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　　Spacex的成功故事

　　文/海北尬生

　　星艦在前幾天完成了第10次試飛，完成了所有的既定目標(biāo)，是一次空前的大成功。昨天在七維發(fā)了一篇關(guān)于俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)中觀點(diǎn)的文章，結(jié)果立即有人在評(píng)論區(qū)里點(diǎn)名讓我寫星艦第10次試飛，也可見這事的關(guān)注度。

　　我當(dāng)然是要寫的，不過(guò)首先請(qǐng)大家理解，我們公號(hào)發(fā)文章大致都是在每天早上6：00 7：00左右，這個(gè)時(shí)間不可能趕上當(dāng)天的星艦試飛，因此都只能放到第2天才發(fā)表，需要稍微等一等。當(dāng)然對(duì)于寫作者我而言，這個(gè)話題也很難寫：能寫的東西太多了，而且又要盡量把事情講得簡(jiǎn)潔易懂。但是還是那句話，我怎么可能不寫，這是我的專業(yè)啊。

　　我不太清楚讀者是怎么評(píng)價(jià)馬斯克這個(gè)人的，最近幾個(gè)月里他和特朗普從好到穿一條褲子都不顯瘦到徹底鬧掰，恐怕也遭到了不少人的非議，同時(shí)他與人交往向來(lái)有問(wèn)題，說(shuō)話不管不顧，再加上對(duì)生育問(wèn)題的“過(guò)于開明”，也惹出了不少麻煩。但至少他的專業(yè)素質(zhì)是過(guò)硬的，航天界沒(méi)有什么人敢在這方面質(zhì)疑他，類似的，汽車行業(yè)也往往不在這方面質(zhì)疑他的特斯拉。

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　　必須要承認(rèn)馬斯克是一個(gè)很有水平的工科生。當(dāng)然作為企業(yè)的大老板，他不會(huì)親自去設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的東西，他的任務(wù)在于抓方針，抓戰(zhàn)略，抓技術(shù)路線，而他抓的技術(shù)路線往往都是正確的，比如特斯拉的熱泵系統(tǒng)，再比如space x的各種決策，我們會(huì)稍后細(xì)說(shuō)。

　　當(dāng)然正像所有取得成功的人一樣，他對(duì)自己的夢(mèng)想有一種幾乎病態(tài)的執(zhí)著。早在零幾年的時(shí)候，他就把火星當(dāng)成了自己的夢(mèng)想，一直堅(jiān)持到今天，算是“不忘初心牢記使命”的“洋典范”。目前所能找到的他對(duì)于火星的第1個(gè)任務(wù)規(guī)劃，是01年的事兒。他的想法是，往火星發(fā)射一個(gè)帶有植物種子的溫室，在火星環(huán)境下觀察植物的生長(zhǎng)，為未來(lái)建設(shè)火星基地提供數(shù)據(jù)支持，這是一個(gè)純粹的科學(xué)性的任務(wù)。沒(méi)有運(yùn)載火箭，他就打算買俄羅斯退役下來(lái)的彈道導(dǎo)彈。導(dǎo)彈能提供的運(yùn)載力當(dāng)然有限，他真正要送到火星的溫室只有一個(gè)籃球左右大。

　　相較于今天的space x火星任務(wù)，這樣的任務(wù)絕對(duì)是寒酸至極的，但就算如此馬斯克也展露出了自己的能力：比如試圖購(gòu)買退役的俄羅斯導(dǎo)彈當(dāng)運(yùn)載火箭，這體現(xiàn)了他充分利用既有產(chǎn)品和技術(shù)，以及壓低成本的能力，這樣的能力和方法被他一直堅(jiān)持到今天。正是因?yàn)槿绱?，他的這篇報(bào)告被獲準(zhǔn)參加01年的火星學(xué)會(huì)年會(huì)，初試啼聲便不同凡響（當(dāng)然這個(gè)學(xué)會(huì)也邀請(qǐng)過(guò)我）。

