SpaceX系列：太空旅行成本革命Part 1

第二阶段：让这普通人坐不起的大家伙便宜点吧！

主角：猎鹰9号，龙飞船，重型猎鹰火箭。

目标：让开往火星的单程票降到50万美元一张。

时至今日，很多人对SpaceX（太空探索）这家公司有所耳闻，但知道它是干什么的人不多，更鲜有人了解它“真正”搞了些什么事。

让我来告诉你：SapceX其实在为大家充当太空物流公司，哦当然，也是为马斯克赚钱。

正如我们所确定的，以下是SpaceX真正所做的：它作为一台创新引擎，试图解决一个重大问题——天价的太空旅行成本——因为这是使人类成为一个能够作为多星球居民并在宇宙这台电脑的其他“硬盘”上备份自身文明的关键（关于宇宙电脑“硬盘备份”的概念还记得前面的内容嘛）。当然，它也通过为人们将物品送入太空来维持自身，以获取利润。

我们稍后会详细介绍实际所做的部分。首先，让我们看看它的这一行为寓意着什么。

猎鹰9号

在2008年，随着成功完成轨道发射，并有大批新客户急切希望加入SpaceX奇异而“廉价”的太空运送服务。是时候让SpaceX脱去训练轮，打造一辆属于他们自己的“哈雷”摩托车了。

让我们暂时把这个话题放在一边。先来看看这个大宝贝：猎鹰9号火箭。可以说这是世界上最大的阳具形状雕塑。这形状是每位SpaceX员工都得接受的事情，是萦绕在他们职业生涯之上的，也是一个难以启齿的事实。而且这也是我们所有人将要共同面对的。它长得很怪，但也真的很大。悄悄给你看一眼：

抛开外形问题不谈，猎鹰9号火箭是世界上最先进的火箭，是猎鹰1号火箭的巨大升级。猎鹰9号火箭巨大无比——高达224英尺（68米），是猎鹰1号的三倍多，相当于一个20层楼高的建筑。若将其侧放，其长度将能够延伸至横跨足球场的3/4。

而且，猎鹰1号只能将不到1吨的有效载荷送入轨道，猎鹰9号却能携带13吨。在各个方面，猎鹰9号都使得SpaceX能够成为其他火箭制造领域的大鳄们的强大对手。

了解火箭将会让你对它产生深深的敬畏。

一枚火箭必须非常坚固，它是一个装满爆炸物的、重达1000吨的物流车，以可怕的速度穿越飓风强度的大风。同时，又必须精确到毫米级别的设计，因为它包裹了像计算机电路板、精密卫星和人类这样的易碎物品（甚至没有垫泡沫）。

常规的制造技术并不会适用于如此特殊的物体——在SpaceX的工厂里，我看到了一些奇形怪状的猎鹰9号零件，它们必须通过3D打印（和设计）制造，因为没有其他好的方法可以使它们达到完美的制作要求。

但由于这些并不是我们的问题，让我们忽略所有细节，对这个物流车进行高度简化，它大概有这些部分：

第一级火箭

第一级火箭有一个非常重要的任务，就是在大约三分钟的时间内将第二级火箭和它所附着的有效载荷抬升到约100公里的高度，然后完成自己的使命，坠入海洋。

第一级火箭与猎鹰9号的几乎所有部分一样，是在SpaceX的加利福尼亚总部制造的。第一级火箭的大部分是一个带有两个关键部分的大型燃料箱：一个是巨大的火箭级煤油储罐，旁边是一个巨大的液态氧气储罐。

在火箭上从空气中汲取氧气是行不通的，因为火箭很快就会飞得太高，周围的氧气很少。因此，它必须携带氧气。氧气在零下297.3华氏度（零下183摄氏度）时变成液体。一旦变成液体，它的密度约是气体氧气的1000倍，所以可以装载很多。这两种成分被混合在一起，形成爆炸型推进剂，才得以让这个大家伙一路火花带闪电地窜上天。

蓝盒子: 火箭发动机的工作原理

对于一个并不让他公司生产油车的，且超级反感化石燃料的人来说，选择在每次火箭发射中消耗数百吨燃油貌似有些奇怪。其原因在于火箭必须燃烧燃料——马斯克甚至说过他认为最终所有交通工具都会电动化，除了火箭。

归咎于牛顿第三定律，每个作用都有一个等量而反方向的反作用。牛顿第三定律解释了为什么一个放气的气球会朝着相反方向移动，为什么枪在射击时会向后弹，以及为什么下面这个笨笨的人朝着码头跑时，他的独木舟会离开码头：

当你考虑推动一辆车辆时，可以借鉴同样的思路。

一种推动车辆的方法是使用螺旋桨。螺旋桨通过向一个方向推动空气，从而将螺旋桨和与其连接的东西推向另一个方向——有点像站在墙壁一英尺远的地方，用手推墙壁，这会使你的身体远离墙壁。

但问题是，在太空中没有空气可以作为螺旋桨的推动对象，所以在那里使用螺旋桨就像站在远离墙壁的房间里，向空无一物的地方推你的手，这根本不会让你向后移动。即使在上层大气层中仍有一些空气，但如果空气太稀薄，就像试图通过用手臂推悬挂的窗帘来得到强大的推力，效果也不会好。

另一方面，如果你在太空中放气一个气球，气球会向后射出——就像在地球上一样——因为在这种情况下产生的力不是通过对气球外部的空气施加推力（类似于螺旋桨），而是由于气球内部的气压远高于外部，气压差迫使气体从气球内部排出。

事实上，如果你漂浮在太空中，手里拿着一个充满气体的气球，你可以通过将气球朝相反方向放气来稍微移动自己一下——而在气球放气的瞬间，气球就成了一个引擎。（译注：如有兴趣，可以看看《火星救援》一书中，主角的“钢铁侠计划”，一个道理。）

