SpaceX系列：太空旅行成本革命Part 3

改变游戏规则

记得我们看过的这张图吗：

马斯克估计，一张前往火星的票价可能是50万美元，这可能是使蓝色圆圈足够大，以至于绿色区域能够容纳一百万人的关键数字。

他描述说，以50万美元的票价，就像在加利福尼亚州购买一个中产阶级的住宅，“大多数发达国家的人，到了四十多岁左右，都可以凑足足够的钱来进行这次旅行。”

那么我们离实现这个目标有多近呢？在1989年，老布什提出了一个将美国宇航员送上火星的计划，NASA估计需要4500亿美元。用于发送4~6名宇航员。每个座位约1000亿美元。

相对于马斯克每个座位50万美元的目标，这是200000倍的差距。

2004年，小布什考虑了将美国人送上火星的想法。NASA称这将需要500亿美元。每个座位100亿美元。仍然高出目标20000倍。

那么如何将一个东西的价格降低20000倍呢。

马斯克的计划是从两个角度来解决这个问题。

1）吸引更多人

猎鹰火箭家族是SpaceX的摇钱树，但无论猎鹰还是龙飞船都不会带人去火星。

首先，龙飞船的尺寸相当于一辆SUV——去火星至少需要三个月的时间。这不是一个好的计划。其次，如果你要去火星，最好是开一个大型拼车。这就是为什么SpaceX有一个长期计划，要建造一枚火箭，让猎鹰9看起来像一个热狗——火星殖民运输器MCT（Mars Colonial Transporter）。

MCT火箭将是一个巨型火箭，由一种更强大的SpaceX发动机——名为猛禽（Raptor）的发动机提供动力，它的飞船将能容纳至少100人。（译注: 2023年4月SpaceX进行了装配猛禽发动机的火箭首次发射。）

因此，如果SpaceX能够实现这一点，他们至少可以将目前的每座位成本估计降低20倍。

现在我们要将价格打下1000倍。

还有另一件事——通过猎鹰的创新，SpaceX已经将发射成本降低到行业标准的五分之一，马斯克相信在未来几年内，这个成本将降低到行业标准的十分之一。由于小布什的估算是基于行业标准成本，这将使成本降100倍。

更大的太空船可以帮助降低去火星的单个座位成本，但对于今天的商业发射行业来说，它并没有改变任何事情，它无法使成本足够低，以便将大量人员送往火星，也无法解决马斯克所说的“太空探索的根本问题”。

那么，我一直在兴奋地提到的这个重大创新究竟是什么呢？

2）可重复使用性

想象一下当前的航空旅行行业，只有一个关键的不同之处：一架“飞机”只能飞一次。每次飞行都在一架全新的“飞机”上进行，飞行结束后，乘客走出航站楼，飞机被拆解成废金属和可能可重复使用的零件，这些零件被送往翻新，以供未来的“飞机”使用。

一架“飞机”的制造成本约为3亿美元。所以在这个新模式下，除了支付机组人员的时间和燃料费用，航空公司还必须额外花费3亿美元来建造“飞机”。这会导致什么？

首先，可用的航班将非常少——航班时间将受制于“飞机”的生产速度。

其次，芝加哥到旧金山的往返机票价格现在将为每人约150万美元。这还是说经济舱。

空军一号仍将存在。富裕国家将拥有一支小型军事航空队。一些政府会飞行以进行某些类型的科学实验。拥有100亿美元的人可能会经常飞行，但只有10亿美元的人可能无法负担得起。

至于你呢？你将出生、生活并在没有乘坐过飞机的情况下离世。

如果是这种情况，人们可能会看着不存在的航空旅行业，并得出结论：显然没有公众愿意通过飞机旅行。

政治家们会反对将大量政府资金投入到这种昂贵的活动中。大多数人甚至不会完全理解飞机是如何运作的，他们不会浪费时间想象如果每个人都能使用飞机，世界会变成什么样子。坐飞机这种事成不了话题。我们只会坐汽车、火车和船，仅此而已。

你能明白我要说什么吗？

历史上没有人——无论是美国、苏联，还是停滞不前的ULA——都没有找到如何使火箭可重复使用的方法。

火箭花费数月时间进行建造，升空进入太空，要么在大气层中烧毁，要么坠入海洋成为废金属。

问题不在于没有人尝试过——美国和苏联都投入了数百亿美元来解决这个问题——问题在于没有人找到解决方法。

太空飞船系统据说是“可重复使用”的。

但太空飞船有三个部分：

• 飞船，真正可重复使用；

  
  