　　彼時(shí)馬斯克的pay pal剛剛被收購(gòu)，他也把自己的家產(chǎn)提升到了10億美元的程度，但是這點(diǎn)錢投進(jìn)航天項(xiàng)目的汪洋大海里都不會(huì)有一個(gè)響。人們都不看好他，覺(jué)得這個(gè)人有熱情，但也只是僅此而已。他的那些想法過(guò)于大膽，也往往都很離經(jīng)叛道，再加上他并不是科班出身的航天專家，而是一個(gè)it工作者，一個(gè)碼農(nóng)，于是就更遭到了人們的冷眼和鄙視。

　　在做完報(bào)告差不多一年以后，他成立了space x，而且最初口氣就不小：他試圖把航天做成一個(gè)能盈利的生意。當(dāng)然他并不是第1個(gè)做航天的民營(yíng)企業(yè)—美國(guó)的航天一直是依賴企業(yè)來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)的，也有像ula這樣的公司試圖做發(fā)射，但這樣的公司首先是背靠波音、洛馬這樣的大巨頭，其次也是靠和政府的深度合作特別是靠補(bǔ)貼來(lái)維持自己的運(yùn)營(yíng)。馬斯克作為一個(gè)純粹的民營(yíng)企業(yè)老板，搞不到這么多的補(bǔ)貼，就只能寄希望于讓火箭有更好的經(jīng)濟(jì)效益。到這兒事情還可以理解，但是他的目標(biāo)遠(yuǎn)不止于此，他希望能夠?qū)崿F(xiàn)徹底的盈利，這也就意味著，每次發(fā)射火箭的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、發(fā)射成本等等，加合起來(lái)必須要小于客戶支付的費(fèi)用。

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　　想做到這一點(diǎn)，路線其實(shí)也早都有，那就是要實(shí)現(xiàn)火箭的回收：花幾億造出來(lái)的火箭只能是一次性的，這樣當(dāng)然不可能盈利。火箭回收的方案很多，錢學(xué)森先生六十年代的名著《星際航行概論》就提到好幾種，包括著名的航天飛機(jī)其實(shí)也是要達(dá)到這樣的目的。

　　馬斯克最初在獵鷹1號(hào)上選擇了用降落傘回收第1級(jí)的方案，這也是經(jīng)典的老概念，但他很快他就發(fā)現(xiàn)這與其他的回收方法一樣都有嚴(yán)重的問(wèn)題：技術(shù)上可行，但經(jīng)濟(jì)上不可行?；鸺厥盏某杀?、回收回來(lái)后整修的成本加到一起其實(shí)是要大于一次性的火箭的。包括美國(guó)的航天飛機(jī)也遇到了這樣的問(wèn)題。所以在獵鷹1號(hào)結(jié)束使命，他們開始研究獵鷹9號(hào)的時(shí)候，馬斯克開始放大招：他要用垂直回收，也就是我們現(xiàn)在看到的這種。

　　當(dāng)然，這也不是他的原創(chuàng)，早在上個(gè)世紀(jì)的六七十年代就有人提出了這樣的方案，美國(guó)和蘇聯(lián)都有。只不過(guò)雙方的國(guó)家隊(duì)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)這個(gè)東西理論上可行，實(shí)踐層面卻難度很大，于是就不約而同的將之束之高閣。馬斯克這時(shí)做過(guò)的最大的火箭也是只有20多米長(zhǎng)的獵鷹1號(hào)，在專家來(lái)看還很稚嫩、青澀，業(yè)界的不看好也就可想而知。（至今都有些人說(shuō)馬斯克在發(fā)展過(guò)程中NASA起了很大的幫助，實(shí)際上這就是酸葡萄：且不說(shuō)NASA根本不會(huì)支持一個(gè)他們不看好的項(xiàng)目，要是NASA這么神通廣大，他們?cè)趺礇](méi)造出自己的星艦、自己的可重復(fù)利用火箭來(lái)呢？）

