主控芯片成本直降5000倍,看马斯克如何颠覆火箭制造

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主控芯片成本直降5000倍,看马斯克如何颠覆火箭制造

编者按:本文来自微信公众号“机器之能”(ID:almosthuman2017),作者:微胖。

作者 | 微胖

编辑 | 四月

历经各种超乎超人想象的高压与失败,SpaceX终于创造历史,并且相比传统航天飞船成本直降5000多倍。

某种程度而言,这是美国版「新基建」一个重大的里程碑,通过促进低地球轨道空间生态系统的发展,增强美国民间力量进入太空的能力。

一段十二分钟的旅程,SpaceX足足等了十二年。 

美国东部时间,2020年5月30日,美国佛罗里达州卡纳维拉尔角的 NASA 肯尼迪航天中心,载人龙飞船和猎鹰9号准备发射升空,将两名宇航员送入国际空间站。 

点火发射,2分钟后,猎鹰9号顺利完成一级火箭分离;9分半后,一级火箭成功降落海上平台着陆回收。 

第12分钟,猎鹰9号按计划实现火箭二级分离,标志着首次商业载人飞船测试的成功。 

经过十几个小时的飞行,载人龙飞船与空间站对接,两位宇航员甚至没感觉到任何撞击,「我们对它的表现非常满意」。 

历经各种超乎常人想象的压力与失败后,SpaceX终于创造了历史。与此同时,这也是美国版「新基建」一个重大的里程碑,通过促进低地球轨道空间生态系统的发展,美国民间力量进入太空的能力得以增强。 

美国总统特朗普和副总统彭斯在远处观看载人版「龙」飞船发射升空。

 一 开着「本田雅阁」 去太空

几乎所有的伟大都和自己最初模样,相距甚远。 

十二年前,2008年的圣诞节,马斯克甚至没钱给自己第二任妻子买一份像样的圣诞节礼物。「猎鹰1号」发射「三连败」几乎烧光马斯克投进去的1个亿,特斯拉也面临资金链断裂。 

雷曼兄弟破产让融资变得很难,摆在他面前的,不仅仅是破产,而是负债累累。备受生理煎熬的马斯克会在睡着的情况下,爬到身边的妻子身上开始尖叫。 

位于霍桑的SpaceX总部

第一次尝到制造火箭的艰难,是在2006年3月「猎鹰1」首秀失败之后。一级燃料泄漏,导致发动机故障,火箭爆炸,搭载的卫星设备将车间的屋顶撞得粉碎。 

因为一颗铝制B型螺母(这次失败的主要导火索),马斯克与早期团队关键人物、年轻工程师杰里米·霍尔曼(Jeremy Hollman)大吵一架。马斯克指责霍尔曼对这次失败负有不可推卸的责任,而对这次发射倾注全部心血的霍尔曼不能接受这种指责。 

一群工程师在酒吧借酒烧愁,第二日清醒后,立刻再战。2007年,猎鹰1号第二次试飞,虽开局良好,但仍以失败告终。 

虽然事后迅速找到了原因,但是,不少工程师仍大受打击,他们知道老板的钱最多再支持一两次发射。而且,霍尔曼离开了 SpaceX,这位年轻的工程师体现出马斯克渴望得到的那类人才所具备的品质,很多人甚至担心,少了他,公司会倒闭。 

2008年,猎鹰1号继续迎来三年败。这也是最为艰难的一年,马斯克后来形容那时的他们就像在冒烟。如果第四次也失败,直接可以给 SpaceX 写墓志铭了。 

此时的马斯克经常半夜做噩梦,与2002年那位要将植物温室送入火星、写过软件但对航空专业还是门外汉的富豪,判若两人。 

当时,马斯克天真以为3000万就能将温室送去火星。当被告知发射成本为六千万到八千万美元,他决定买一枚翻新的俄罗斯洲际弹道导弹来完成任务,千里迢迢飞去俄罗斯谈生意,结果不欢而散。 

在机场,马斯克决定自己造火箭,他向同伴展示了电脑里备好的「成本报表」,既然可以开着本田雅阁去太空,为什么非要坐法拉利? 