• 火箭，技术上可重复使用，但需要九个月的翻新，这使得性价比的探讨无意义；

  
  

• 大型橙色燃料箱，完全不可重复使用，发射后立即变成垃圾。

结果，太空飞船任务的成本令人发笑，每枚飞船的成本超过16亿美元（每名宇航员超过2亿美元）。

更大的航天器，加上SpaceX的成本节约创新，从理论上将成本降低到目标的两个数量级——每人5000万美元。而且这个成本假设每次飞行都需要建造一架新的MCT。

SpaceX的第一个任务是找到如何将物体送入轨道。现在他们正在进行一项更加艰巨的任务——可重复性。

如果SpaceX能够创建他们所谓的“全面和快速可重复使用的火箭系统”，只需要支付燃料、维护和内部支持系统等发射成本，就像飞机一样，这将使太空旅行的成本降低100倍。甚至可能更多。

那么，怎么做呢？

首先，你需要更好的着陆方式。马斯克描述了火箭和航天器可以降落的三种方式：

着陆类型1（最基本）：降落在海洋上

这是几乎所有航天器今天的着陆方式，如果它们还有机会着陆的话。

问题：降落伞在没有空气的地方，如月球上，是不起作用的；在腐蚀性的海水中着陆会严重损坏设备；这种方式是不严肃的（想象一个外星人试图通过降落伞在我们的海洋上着陆，然后不得不游泳上岸，试图给人以威胁）。

着陆类型2（中级）：翼和轮子着陆在跑道上

这是航天飞机的着陆方式。

问题：机翼在没有空气的地方，如月球，或没有跑道的地方，包括地球以外的任何地方，都不起作用。虽然这种方法可以用于航天器，但用于火箭会更难——完全可重复使用意味着要使航天器和火箭各级着陆。

着陆类型3（高级）：推进着陆

推进着陆意味着以火箭升空的方式降落。这就是阿波罗登月舱（如阿波罗11号的“鹰”）在月球上的着陆方式。

推进着陆允许你将火箭或航天器整齐地降落在一个着陆平台上，对飞行器的损坏最小。

想象一个航天器进行推进式着陆要比火箭进行推进式着陆更容易，因为我们以前看到过航天器这样做。

龙飞船2正在设计成着陆专家——用于紧急情况中的那些SuperDraco发动机也将用于着陆，龙飞船将能够在太阳系中任何固体物体的任何类型表面上着陆，就像直升机可以在地球上着陆一样容易。

用这种方式着陆火箭是一个更陌生的概念，也更加困难。这是SpaceX关于猎鹰和龙飞船可重复性的愿景，值得一看：

如果成功，这个想法是，一架火箭和航天器可以着陆，进行加油，并在几小时内重新升空。再次起飞——就像飞机一样。

朱科萨告诉我，第一个也是最重要的一步是学会如何仅着陆猎鹰的第一级。

它最重要，因为第一级的成本与大型喷气式飞机的成本差不多，占据了火箭总成本的大部分（特别是发动机）——如果他们在这方面取得成功，这将是一个巨大的进步。他们将向全世界展示，包括目前非常怀疑的航空航天工业，可重复性确实是可能的。他们将为其他火箭制造商提供削减成本的蓝图，并开启太空旅行的新时代。

下面这是第一级火箭回收的理想设计：

当说到“燃烧”时，它指的是单一主发动机（位于中间的那个）点火。由于重量在发射过程中是一个如此重要的因素（几乎没有余地来增加重量，否则火箭将无法将有效载荷送入轨道），火箭将携带足够的燃料进行三次燃烧。

第一次用于停止火箭的弹道轨迹（即其自然的弧线轨迹）并将其指向着陆点。

第二次用于减速——从3000英里/小时（约合4800公里/小时）减速到550英里/小时（约合885公里/小时），以便在大气层中不会烧毁。

第三次在着陆平台正上方使用，将速度减缓至5英里/小时（约合8公里/小时）。

由于天气多变且不可预测，火箭中有很多软件感知外部力量并调整轨迹。火箭上有称为“格栅翼”的小翼片，它们可以打开并引导火箭（格栅翼和着陆架也可以减速火箭，将最终速度减半）。格栅翼在大气中工作，但在没有空气的太空中，格栅翼是没用的，因此火箭通过“冷气喷射器”排出的小型氮气喷嘴来引导。