　　但這時(shí)馬斯克在IT行業(yè)積累的經(jīng)驗(yàn)發(fā)揮了他山之石可以攻玉的作用?；厥盏倪^(guò)程中涉及到復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)和控制問(wèn)題，但是這恰恰能發(fā)揮馬斯克和他手底下這些計(jì)算機(jī)方面的人才的作用，通過(guò)大量的數(shù)值計(jì)算和仿真，馬斯克的團(tuán)隊(duì)成功找到了控制火箭的方法。而且數(shù)值計(jì)算還有另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)：研發(fā)成本極低，因?yàn)椴恍枰娴淖鰧?shí)驗(yàn)，同時(shí)周期也很快。當(dāng)然想要做好它難度還是很大的，但是對(duì)于馬斯克這些程序員出身的人，事情也不那么難。

　　此時(shí)另外一個(gè)問(wèn)題到來(lái)：控制這樣的火箭的程序的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超過(guò)既有的火箭，于是對(duì)計(jì)算機(jī)提出了更高的要求，而火箭用的計(jì)算機(jī)計(jì)算性能都很差。這里多說(shuō)一句，火箭的計(jì)算機(jī)要花相當(dāng)大的精力來(lái)對(duì)抗宇宙射線的轟擊，高能的宇宙粒子打到芯片的晶體管上，是可以造成比特翻轉(zhuǎn)的災(zāi)難性的后果的，也就是原本算出來(lái)結(jié)果是0，卻變成1，或者反過(guò)來(lái)。于是通常情況下給火箭和飛船設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)都著重考慮防輻射性能，甚至還會(huì)用電子管，而不是晶體管，因?yàn)殡娮庸艿目垢蓴_能力更好。這樣帶來(lái)的副作用就是，火箭和飛船用的計(jì)算機(jī)速度都非常慢，比如聯(lián)盟號(hào)用的阿爾貢16計(jì)算機(jī)速度就只有5赫茲，中國(guó)空間站的主計(jì)算機(jī)時(shí)鐘頻率只有10兆赫，內(nèi)存也只有2M，只能存一張照片。但是這樣的計(jì)算機(jī)也價(jià)格不菲，單位都是億元。

　　spacex第10次發(fā)射畫面 圖源網(wǎng)絡(luò)

　　馬斯克的解決方案是什么？答曰，他直接購(gòu)買市場(chǎng)上的成品芯片（主要是英偉達(dá)和英特爾的產(chǎn)品）。那么比特翻轉(zhuǎn)怎么解決呢？答曰，他同時(shí)聯(lián)用好多個(gè)芯片一起算。因?yàn)楹芏鄠€(gè)芯片一起算出問(wèn)題其實(shí)是小概率事件，一起算出同一個(gè)錯(cuò)誤答案就更小概率了，所以只要選取這些芯片算出來(lái)的最一致的那個(gè)答案，就可以保證結(jié)果是正確的。

　　比如space x的初代龍飛船，飛控主計(jì)算機(jī)由三臺(tái)完全一樣的計(jì)算機(jī)組成，每臺(tái)計(jì)算機(jī)用的都是雙核的芯片，實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中每個(gè)核單獨(dú)使用，于是輸入同一個(gè)數(shù)據(jù)后可以得到6個(gè)獨(dú)立的答案。每一步計(jì)算完成后，每個(gè)核之間都會(huì)比對(duì)數(shù)據(jù)，執(zhí)行多數(shù)的答案，也就是說(shuō)即使某一個(gè)核某一步算錯(cuò)了，也會(huì)從其他核那里獲得正確答案，再繼續(xù)算下去。其他系統(tǒng)也是如此，最后一個(gè)初代龍飛船上要裝54臺(tái)一樣的雙核處理器。獵鷹9號(hào)火箭也是如此，每一個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的控制單元都有三臺(tái)這樣的處理器，9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)加起來(lái)就是27臺(tái)，同樣飛控主計(jì)算機(jī)也是三臺(tái)處理器，每一個(gè)也都是雙核的。