一位叫 Tom Muller 的人在这份表格里增加了新型低成本火箭的性能和成本参数,并和其他早期成员一起完善了造火箭计划。他不仅是马斯克下定决心成立 SpaceX 重要支持者,也是公司联合创始人和 CTO。据说,马斯克将工号簿上的001给了他。 

SpaceX CTO Tom Muller,火箭/飞船研发的总工程师,公司的绝对技术核心 

2008年9月,猎鹰1号火箭第四次升空,成功地将虚拟有效载荷送入了轨道,给马斯克带来一丝曙光。与此同时,他也争取到NASA一份16亿美元的救命合同,计划在12次计划飞行中向国际空间站运送至少20公吨货物。 

「我甚至不能拿着电话。我只是脱口而出,『我爱你们!』」马斯克事后回忆接到「中标」电话时,说道。 

以这份救命合同为分水岭,SpaceX 也进入到一个新的阶段。马斯克利用这笔钱飞速扩张,拓展新的发射能力。自那年起,他一口气进行了十多次次发射,均无重大失误,其中包括首次将私人货机送往国际空间站。 

2014 年 5 月 29 日,SpaceX 举行载人龙飞船发布会,迈出了商业载人计划的第一步;2019 年 3 月 2 日,SpaceX 完成了首次载人龙飞船的无人验证飞行,并在2020年5月31日顺利完成首次载人火箭发射成功,缔造历史。 

截止到目前,猎鹰 9 的一级火箭已经成功回收了 44 次。据报道,猎鹰9号飞行一次要花6000万美元,马斯克希望可以便宜到同行无法理解的20万美元。 

缔造历史的这枚猎鹰 9 号重型运载火箭 Block 5 版高 70 米,重 549 吨,能够向近地轨道发射多达 22.8 吨重的货物。 

 二 马斯克的「降本大法」 

谈及马斯克的降本大法,首先需要确定的是龙飞船是相对简单的飞行器,与NASA过去自己开发的复杂的深空载具无法相提并论。 

他们实际上是货运飞行器(装上座椅运人,拆掉座椅运货),与前苏联设计的一款载人飞船联盟号不同,航天飞机项目的前项目经理、现任NASA顾问维恩·黒尔(Wayne Hale)曾对媒体解释道,所使用的都是基本保护,没有气闸、没有机械臂。 

位于肯尼迪航天中心LC-39A厂房中的载人版「龙」飞船和猎鹰9火箭。 

就制造本身而言,高度垂直整合,几乎所有配件都在内部生产,成为火箭和飞船成本能降下来的重要因素。比如,龙飞船总成本3亿,其他公司飞船项目成本比这个数字高出10到30倍。 

和特斯拉一样,SpaceX 80-90% 的制造工作都是自己完成,包括火箭、发动机、电子设备和其他部件。相比之下,从俄罗斯和乌克兰进口核心部件的竞争对手(比如 Orbital Science )更像是组装商。ULA(联合发射联盟,也是波音和洛克希德·马丁的合营公司)为有1200多个供应商来帮助他们制造产品,颇感自豪。 

除了自己完成制造,SpaceX 还自己设计了主板、电路、探测震动的传感器、飞行计算器和太阳能板。他们发现,仅仅是一个精简后的无线电装置,不仅可以将重量减少20%,自产成本节省程度也让人惊讶。

我国民营卫星公司九天微星的九天粒波(笔名)曾撰文探讨SpaceX在主控系统的芯片组上极强的成本控制能力。 

「以现有载人飞船搭载的星载计算机和控制器举例,单个控制器价格为500万人民币左右,单个控制器价格为500万人民币左右,一共14个系统,为了追求高可靠性,每个系统1+1备份,一共28个控制器,成本总计约1.4亿人民币! 

而SpaceX的龙飞船主控系统的芯片组仅用了2.6万人民币,成本相差5348倍!」 

不同于其他公司对「太空级别」设备的孜孜以求,SpaceX的设备往往由现成的消费类电子产品制成。他们也经过多年的努力想NASA证明,普通的电子产品也足够优秀,不逊色于更贵的专业设备。 

即使针对供应商,马斯克也有办法说服对方「压低」成本。比如,波音需要花5年和1个亿造出波涡轮泵,马斯克要求供应商将成本控制在100万美元,时间是1年。最后,供应商花了13个月做出来了。 

