SpaceX 用不锈钢制造的星舰原型重 200 吨 官网版

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SpaceX 用不锈钢制造的星舰原型重 200 吨 官网版
发布日期:2024-06-19 11:01    点击次数:192

起原:误点LatePost(ID:postlate)撰文:贺乾明 李梓楠裁剪:黄俊杰 官网版

好意思国东部时辰 6 月 6 日,SpaceX 第四次放射星舰(Starship)天际船。飞船进入轨谈,并重返大气层,按筹算落入印度洋海域。

买卖公司以相对低成本提供失色登月火箭的运输智商,是买卖天际探索的一次大跨越。SpaceX 筹算在后续的测试飞行中尝试巩固回收把持放射火箭,进一步抑制成本。装载新发动机的第二代星舰也在准备中。

目下让咱们来了解下 SpaceX 如何确立新的研发、坐蓐体系,撑执星舰的降生。

2011 年夏天,好意思国国会和好意思国宇航局(NASA)共同晓谕了一个宏伟的筹算:参加 180 亿好意思元,开发前所未有的巨型火箭和新飞船,重整载东谈主航天,也为之后登陆火星作念准备。

这是一个理所固然的 “举国体制” 状貌。国会拨巨资、政府机构(NASA)设方针,让互助几十年的军工巨头们鼓励。

几个月后,NASA 从浩大的预算里拨了个零头(不到 3 亿好意思元)给 SpaceX、蓝色发祥等四家买卖公司,让他们尝试作念出能振作盈亏的载东谈主飞船。单干相配明确:政府开辟工夫新疆土;买卖公司崇拜压低成本。

13 年后,两个标的的效果差距巨大。6 月 6 日,SpaceX 把 40 层楼高、加注燃料后 5000 吨重的星舰(Starship) 送入轨谈,还收效考证了回收星舰的智商。星舰的助推器收效落到墨西哥湾中,而不是像前几次那样以爆炸罢了。买卖公司第一次有了推力、载荷贪图特出土星五号的新火箭,而且是不错重叠使用的。

SpaceX 对放射充满信心,以致在放射赶赴掉了星舰上的两片隔热瓦、减少一派隔热瓦的厚度,以测试不怜悯况下的隔热性能。这在一定进程上加大了回收的难度。

再行进入大气层时,星舰上的隔热瓦受到冲击剥落部分,侧翼根部被烧坏,信号几次中断。最终星舰照旧承受出了穿越大气的极致高温,落到印度洋中,完成了既定方针。

SpaceX 在星舰放射赶赴掉了两片隔热瓦,减少一派隔热瓦的厚度。

买卖种子超预期成长。而 NASA 和好意思国国防工业主导的 SLS 在脱期 26 次之后,仅在 2022 年放射了低配版块,还没追上土星五号。

双方效力相距悬殊。SpaceX 今天也曾是个盈利的公司,我方花了 50 多亿好意思元研发、制造星舰。而 SLS 状貌也曾花了特出 238 亿好意思元。

SpaceX 有政府资助。NASA 在昔日 20 多年猜度给了 SpaceX 135 多亿好意思元——大要止境于 NASA 半年多的预算。但这些钱不是研发补贴,大多是让 SpaceX 放射卫星、送宇航员去空间站,对 NASA 有实质申诉。

能作念到这一步,SpaceX 靠的是买卖世界中广博存在的学问:快速迭代、追求参加产出比、范畴化坐蓐、用便宜的通用斥地替代专用斥地。

SpaceX 的收效带来的启发不仅仅工夫,还让更多创业者启动再行谛视买卖的规模。越来越多的创业者采取用新的工夫和门径论去颠覆蓝本被认为只须政府材干主导的领域,推动航空航天、军工以致可控核聚变的改进。

1

SpaceX 的超智商——穷

2002 年,埃隆·马斯克(Elon Musk)成立 SpaceX 的时候,许多 PayPal 的老共事王人合计他疯了,里德·霍夫曼(Reid Hoffman) 说:“这如何能是一门生意呢?”