　　民用的芯片相較于國(guó)家隊(duì)的產(chǎn)品，首先是價(jià)格極其低廉——一個(gè)飛控主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總共才值2.6萬(wàn)美元。而且民用的芯片相較于傳統(tǒng)芯片，在運(yùn)算速度上能查出好幾個(gè)量級(jí)，于是space x用來(lái)回收火箭的復(fù)雜程序，也不用再愁算力了。這是一個(gè)一箭雙雕的解決方案，著實(shí)讓國(guó)家隊(duì)有點(diǎn)尷尬。我還記得某次某院士出去介紹他們研究的航天用飛控計(jì)算機(jī)，結(jié)果被懂行的聽眾問(wèn)到space x的這個(gè)方案，很尷尬地被掛了黑板。

　　諸如這樣簡(jiǎn)單粗暴，但又能一箭雙雕甚至多雕的方案在他們那里真是不勝枚舉，也恰恰是這樣的方案造就了他們的成功。再舉兩個(gè)例子：

　　Spacex的發(fā)動(dòng)機(jī)是非常好的，但這個(gè)好并不體現(xiàn)在推力上，而是體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)性（星艦的一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)只用20萬(wàn)美元）和效率上。若論推力，他們的所有發(fā)動(dòng)機(jī)都只是中檔水平。為了提供足夠的推力，他們多發(fā)聯(lián)用，比如獵鷹9號(hào)一級(jí)聯(lián)用9臺(tái)（獵鷹9號(hào)的9就是這么來(lái)的），重型獵鷹將三個(gè)獵鷹9號(hào)的一級(jí)捆綁起來(lái)，相當(dāng)于是一級(jí)有27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，星艦一級(jí)聯(lián)用33臺(tái)。

　　對(duì)于某些老學(xué)究和業(yè)余人士（比如項(xiàng)某剛）而言，這樣的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)直是離經(jīng)叛道，他們是不敢連著用30多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的，畢竟蘇聯(lián)的n1火箭就栽到了這個(gè)方面，順帶著毀了蘇聯(lián)的登月計(jì)劃，我也寫過(guò)這個(gè)的文章。換言之，他們覺(jué)得多大的火箭就要用多大的發(fā)動(dòng)機(jī)，星艦這種最大的火箭，就應(yīng)該用推力最大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　N1火箭的失敗當(dāng)然是一個(gè)慘痛的例子，但只能說(shuō)這些人知其然而不知其所以然：N1火箭多發(fā)聯(lián)用的失敗，一方面是因?yàn)闀r(shí)間過(guò)于倉(cāng)促，沒(méi)有解決好燃料供應(yīng)、振動(dòng)等多方面的問(wèn)題，另外一方面也是因?yàn)槌绦蜻^(guò)于復(fù)雜，超過(guò)當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)的水平，可是這些問(wèn)題對(duì)于space x而言早都已經(jīng)被規(guī)避掉了。振動(dòng)之類的問(wèn)題。通過(guò)仿真、模擬就可以很好的解決，Space x他們就擅長(zhǎng)這個(gè)，至于計(jì)算機(jī)，上面也提到過(guò)。而且space x也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，星艦裝33臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，看起來(lái)很突兀，但是他們之前設(shè)計(jì)的重型獵鷹一級(jí)已經(jīng)用了27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，量變已經(jīng)不足以引起質(zhì)變了。星艦的10試飛有成功有失敗，但沒(méi)有一次是由多發(fā)聯(lián)用而起。