「埃隆一直忠于自己的商业计划并且实实在在地降低了航天工程的成本。波音和洛克希德以及其他公司都因为过分谨慎而花了太多的钱, SpaceX确实胆量惊人。」供应商曾对马斯克传记作者阿什利·万斯透露道。SpaceX 甚至还有自己的试验基地,绝大多数竞争对手使用的是政府的实验基地。 

「猎鹰9号」火箭的9个发动引擎

龙飞船 

除了高度的垂直一体化,对新技术的开放和大胆采用以及工程师文化,也给制造成本的降低和工作效率提升带了很多好处。 

龙2飞船使用的超级德拉科引擎(SuperDraco),也是有史以来第一个完全采用3D打印技术造出来的航天引擎,因为是由计算机控制点机械会用高强度镍铬铁合金直接打印而成,不需要经过人工焊接,强度和性能达到了前所有的水平。 

对自动化的追求也体现在 SpaceX 工厂里。他们用一台古怪的两层楼高的机器,实现巨型金属板焊接流程自动化,并成为竞争对手纷纷效仿的对象。 

2014年11月,SpaceX霍桑生产车间正在组装猎鹰9号1.1版火箭 

无论是在特斯拉还是SpaceX 都可以感受到浓浓的工程师文化。就连马斯克自己都说,他的生活中90%由工程师组成。 

在特斯拉的车间,工程师、设计师以及产品团队的办公地点在一起,利用试产来快速学习、迭代、获得生产产品所需的必备知识。 

在SpaceX,毕业于常青藤大学的计算机科学家,负责机器设计的工程师和负责硬件制造的电焊工和机械师,都可以坐在一起。这在业内算是一个重大突破,因为传统的航空公司都会让工程师和机械师分开工作,在便宜的地方设立工厂,但工程师和机械师往往在千里之外。 

到目前为止,大多数初创阶段的关键性管理人员已经在公司坚持了十年甚至更久。当然,普通工程师中的大多数人也至少工作满五年,为的是拿到股票期权,并等到自己的项目完成。 

在商业模式上,马斯克追求「薄利多销」。从来不指望发射一次,大赚一笔,宁愿每次只赚一点并通过多次发射,通过规模效益和持续的技术改进,大大降低成本。

 三 支柱 NASA:美国版新基建的跨越式发展 

虽然2008年是马斯克最艰难的一年,但是,转机也在悄然酝酿,这一年奥巴马当选为美国总统。没有奥巴马政府的推波助澜,以及NASA在整个项目过程中的全方位支持,仅凭马斯克一家公司,不可能实现这样的壮举。 

当年,马斯克熬夜一宿在NASA的网页上寻找载人火星任务的信息,却没有找到任何实质计划时,NASA——这个全球资金最充沛的宇航局的开支正日益捉襟见肘。 

美国虽然在冷战时期,创造出世界上最先进、最复杂、可以重复使用的航天飞机,也曾嘲笑俄罗斯载人飞船的粗糙,时过境迁之后,航天飞机却成为NASA最为沉重的成本负担。 

除了旧式设计给宇航员带来的安全隐患,虽然航天飞机可以重复使用,但是,作为最为复杂的航天器,每更换一个零部件,背后是特殊加工设备和维护保养人员的高昂成本,越来越让美国政府不堪重负。 

由于航天飞机维修期的存在,一年也只能实现五到六次发射,远低于预设的一月两次。当然,还有天价的发射费用。一次发射费用大约需要四、五亿。 

阿特兰蒂斯号航天飞机,2011年退役。

正是在这一背景下,上任于美国财政赤字和金融危机等加深之时的奥巴马,力主要把烧钱的各种航天计划予以停止,这使得新的航天飞机建造计划被撤销,并提倡商业与商业太空公司合作。

有观点曾分析指出,美国正在开展基础设施建设。一方面,这样做有利于加速流向美国已经基本成熟的民营航天产业。只要人才「藏富于民」,这个国家的航天科技人才的可持续增长,就有第二个更为稳定的基础。 

另一方面,在这个世界上,只有美国人,利用纯民间资本,在大做太空旅游等产业。这个产业蛋糕之大,能吸引人才和就业人员之多,也是超出估量的。 

于是,就有了 NASA 的 Commercial Crew 项目,一个类似PPP(政府与社会资本合作)的模式变革。其主要目标之一就是,让私人企业制造出下一代航天器,将美国宇航员送上轨道,而不是由NASA自己制造飞行器,在航天器制造完成之后,这些私人企业还可以通过运营航天飞行服务来实现盈利。 