但马斯克不合计造火箭是不可收获的,他认为天际飞行需求少是因为放射价钱贵得离谱,其时送 1 公斤斥地上天际得花上万好意思元。只须 SpaceX 能抑制放射成本,就会有更多东谈主为他们的火箭买单。有了足够多的需求,SpaceX 就能把火箭卖出去,收获造更好的火箭。

马斯克也只可这么想。创立 SpaceX 时,马斯克的总财富不到 2 亿好意思元,还不够 NASA 放射一次航天飞机。更无谓说通盘阿波罗登月筹算耗资 250 亿好意思元(币值止境于如今超 1500 亿好意思元)。

他一启动想买俄罗斯的二手火箭来压成本,但被 1800 万好意思元的要价劝退。《马斯克传》中写谈,从俄罗斯回到好意思国的航班上,马斯克启动接头研起火箭的可行性。他用 Excel 列出制造一枚中型火箭的通盘材料和成本,比如碳纤维、金属、燃料等。他发现罗致传统的门径造火箭,制品成本要比材料成本多出 50 多倍。

马斯克由此想出了 “笨蛋指数”:诡计一个居品成本比材料成本高些许,高的越多,越笨蛋。他认为,淌若一个居品 “笨蛋指数” 很高,一定不错找到更有用的制造门径削减破耗。

流程强烈市集竞争的当代工业王人不太 “笨蛋”,比如汽车行业的笨蛋指数能作念到 1.5。但航天探索遥远被筹算和提醒所罢休,方针是展现工夫实力和轨制上风,来自财政拨款的机构频频更防御安全,败落对效力的极致追求。军方和 NASA 为火箭零部件制造提议数百种规格和条目,因此成本腾贵,火箭上的一个阀门比汽车上用的近似阀门要贵 30 倍。

SpaceX 制造第一代火箭的时候,我方设计、制造了 70% 的零部件,剩下的零部件则找非航空领域的供应商买替代品,帮它们改进工夫以知足火箭放射的圭臬。

临了,SpaceX 收效放射第一款火箭猎鹰 1 号,只参加约 1 亿好意思元。比较之下,期许汽车造出第一款车之前研发参加接近 3 亿好意思元。

用猎鹰 1 号讲授 SpaceX 不错收效放射火箭后,马斯克就将火箭回收作为必须收尾的方针:“每次飞行后扔掉价值数百万好意思元的火箭,就像每次飞行后扔掉一架波音 747 相通。”

SpaceX 用 5 年把它造成实验,目下也只须蓝色发祥等少数机构能作念到。

SpaceX 用的门径是互联网公司中习以为常的反复测验、快速迭代。马斯克认为,这是造出可用火箭的唯独门径。猎鹰 9 号的助推器收效回收前失败过 20 次。而此次星舰测试放射前,SpaceX 至少炸毁 10 艘。

此前的航天探索中,这么的折损基本不可能存在,也承受不起。NASA 主导的火箭状貌,每次放射的成本会到上亿以致数亿好意思元。他们更倾向在放射火箭前,花数年时辰和多数资金完善设计决策,尽可能幸免爆炸。

实验阶段的一次次失败后,SpaceX 获得可靠且便宜的火箭。笔据中国运输火箭工夫盘考院估算,重叠放射 10 次,猎鹰 9 号的单次放射成本只须 2000 万好意思元,只须放射一次的 42%。淌若一个猎鹰 9 号能重叠放射 100 次,单次放射成本会被摊销至 1600 万好意思元,只须原来的三分之一。便宜的价钱帮 SpaceX 诱骗多数订单,昨年西洋放射了 147 次火箭,SpaceX 占比超 65%。

极低的放射成本,也让 SpaceX 能在 6 年内往近地轨谈放射特出 6000 颗卫星,构成 Starlink 汇注。据 Spacenews 测算,Starlink 2023 年营收特出 32 亿好意思元。

极致削减成本的理念荟萃星舰开发的各个体式。

包括 SpaceX 的猎鹰系列火箭在内,目下许多火箭的主体王人用碳纤维复合材料制造,它能承受火箭冲破大气层时产生的高压,不纵脱变形。更关键的是,它还足够轻,不错有用抑制火箭自己分量,让火箭冲向天际时多带点东西,或少用燃烧料。

SpaceX 试过用碳纤维复合材料当星舰的外壳,但制造几个大型部件后死一火。它不耐高热,温度特出 200 度,碳纤维复合材料的强度会直线下跌,想用得加隔热层,这会加多火箭制造难度和成本。碳纤维复合材料还很贵,市集价每公斤 130 好意思元。再加上 SpaceX 用 “笨蛋指数” 改进火箭制造步地多年,也曾难以大幅抑制成本。