如果一切按计划进行，发射后约九分钟，火箭将在距离发射台200英里的海上浮动平台着陆：

图片来自： SpaceX

这很难。

如果将所有尺寸缩小，就像是在摩天大楼的顶部发射一支铅笔，然后试图将其着陆在地面上的一个鞋盒上——而且还是在刮风的日子里。

SpaceX将通过大气层控制下降的挑战比作“试图在风暴中间在手上平衡一根橡胶扫帚”。

Popular Mechanics评论道：“这真是令人紧张的精细活，因为其中成千上万个活动部件中的任何一个都可能将整个系统推向混乱。如果火箭确实软着陆在驳船上，那是因为数百万次疯狂而精密的自我调整让猎鹰9号在度过混乱时保持了镇静”。

为了磨练技能，SpaceX创建了一个他们称之为“蚱蜢”（Grasshopper）的第一级火箭。在2012年，他们能够将Grasshopper发射到一个12层楼高的高度，暂停在那里几秒钟，然后将其带回至发射平台：

在接下来的两年里，他们不断将Grasshopper发射得更高，最终将真正的猎鹰9号第一级火箭发射到空中一公里高处，并将其返回至平台。

最终，是时候进行真正的尝试了——在实际的发射中。在2015年1月，SpaceX进行了一次例行发射，将第一级火箭通过大气层并试图将其着陆。网络上有视频（带有声音，有点有趣）：

接近！差不多！这就是SpaceX的人们所称之为“RUD”——快速非计划拆卸。

他们原本计划在次月的发射中再次尝试，但由于天气原因取消了。最终他们在四月份获得了第二次尝试的机会：

就差一点点就对齐了！

但随后火箭像个醉汉一样倾斜，爆炸了。

第三次尝试原计划在六月进行……

所以，如果你现在才开始关注所有这些内容，幸运的是这种情况还没有发生。你现在可以开始关注并在他们第一次创造历史时现场观看（我发现了一个最好的方法来了解SpaceX的发射计划，就是在维基百科页面上，要了解重大进展并找到现场发射网络直播链接的最佳方法是关注SpaceX的Twitter账号）。

2015年应该会有几次更多的尝试。如果历史是一个指标，一旦SpaceX第一次成功，他们可能就能每次都成功。

更新：在2015年12月21日，SpaceX首次发射自2015年6月的失败以来。不仅任务完美成功（将11颗卫星送入轨道），他们还成功地将火箭降落。

他们做到了。我很幸运能够在SpaceX总部观看这一刻（我是网络直播的特邀联合主持人），这是我见过的1000多人的房间里最令人兴奋的时刻。

当我为这篇文章进行研究时，为了确保马斯克真的认为这个去火星的门票价格是50万美元，我给他发送了一封电子邮件，阐述了我所理解的逻辑，以查看他是否真的这么想。以下是他的回答：

是的，这些看似荒谬的百分比改进，但并非不可能。解决方案的关键要素是火箭的可重复使用性和低成本推进剂（甲烷和氧气，O/F比约为3.8）。当然，在火星上制造返回推进剂也很重要，因为那里有方便的二氧化碳大气和大量在土壤中冻结的水。

技术上的设计目标是每次飞行的有效货物重量在100多吨，因此可能可以带走100多人。这取决于每个人需要多少支持自身和行李的允许质量。

航电系统、传感器、通信、车辆结构的各个方面、着陆平台以及其他一些事情在规模上都有所改善，而且在邮轮上比在公共汽车上更有趣，因此我怀疑每次飞行的人数会随着时间的推移大幅增长，也许会增加到几百人。此外，我们可以通过为头等舱收取更高的费用来为经济舱提供补贴。

考虑到上述所有因素，并在最终可行性的情况下将每吨或每人的成本降低到不到100，000美元，因为这样的旅行成本主要由推进剂支配，其中大部分是液氧，仅为40美元/吨（尽管每吨有效货物需要大量液氧）。那将是非常棒的！

只是一个去火星的经济游轮而已，没什么大不了的。

使这成为可能的工作是第二阶段的任务，SpaceX似乎正在朝着完成这个目标迈进——可能在接下来的十年内。一旦他们到达那个目标，他们将能够开始他们任务的最终阶段——这将天翻地覆。

本文来自微信公众号：Wait But Why （ID：wbwtimurban），作者：Tim Urban，译者：Eric Zhu，编辑校对：老屋厨子、Edina