加州倉庫起步，紅箭頭所指的這個看上去像忘記吃藥的31歲青年人就是spaceX公司創(chuàng)始人兼CEO艾隆·馬斯克

獵鷹9火箭除去發(fā)射的載荷外，箭體、整流罩、引擎以及火箭發(fā)射全部由SpaceX公司自行研發(fā)完成，整套從研發(fā)到制造再到發(fā)射的流程中沒有任何一位外在承包商。高度的垂直整合夸張到公司發(fā)射部門和工廠不僅都位于加利福尼亞的霍桑市，還都在同一屋檐下，透過發(fā)射部門控制中心的落地窗甚至可以直接看到旁邊工廠正在生產(chǎn)的火箭箭體。換句話說SpaceX公司擁有火箭發(fā)射流程所需的全部科技、設(shè)計、研發(fā)、制造、整合、遙測等一應(yīng)俱全，不難想像這一路走來全管齊下需要克服多少困難。

如此夸張的高度整合才是SpaceX公司打贏價格戰(zhàn)的真正法寶。而以阿里安-5和宇宙神-5火箭為例，阿里安-5發(fā)射公司為阿里安空間公司，但箭體制造方為空中客車公司國防和太空部，核心級火神引擎則由斯奈克瑪公司研發(fā)制造，而“宇宙神-5”的箭體制造和發(fā)射公司均為聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA），但核心級RD-180引擎購自動力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體（NPO Energomash）和普惠公司組成的合資公司，上面級RL-10引擎和AJ-60A固體燃料推進(jìn)器則購自普惠旗下的洛克達(dá)因公司。由于每一個外在承包商都是相對獨立運轉(zhuǎn)的公司，都需要利潤來養(yǎng)活員工，因此產(chǎn)品售價都會一定程度上高于成本，而每一個承包商的加價都會最終匯總由客戶買單。如果把其他航天發(fā)射公司比作零售商，SpaceX公司則是徹徹底底的批發(fā)商，沒有加價，最終轉(zhuǎn)嫁到購買者頭上的發(fā)射價格自然會大幅度降低。

高度的垂直整合不僅讓SpaceX公司的火箭制造和發(fā)射得以同時進(jìn)行，還可把第一級回收時獲得的大量數(shù)據(jù)快速反饋給工程研發(fā)團(tuán)隊進(jìn)一步完善回收的具體細(xì)節(jié)，也因此SpaceX公司對獵鷹9號火箭的完善不可謂不快。比如針對第一級在發(fā)射地球同步轉(zhuǎn)移軌道載荷返回時空氣摩擦產(chǎn)生的高熱量和高燃料消耗，研發(fā)中的獵鷹9號Block 5將使用隔熱層保護(hù)引擎和箭體，使用更耐熱的鈦合金柵欄翼，以及優(yōu)化箭體飛行控制系統(tǒng)以優(yōu)化第一級返回時的攻角，讓箭體自身產(chǎn)生更多升力以降低減速燃料消耗。鈦合金柵欄翼在2017年6月25日發(fā)射回收時便以完成首次測試，而這距離首次成功回收第一級箭體僅過去了18個月，很難以想像這是總雇員不到萬人的公司的辦事效率。

▲ 可看到新款鈦合金柵欄翼使用后幾乎沒有燒灼痕跡

僅此一家的回收方式

新鈦合金柵欄翼設(shè)計上更為簡潔且更耐用，本質(zhì)上還是為了達(dá)成馬斯克所說的獵鷹9號火箭第一級可在返回后稍加修整，24個小時內(nèi)再次起飛的目標(biāo)?？焖僦貜?fù)使用回收的第一級火箭，是太空探索技術(shù)公司認(rèn)為達(dá)成最終殖民火星的關(guān)鍵。而完成重復(fù)使用的核心，便是“獵鷹9”獨特的“黑科技”——科幻味十足的垂直降落設(shè)計。由于美國所有火箭發(fā)射場均建在海邊，第一級火箭熄火分離時便已在海上，而液體燃料引擎若重復(fù)使用必須要避免被鹽腐蝕，因而不能接觸海水。綜上所述回收的獵鷹9火箭只能掉頭“飛”回陸地或者順飛行彈道降落在駁船上，兩者均需要對飛行方向和箭體方位進(jìn)行精確控制，柵欄翼因此誕生。