SpaceX 选了更便宜的不锈钢当星舰的主材料,马斯克说这是 “SpaceX 作念出的最好设计决策”。

不锈钢很重。2019 年,SpaceX 用不锈钢制造的星舰原型重 200 吨,淌若用碳纤维复合材料制造,野蛮估算会减到 40 吨。但不锈钢足够便宜,每公斤简略只须 4 好意思元。SpaceX 阵一火载重,能在一艘星舰上省超 400 万好意思元。

而且 SpaceX 还有同业不具备的上风,它不错与特斯拉融合采购抑制成本。星舰用的不锈钢和特斯拉 Cybertruck 上的来自归并家公司——芬兰的 Outokumpu。

用了更重的不锈钢,SpaceX 想尽一切办法削减火箭的分量。不锈钢耐高温,SpaceX 就减少不必要的隔热罩。SpaceX 不给火箭喷漆,也能够减弱部分分量。此次放射前,淌若你放大画面看放射架上的星舰,不错显现地看到焊合踪迹。

2

硬件普及费事,靠软件和 AI 来补

星舰上用的猛禽二代发动机,推力刚达到 1970 年代好意思国航天飞机上使用的 RS-25 发动机的水平,只须登月火箭土星五号所用 F-1 发动机的 1/3。

但 SpaceX 一次装了 33 台发动机。传统火箭设计中,用更多发动机并不是最优选。罢休一个发动机就很难,想要罢休一群,难度会急剧高涨。

星舰助推器 33 台发动机同期责任。图片来自 SpaceX。

1960 年代,好意思国晓谕执行登月筹算后,苏联的科学家也启动研发推力足以将宇航员奉上月球的 N1 登月火箭。他们并联了 30 台发动机,但很难同期点火,也不可在飞行中实时、精确地养息标的。N1 火箭放射 4 次,炸毁 4 次。苏联因此遗弃登月筹算。

N1 莫得能处理复杂任务的诡计机,但 SpaceX 不错用 GPU 作念仿真测试。

SpaceX 的工程师不错模拟发动机运转景况,寻找潜在问题,比如燃料没能充分死一火时,发动契机不休战抖,导致火箭飞行不相识,严重时会让通盘火箭无法载重飞行以致解体。现存工夫没办法在发动机运转时给它作念 “核磁共振”,软件模拟不错提前发现问题。

用多数进修的袖珍斥地构成集群替代复杂的大型斥地,亦然马斯克老到的诡计机产业反复实践的门径论。

今天 Google、亚马逊、字节向上等公司的数据中心所用的处理器和个东谈主电脑里的没太大分歧。满坑满谷的个东谈主电脑级别处理器集群诡计,替代了也曾挑升定制坐蓐的大型机、袖珍机。

马斯克以此类比火箭说,淌若只用一台或几台大型诡计机,凡是出现宕机,通盘系统就会停摆,“火箭发动机亦然如斯。就算猎鹰重型火箭上有 6 台发动机出现故障,它照旧能进轨谈。” 最新此次星舰放射,助推器上就有一个发动机没平时责任,依旧完成了飞行任务。

AI 也被 SpaceX 用来赞成研发发动机,保证它们能平时责任。

2021 年,马斯克启动怀恨猛禽发动机,它被设计得过于复杂、制造工艺繁琐,成本无法抑制。

为了尽可能减少分量,SpaceX 的工程师去掉初代发动机身的多数电缆和管路,十多个阀门被集成到几个阀门中,用焊合工艺取代近似螺丝的紧固件来加强发动机的密封性。他们以致还去掉了死一火室内冗余的双点火系统,只留一个点兵器,用高温高压的氧气和甲烷去燃烧其余的燃料。

硬件上的每一处集成王人让发动机更难罢休,每谈阀门、管路王人要承受比之前更大的压强。为了精确判断并罢休发动机的流量和死一火情况,SpaceX 工程师开发了一个 AI 模子,模拟测试新发动机各个系统,以便在实质放射时预测发动机的状态和性能,并在关键时刻进行精确养息。