从2010年开始,项目第一轮投资了约5,000万美元。第二轮奖励了2.7亿美元,名单中第一次出现了SpaceX的名字。

Commercial Crew项目截至2015年的申请资金与已批准资金,来自维基百科 

回过头来看,猎鹰9号「上位」之后,公司将重心放在了一级火箭的回收和运载飞行,其实也与这个大环境变化有着密切关系。除了大环境,如果没有NASA的全方位支持,马斯克徒手也难以创造这一奇迹。 

比如,火箭人才方面。SpaceX 优势之一在于拥有几位经验丰富的员工,他们都曾是波音之类公司参与过火箭项目,或者本身就是前宇航员。 

上世纪七十年代,阿波罗探月计划相关的承包商一度雇用40多万名太空专家,计划中断时,曾造成30多万名太空工程师、科学家、经理和从业人员失业。2011年,航天飞机先后停飞后导致的发射空档期,又有数万名人员失业,其中大部分将被民营机构消化吸收。

在技术层面,通过直接派驻技术人员和通过专利转让等方式,NASA 帮助 SpaceX 等合作伙伴发展和验证了关键技术。 

比如,NASA开放了「阿波罗」计划中的部分技术,支持新兴商业航天企业参与空间活动,如「猎鹰」系列火箭的「灰背隼」(Merlin)发动机就是采用了「阿波罗」计划登月舱下降级发动机的喷管技术。 

SpaceX 还通过与NASA达成协议,买到了PICA隔热材料的生产工艺。PICA 是指Phenolic Impregnated Carbon Ablator,即酚醛浸渍碳烧蚀材料,是NASA阿姆斯研究中心为航天器从深空返回而研发的高性能烧蚀隔热材料,可谓是阿姆斯研究中心几十年科研的积累结晶。 

PICA甚至在阿姆斯研究中心的测试中短暂承受了7000°C,4.9千米/秒的高温高压气体灼烧,这一温度甚至比太阳表面还要高1500°C,被选为星尘号彗星探测器返回舱的底部隔热材料 

有意思的是,SpaceX的工程师找到了更加廉价的办法,改进了基础配方。所以,龙飞船一开始就可以承受从火星返回,进入地球大气层时产生的热量,但是,造价只有PICA的十分之一。 

龙飞船隔热罩 

龙飞船进入大气层时的状况,耐高温材料PICA-X保护着龙飞船(概念图)。 

值得注意的是, NASA给Commercial Crew供应商设置了非常严格的安全标准,而且这些标准也会随着计划的变化而演变。 

目前,无论是 SpaceX 还是波音,都还没有独立达到这个标准,并且表示NASA必须在整个过程中通过「实质性干预」为两家公司提供帮助,NASA安全顾问曾表示。 

NASA仍然具有深厚的专业知识,他们应该继续运用这些知识帮助美国最复杂、最具挑战性的太空系统的开发和执行。 

 四 权力交接 

4月底,NASA已经与包括SpaceX在内的三家主要企业签订了初步合同,开发人类月球着陆器。公司还有望在2020年前得到美国国防部数十亿美元的合同。 

除了政府的合同,商业火箭运输的市场仍然需要时间去验证。事实上,2008年猎鹰1号第四次发射成功后,市场订单并没有如预期般,纷至沓来。至于技术层面,仍有许多人质疑可重复性火箭的可行性。 

「如果到了因为死亡或者其他问题迫使你交出接力棒的那一天,但是,你的计划还一直处于想象之中,你能否平静的接受这个现实?」几年前,Aeon杂志记者曾问过马斯克一个很有趣的问题。 

当然要平静接受,我已经考虑很久了。马斯克回答说。「我一直试着构造一个世界来使得以下情况的发生最具可能性:即当我不在的情况下,SpaceX依然能够继续它的使命。」

「你会把接力棒交给他们吗?」记者问道,当时,他正看着办公室里马斯克儿子们的照片。 

马斯克曾计划把这项事业交付给一个或者几个机构,但是现在他认为家族影响力也许更加稳固。「我只是不想让这项事业被那些利欲熏心的私募股权控制,」他说,「那将很可怕。」

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