▲ 新舊柵欄翼對比

在飛行裝置上柵欄翼的使用其實并不鮮見，蘇聯(lián)的R-77空空導(dǎo)彈，美國的“炸彈之母”自由落體炸彈都使用柵欄翼來完成精確制導(dǎo)。和傳統(tǒng)實體的氣流控制翼面不同，柵欄翼在氣流速度越快時產(chǎn)生阻力越小，因而控制力越弱。在高空高速時稀薄的超音速氣流會直接從柵欄翼的空隙中穿過，降低柵欄翼對氣流方向的控制力。反而低空低速時稠密的跨音速或亞音速氣流會在穿過柵欄翼后形成亂流，提高柵欄翼整體翼面對氣流方向的控制力，進(jìn)而方便控制箭體的飛行方向。排除發(fā)射場的限制因素導(dǎo)致“獵鷹9”需要使用柵欄翼來完成精確降落，其降落方式其實和降落火星，這個太空探索技術(shù)公司必須要完成的任務(wù)有著異曲同工之妙，某種意義上來說“獵鷹9”第一級的回收是對完成殖民火星的最終目標(biāo)進(jìn)行先期的技術(shù)實踐和經(jīng)驗積累。

▲ 由簡單的落地窗隔開的發(fā)射控制中心和火箭工廠

“獵鷹9”第一級火箭的降落可整體分為兩個部分，再入點火和降落點火。根據(jù)載荷的不同，第一級在分離后的速度大約在2000米/秒到2500米/秒的高超音速階段。第一級箭體首先通過反推力系統(tǒng)調(diào)整姿態(tài)使引擎噴口朝向地表，在重力的作用下箭體逐漸加速下落。70余千米的高空大氣稀薄，高速空氣阻力對箭體造成的影響并不大，但若保持高超音速進(jìn)入稠密的低層大氣，箭體會被劇烈的空氣摩擦所燒毀。此時“獵鷹9”重新啟動引擎進(jìn)行大約20秒的再入點火，目標(biāo)在大約40千米的高度時將“獵鷹9”減速到1800米/秒（海上降落）或800米/秒（陸地降落）左右的超音速。進(jìn)入低空大氣后柵欄翼將箭體保持在一定角度的和垂直的傾斜，以便滑翔對準(zhǔn)降落地點的同時，增大箭體迎風(fēng)面來提升箭體自身升力，稠密的大氣會完成剩余的跨音速減速工作并將箭體降到終端速度。最終柵欄翼讓箭體對準(zhǔn)降落地點后，在降落前幾秒將箭體重新改為垂直，此時箭體中央的引擎再次降落點火，將整個“獵鷹9”的第一級逐漸減速到0米/秒，緩慢地降落到地面或駁船上。

若不看第二部分低空的降落點火而只看第一部分高空的再入點火，便會發(fā)現(xiàn)這和火星地表降落及其相似?；鹦堑乇泶髿鈮簽榈厍蚝Ｆ矫娲髿鈮旱?.6%，稀薄的大氣使降落器無法只依賴降落傘產(chǎn)生的空氣阻力減速，必須要使用其他手段才能安全降落?，F(xiàn)階段已知的唯一一種能精確控制降落地點的方法，便是在降落時用火箭逆向噴射減速。“獵鷹9”第一級再入點火均在40-70千米的區(qū)間內(nèi)，此高度大氣壓大約為海平面的0.1%，恰巧是火星高空的大氣壓，同時第一級火箭大約8馬赫的高超音速又恰好是進(jìn)入火星高空大氣時的速度。如此高的相似度不僅讓太空探索技術(shù)公司有了實際高超音速逆向噴射數(shù)據(jù)，就連美國宇航局都開始通過“獵鷹9”第一級的紅外攝影來研究超音速反推時的氣流狀況，以完善火星降落逆向噴射的模型。由于描述氣體等流體的納維-斯托克斯方程沒有常規(guī)解，逆向推進(jìn)的具體氣流情況只能通過風(fēng)洞模擬來實現(xiàn)，“獵鷹9”第一級提供的實際數(shù)據(jù)重要性不言而喻。

▲ 在美國航空航天學(xué)會上發(fā)布的“獵鷹9”超音速反向推進(jìn)的圖

太空探索技術(shù)公司自16年前創(chuàng)立開始便是在許多人眼里很牽強的公司。然而太空探索技術(shù)公司通過清晰的目標(biāo)和不懈的努力，一次又一次通過“黑科技”實現(xiàn)了一個又一個承諾。現(xiàn)在可回收重復(fù)使用的火箭和高度整合的公司，讓太空探索技術(shù)公司開始著手火星殖民的下一個步驟。要殖民火星則先需要能把飛船送往火星的火箭，以及證明太空探索技術(shù)公司能把人類安全送入太空并接回來，于是乎通過并聯(lián)三個“獵鷹9”第一級的獵鷹重型火箭和載人飛船龍2誕生。2018年2月7日太空探索技術(shù)公司通過成功首射獵鷹重型火箭成為擁有現(xiàn)役運力最大的火箭公司，并將在不久會成為第一個將航天員送入太空的私營航天企業(yè)。不過恐怕太空探索技術(shù)公司的每一個員工都清楚，這次離開近地軌道踏入深空的一步，需要更科幻的“黑科技”來克服更大更多的挑戰(zhàn)。