在 AI 的赞成下,SpaceX 工程团队 1 年内就作念出第二代猛禽发动机,分量下跌 400 公斤的同期,还让推力普及 24%,而况加速了坐蓐速率。

猛禽 2 比猛禽 1 和 NASA 仍在使用的 RS-25( SLS 火箭的发动机) 更小、更轻,但推力与 RS-25 接近。

另一边,“国度队” 还在翻冷战时间的设计图。2015 年,NASA 拨款 11.6 亿好意思元,让军工企业 Aerojet Rocketdyne 重启 RS-25 航天飞机发动机坐蓐线,为 SLS 火箭提供发动机。RS-25 年产能只须四台,每台成本上亿好意思元。而 SpaceX 平均每天就能坐蓐一台猛禽发动机,成本百万好意思元,将来筹算抑制到数十万好意思元。接下来,SpaceX 会把第三代猛禽发动机用到星舰上,它的推力比二代更强、造价更便宜。

3

像汽车工场相通用活水线造火箭

险些通盘制造业王人除名莱特定律——坐蓐范畴每普及一倍,平均坐蓐成本就会下跌 15%。但航天领域险些莫得坐蓐范畴可言。全世界每年只坐蓐上百台火箭,像星舰这么的火箭更少,上一个与它体型、载荷、推力接近的火箭是 NASA 昨年放射的 SLS,昔日十多年只产了 1 枚。

SpaceX 是第一家打造了范畴坐蓐活水线的火箭公司。它的制造训诲许多来自特斯拉。

SpaceX 设计火箭时,会尽可能复用零部件,贬阻扰造难度。星舰的外壳主体由数十个高两米、直径九米的不锈钢 “大桶” 焊合构成。这些不锈钢桶亦然助推器 Super Heavy 的外壳主体。马斯克说,它仅仅更长、底部有更多发动机的星舰燃料箱:“建一条星舰活水线时,你基本上也有了一个坐蓐 Super Heavy 的活水线。”

为了检朴成本,SpaceX 没用混凝土建厂房,而是搭大帐篷。航天记者埃里克·伯格(Eric Berger)感叹,这所在就像珍珠港事件几周后的好意思国舟师造船坞。

星舰装置现场。图片来自 SpaceX

像在特斯拉那样,马斯克让设计火箭的工程师同期崇拜火箭的坐蓐,“装置线上的东谈主要能快速逮住居品设计师,跟他们吐槽 ‘你疯了吗,为什么要这么设计’”。

《马斯克传》中写谈,当马斯克走过 SpaceX 的装置线,他会在每个工位停驻来,静静地盯着,跟团队辩说,拿掉或者精简一些零件。这跟他在特斯拉产线上的行动没什么分歧。他还邀请特斯拉高管不雅察 SpaceX 的坐蓐线,用汽车制造的念念路提议不错简化坐蓐线的决策。

为了让工程师贯通特斯拉产线的运作步地,SpaceX 财务分析师卢卡斯·休斯(Lucas Hughes)作念了 PPT ,展示特斯拉的工程师如何删掉阔气的工序和零件抑制成本。

每坐蓐一枚火箭,SpaceX 就会迭代一次活水线,提高效力、裁汰制造时辰。2019 年,SpaceX 的工程师和工夫东谈主员制造第一艘星舰用了 8 个月。半年后,SpaceX 只用 1 个月,就能造一艘星舰。

接头到星舰最终能重叠使用,好意思国智库 CSIS 估算,使用星舰往天际中运输 1 公斤物质的成本瞻望会降至 200 好意思元,只须此前最便宜火箭猎鹰 9 号的 7%、土星 5 号的 3%。

SLS 也曾没什么竞争上风。昨年,NASA 的官员在交给好意思国政府问责局(GAO)的倡导中承认,SLS 的成本高得无法承担,筹算难以执续。他们找到好意思国国防部,但愿对方采购 SLS 火箭送物质进天际,好匡助军工企业抑制坐蓐成本到 20 亿好意思元,遭到拒绝。“咱们不错用更便宜价钱买到近似的智商,对 SLS 不感兴味。” 国防部崇拜火箭采购的官员给与采访时说。

4

不同业业、更多的 “SpaceX”

二战收尾后,好意思国赓续沿用战时的举国体制推动伏击科技盘考。靠着这套体系,好意思国在冷战时间用 7 年登月,出于往还方针研发了诡计机、互联网、GPS 等塑造当代糊口的工夫。

冷战收尾后,政府间竞争压力大幅缓解,也曾收效的好意思国制造业巨头千里迷于将坐蓐调遣到其他国度,把持国外便宜东谈主力成本,提高利润率。

只须少数濒临强烈市集竞争的公司,比如苹果,还会采取掌控中枢工夫,让供应商代工坐蓐。而大多有把持地位的公司为了财务报表颜面一些不错死一火工夫参加,比如波音开发 787 时让供应商摊派七成研发成本,不再追求对中枢工夫的罢休,成为好意思国制造业空腹化的代表。