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　　問(wèn)題不存在，剩下的便都是好處：首先是這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)需求量大，產(chǎn)量大，于是就可以更好的平衡、降低成本，同時(shí)這也更進(jìn)一步方便了他們的垂直回收方案，因?yàn)榛鸺祷刂憰r(shí)基本上是空的，重量很輕，所需要的推力其實(shí)不大，spacex他們可以通過(guò)只啟動(dòng)部分發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)更小的推力，比如獵鷹9號(hào)返回時(shí)只啟動(dòng)中間一臺(tái)，星艦返回時(shí)只啟動(dòng)中間三臺(tái)，也就是說(shuō)只產(chǎn)生相當(dāng)于起飛時(shí)1/10的推力。而如果采用的是更大的發(fā)動(dòng)機(jī)就做不到，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)往往只能節(jié)流到最大推力的60%左右，再低就不能正常工作，就如同汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的時(shí)候都要最起碼600轉(zhuǎn)一樣。因此這是一個(gè)大智若愚的方案。

　　另外一個(gè)例子則是星艦用的材料。眾所周知，星艦是不銹鋼的，這在整個(gè)航空航天界都是前無(wú)古人的。當(dāng)然，這并不是馬斯克的最初選擇，他最初也打算用又輕又時(shí)髦的碳纖維，甚至還為這個(gè)專門收購(gòu)了一家做碳纖維的公司，但最終還是很干脆的回到了不銹鋼上。為什么是這樣？這也是非常巧妙的工程學(xué)設(shè)計(jì)。

　　首先星艦是一艘要返回地球的飛船，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中一定要應(yīng)對(duì)與大氣摩擦產(chǎn)生的熱的襲擊，而不銹鋼的好處就在于它在高溫下的強(qiáng)度更高：不銹鋼可以在600多度的溫度下仍然保持強(qiáng)度，但如果是鋁合金或者碳纖維，卻只能忍受200多度。所以碳纖維和鋁合金當(dāng)然可以減重，但最終需要更多的隔熱防熱的設(shè)計(jì)，站在總體的層面來(lái)看，實(shí)際上是把通過(guò)換材料省下來(lái)的重量又在隔熱材料上加了回來(lái)。

　　其次，不銹鋼也極其好加工，這一點(diǎn)碳纖維鈦合金就比不上。碳纖維材料如果發(fā)現(xiàn)有裂縫，修補(bǔ)起來(lái)是很繁瑣的，鈦合金的焊接是一個(gè)老大難的問(wèn)題，因?yàn)樗埸c(diǎn)實(shí)在是太高，但如果是不銹鋼，事情就很簡(jiǎn)單。當(dāng)其他的火箭需要在無(wú)塵的作業(yè)間里用等離子者摩擦攪拌焊接，或者用鋪帶機(jī)慢慢鋪帶的時(shí)候，Space x的團(tuán)隊(duì)卻敢在半露天甚至露天的廠房里直接開焊，既省錢又省時(shí)。

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　　當(dāng)然最明顯的，不銹鋼便宜，便宜至極。迄今為止，星艦進(jìn)行了10次試飛，還沒(méi)有正式投入使用，之前還建了十來(lái)艘地面實(shí)驗(yàn)用的飛船。這如果是傳統(tǒng)的項(xiàng)目，到這里會(huì)直接崩潰掉，因?yàn)殚_支已經(jīng)失控，根本不可能只是單純?yōu)榱俗鰧?shí)驗(yàn)、搞迭代就造出20來(lái)個(gè)飛船，但是馬斯克他們不怕，因?yàn)樗麄兊幕鸺龑?shí)在是太便宜，扔了就扔了，炸了也就炸了。這里面其實(shí)也有他們軟件工程師式的思路：軟件工程師往往可以邊測(cè)試邊迭代，不要求一次就交出最后的成品?，F(xiàn)在他們?cè)谟布矫嬉哺疫@樣做，一方面是因?yàn)樗麄兏叨饶K化的設(shè)計(jì)很容易替換，不會(huì)牽一發(fā)而動(dòng)全身，另外一方面也是因?yàn)樗麄兊?，其?shí)沒(méi)什么可怕的成本。整個(gè)星艦項(xiàng)目每年總共只有20億美元左右的現(xiàn)金流，是花小錢辦大事的典范。