猎鹰9号底部的引擎就好比更强大的放气气球。爆炸会产生极高的温度和压力，使爆炸的气体迅速膨胀到周围的低压空间。如果某物在一个空旷的领域中爆炸，它可以向所有方向扩散，但向下的压力较小，它会是这样：

火箭发动机创建了一个与上述殊途同归的爆炸，但是就像放气的气球一样，发动机可不会让力量散漫地向任何方向扩散。而一旦使向其他方向的力被“排斥”，只会增加这一个它想要的力量：

所以这就是为什么火箭发动机在真空中能够工作。它们不需要外部的任何东西，比如空气，来施加压力——通过排出大量炽热气体，它们本质上是在向下推动。

马斯克很希望能找到比爆炸燃料更好的方式来推动火箭，但他不确定人们是否会找到这样的方法。我问过他这个问题，他说：“要是谁能让火箭电动化，可以给ta搞来好几个诺贝尔奖。”

梅林发动机

猎鹰1号的升空完全由一台名为“梅林”而极具威力的SpaceX原创发动机推动。它长这样：

这九台梅林发动机共同产生了650吨的推力，足以一口气将360辆叠罗汉的汽车送入太空（这高度将相当于一号世界贸易中心）。它们每秒燃烧掉合共540加仑（约2044升）的燃料，足以在不到一分钟的时间内排干一个游泳池。

大部分发动机产生的推力用于提升火箭及其燃料，二者总重约为550吨，这种情况下，它仍有足够的余力让我们给它添加一个相当大的载荷。

第二级火箭

发射三分钟后，第一级和第二级火箭将分道扬镳：

第一级火箭会返回地球，现在是第二级火箭展现身手的时刻。

第二级火箭只是第一级火箭的迷你版本，它也主要充满了燃料。但不同于第一级火箭的九台梅林发动机，第二级火箭只有一个发动机——一个特殊版本，专为在太空真空中使用，带有喇叭形延伸以增加推力。

这里只需要较少的发动机，原因有：1. 不再有浓厚的大气层；2. 没有第一级火箭附着时所需举起的重量；3. 已经飞得很快，所以发动机也没啥事可干。

第二级火箭的任务可以在几分钟内完成，也可以持续多个小时。它的发动机可以开关，具有方向机动性。它的任务是精确地将有效载荷送到准确的位置和速度。一旦完成任务，它会与有效载荷分离并脱离：

说到有效载荷，猎鹰9号的顶部有两种不同的外观，区别在于它携带的是哪种类型的有效载荷。以下是第一种方式：

当猎鹰9号的顶部看起来像这样时，通常是携带卫星。顶部的凸起部分是一个由两部分组成的保护性贝壳状物体，被称为“舱盖”（fairing）。它看起来大约有一个浴缸的大小，但实际上它的尺寸相当于一辆校车。

当第二级火箭达到一定速度（大约是子弹速度的四倍）后，舱盖的两半会分离并返回大气层中燃烧消失，像这样：

猎鹰9号的另一种有效载荷长这样：

如果它顶部有长得偏向于三角形的部分，代表着这根火箭搭载着龙飞船。

龙飞船

尺寸类似SUV的龙飞船由SpaceX制造，用于运送“快递”，并有朝一日将人员从太空运送回来。NASA与SpaceX在2008年签订的大合同涵盖了12次龙飞船前往国际空间站的任务。

在上面的图片中，右半部分的锥形物体是“龙”飞船的加压舱，也是唯一返回地球的部分。左边的圆柱形部分是未加压的货舱，可以运载额外的货物，并携带太阳能电池板（这是“龙”飞船在太空中获取能源的方式）。两者合在一起可以携带约六吨的“快递包裹”。

侧面的小孔是“龙”飞船在太空中用于机动的小推进发动机，底部则是用于再入大气层的热护盾。

作者介绍，Tim Urban，Wait But Why的作者，专注写专题式深度长文，是特斯拉创始人马斯克和Facebook创始人强烈推荐的科技博主。他写的AI文章是全世界转发量最高的，他也是TED演讲有史以来最受欢迎的演讲者之一，代表作《拖延症候群的内心世界》成为他点击率最高的演讲。

译者注：哈喽，我是Eric，经过与老屋厨子的长年配合，我终于从幕后走到台前，成功担当了翻译Tim Urban文章的重担。当然，厨子会依然和我们在一起给予支持。其实这也不算重担，Tim的文风很亲切，而我也是个轻松愉快的人，所以我俩算是隔空一拍即合。

我本人在广州求学，对工科很感兴趣。很小时候就看完了马斯克的自传。讲真，小孩子很难沉下心看一本自传，但马斯克的生涯太抓马了，很有意思，建议大家也去看。

后来我又读完了Tim Urban的各个系列，包括有关人类故事、人工智能和脑机接口等。刚通读完Space X系列原文时就觉得：确实是我了解到的那个马斯克和那个太空探索公司，但Tim的语言远比曾经那些新闻有趣，于是耐着性子再看一遍这些故事：哇哦，还是那么让人觉得震撼!

我也算是个马斯克的粉丝吧，这个“疯子”总能突破常理，搞出一些惊世骇俗的大家伙，真的很让人敬佩。当然，作为一个向往斯坦福，又致力于科技创业的学生，马斯克这种从斯坦福辍学创业的牛人真的很难不崇拜，太有能力和魄力。

最后，希望我翻译的文章能够让各位读者享受Tim原文的丰富与乐趣，了解马斯克和太空探索那些惊世壮举。

本文来自微信公众号：Wait But Why （ID：wbwtimurban），作者：Tim Urban，编译：Eric Zhu