至少有二三十年,好意思国东谈主挑剔创业,基本王人是在互联网等杜撰世界里作念居品。稀疏出现的硬件创业公司多聚焦在耗尽电子。

目下航天领域出现一轮由私营公司主导的工夫竞赛。笔据 Space Capital,昔日十年人人有 1832 家天际公司拿到近 3000 亿好意思元投资,是同期 NASA 预算的约 1.5 倍。这些新公司大王人像 SpaceX 那样,用买卖的步地和新出现的软件赞成料理工夫难题,尽可能压低成本。比如亚马逊首创东谈主杰夫·贝佐斯(Jeff Bezos)撑执的蓝色发祥,目下全面对标 SpaceX。

还有一些卫星创业公司,采取开发分量不到 1 斤、大小不到半块吐司的微型卫星,送进近地轨谈构成不同用途的通信汇注。因为卫星足够小,制造起来比大卫星便宜,放射时也能用一枚袖珍火箭在天际中批量投放,部署成本也低,就算使用一段时辰后自动进入大气层烧掉,也能算过来账。

也曾固化几十年的航空发动机行业,目下也有了挑战者。在 YC 创业营中,有家叫 Astro Mechanica 的好意思国创业公司造出了更检朴燃料的新式喷气发动机的原型机。

波音、空客所用的航空发动机,频频只在亚音速的巡航阶段有较高效力。而 Astro Mechanica 的发动机加装了电机,自动养息涡轮电扇旋转速率,不错在保执效力的前提下加速到 6 倍音速。目下电动车的爆发加速了电机进化,让这么的联想成为可能。

军事领域也在出现一批创业者。最隆起的可能是军用无东谈主机公司 Anduril,这家 2017 年景立的公司正在用 AI 雠校无东谈主机。本年 3 月,Anduril 的无东谈主机在测验场上收效击毁一辆装甲方针。Anduril 的估值也曾达到 85 亿好意思元。

以致连列国政府王人不再保多和顺的可控核聚变,也出现了一批把持新材料和 AI 找冲突点的创业公司。

作为硅谷创投风向标的 YC 创业孵化器,早几年基本没什么工业或政府状貌相干的初创公司。SpaceX 成为一个标准,让政府看到买卖公司的能量,也激勉了越来越多创业者用新工夫雠校政府和买卖巨头主导的领域。2012 年到目下,YC 孵化了特出 260 个工业或者与政府事务关系的状貌。

许多创业者和马斯克相通,是生人进入专科领域。Astro Mechanica 首创东谈主伊恩·布鲁克(Ian Brooke)上一段创业资格是造摩托车配件。Anduril 的首创东谈主帕尔默·拉奇 (Palmer Luckey) 之前创办了 VR 公司 Oculus,然后卖给了 Meta。

新的创业公司也需要新的风险投资东谈主。《纽约时报》昨年底报谈,他们也曾细目至少 50 名好意思国军方官员在昔日五年内离职,去风投契构当高管或参谋人,匡助识别那些有后劲的创业公司。

2021 年底,核聚变公司 General Fusion 的首创东谈主给与《当然》杂志采访说,可控核聚变也曾到了 “SpaceX 时刻”。更多行业正在进入这么的时刻。

1957 年,东谈主造物体第一次进入寰球,绕着地球飞了三个星期。东谈主类昂首就能在夜幕里看到一颗小小的闪光划过天际,与传闻里的星宿并行。

这么的豪举跨越种族与刚烈形态,在人人各地激起了欢喜之情。但并不是咱们可能猜度的那种为东谈主类豪举所感动的告成欢喜。笔据政事玄学家汉娜·阿伦特(Hannah Arendt)当年的不雅察,东谈主们的情怀更接近于一种恭候多时的宽慰——科学终于追上了预期,“东谈主类终于在解脱地球这个囚笼的谈路上迈出了第一步”。

东谈主们老是笔据工夫探索,快速养息着我方对世界的预期。当科幻作者的一桩畅想造成实验,频频是工夫终于追上了东谈主们的预期,或者用阿伦特的话说,“科技收尾并服气了东谈主们的梦想既不猖獗也不虚无。”

今天这么的时候,多少量梦想是更好的。

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