　　當(dāng)然還有一些很聰明的設(shè)計(jì)就不詳細(xì)展開了（比如用筷子夾火箭，可以省下著陸支架的重量）。總而言之，馬斯克和他的團(tuán)隊(duì)確實(shí)能找出最簡(jiǎn)明最高效的設(shè)計(jì)方案，也能夠充分利用既有的技術(shù)，更能夠降低成本。他們給傳統(tǒng)的行業(yè)從業(yè)者帶來(lái)的震撼往往不是技術(shù)層面，而是觀念層面，他們真的是在用一種六七十年以來(lái)從未有過(guò)的方式做著航天。

　　比如說(shuō)火星學(xué)會(huì)那次我就遇到了獵戶座飛船的總設(shè)計(jì)師胡先生（此人真的姓胡，名叫霍華德胡，也真的是華裔），他就很坦誠(chéng)的跟我說(shuō)“Space x的架構(gòu)比我們好，他們的團(tuán)隊(duì)緊湊而高效”。中國(guó)的同行也大致是這樣的看法，實(shí)際上這事兒是可以公開說(shuō)的，比如說(shuō)某單位就在他們的公號(hào)里推了這樣的文字：

　　他們確實(shí)應(yīng)該有危機(jī)感，因?yàn)轳R斯克的團(tuán)隊(duì)總共才六七千人，中國(guó)的航天卻30多倍于此，得到的支持更遠(yuǎn)非馬斯克所能比，可是偏偏星艦、星鏈這樣的產(chǎn)品卻出自馬斯克那里。如果真說(shuō)要改，我覺(jué)得恐怕不是什么技術(shù)問(wèn)題，而是一種文化。

　　中國(guó)的學(xué)生往往都知道，不要隨便去駁導(dǎo)師的觀點(diǎn)，哪怕你的是有道理的；那進(jìn)了企業(yè)和單位，也都知道不要隨便去駁“某某總”“某某院士”的方案，往往只要他們開了口拍了板，就去做就好。但是在spacex也好，特斯拉也好，什么方案都可以去駁，哪怕是馬斯克本人拍板的方案，只要你能夠詳細(xì)的有理有據(jù)的論證出你的方案比他更好，照樣是會(huì)受到獎(jiǎng)勵(lì)和提升乃至重用的。比如說(shuō)星艦的材料問(wèn)題，最初選擇碳纖維就是馬斯克拍的板，收購(gòu)那家做碳纖維的公司，當(dāng)然更是他的行動(dòng)。就當(dāng)萬(wàn)事俱備的時(shí)候，突然間出來(lái)一個(gè)人詳細(xì)計(jì)算了使用不銹鋼的數(shù)據(jù)，于是他們真的把馬斯克“欽定”的方案推倒重來(lái)。這樣，他們真的是發(fā)揮了群眾的智慧，而我們?cè)诜桨笇用嫱皇悄敲刺囟◣讉€(gè)人的意見。

　　總結(jié)一下就是，Space x的成功是很多方面的，在他們離經(jīng)叛道的設(shè)計(jì)思路和非專業(yè)的出身和組織架構(gòu)的表面下，其實(shí)藏著對(duì)工程的深刻理解和其他同行難以企及的雄心壯志。成功歸成功，他們畢竟搞的是技術(shù)而不是巫術(shù)，是可以被理解，可以被學(xué)習(xí)的。他們能做到，我也并非做不到。

　　作者：海北尬生，因其嘗求學(xué)于北海之北，每不顧環(huán)境而放尬言，故起此名也。喜航天，愛讀書，本學(xué)理工，愛好文學(xué)。

　　~the end~