探秘馬斯克的思維模式：一邊賺錢一邊科研，搭便車模式不香嗎？

作者：科普作家 吳京平

獵鷹9號(hào)火箭為了提高運(yùn)載能力，不得不拼命瘦身。畢竟在發(fā)動(dòng)機(jī)稀松平常的情況下，這是唯一的辦法。所以他們的措施就特別的激進(jìn)，比如采用了鋁鋰合金來(lái)建造火箭。為了省錢，開發(fā)了特別的攪拌摩擦焊技術(shù)。

有人給我留言，他們說(shuō)攪拌摩擦焊技術(shù)并不是馬斯克他們發(fā)明的。這話是沒錯(cuò)的，這是一個(gè)老技術(shù)了，為的就是解決很薄的板材焊接的問(wèn)題。大家知道，鋁板很難焊接，所以到現(xiàn)在，飛機(jī)的機(jī)身都是用鉚釘鉚的。攪拌摩擦焊接就是用高速旋轉(zhuǎn)的摩擦頭在兩塊金屬板的邊緣進(jìn)行摩擦，利用摩擦產(chǎn)生的高溫來(lái)融化金屬。

你可別忘了，這個(gè)旋轉(zhuǎn)的摩擦頭不僅僅是加熱金屬，還能把融化的金屬給攪拌在一起。甚至能夠把一塊鋁板和一塊銅板給焊在一起。反正焊接效果很好，現(xiàn)在用的越來(lái)越廣泛，不管是在飛機(jī)船舶還是轎車，其實(shí)很多地方都在用。

但是具體到SpaceX公司，他們要焊接的是兩個(gè)相互垂直的鋁板，一般的攪拌摩擦焊技術(shù)就使不上力氣。要解決攪拌摩擦的那個(gè)摩擦頭45度斜著轉(zhuǎn)的問(wèn)題，這是馬斯克他們公司特有的問(wèn)題，這個(gè)技術(shù)是他們特別開發(fā)的。

反正，馬斯克他們是商人，一切都是從降低成本的角度去出發(fā)的。這樣反而比不計(jì)成本進(jìn)步更快，因?yàn)榛鸺阋耍簿涂梢远鄿y(cè)試。膽子大一點(diǎn)也不要緊。為了多裝燃料，1.1版拉長(zhǎng)了火箭的長(zhǎng)度，突破了15的長(zhǎng)徑比。15是中國(guó)航天界的一個(gè)心理極限。當(dāng)年拉長(zhǎng)東風(fēng)2號(hào)，造成第一次試驗(yàn)失敗留下的心理陰影。但是馬斯克毫無(wú)心理負(fù)擔(dān)，他才不管這些條條框框呢。

這事兒，我們就要說(shuō)道說(shuō)道了。解決火箭大推力的問(wèn)題，是可以用捆綁式的，馬斯克卻偏偏不喜歡捆綁式。因?yàn)槔壥揭?dú)立設(shè)計(jì)助推器，在馬斯克看來(lái)，這是不合算的。助推器是要中途拋棄的，這時(shí)候，你要回收火箭的第一級(jí)，同時(shí)還要回收火箭的助推器，這多麻煩啊。如果是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)桿子，就沒這些丁零當(dāng)啷的事兒。

推力不夠怎么辦？那就瘋狂的壓榨火箭的重量，拼命發(fā)掘發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力，反正就是不能搞什么捆綁式。這個(gè)思路和當(dāng)年我們研發(fā)長(zhǎng)二捆是完全相反。

還有一個(gè)因素也不能不考慮，那就是火箭的運(yùn)輸問(wèn)題。如果從加州的工廠里運(yùn)到范登堡空軍基地，那還比較近。如果是運(yùn)到卡納維拉爾角，那可就麻煩了。用火車運(yùn)輸?shù)脑挘睆讲荒芴?。我?guó)的火箭長(zhǎng)期保持在3.35米的直徑，就因?yàn)榘l(fā)射場(chǎng)都在內(nèi)陸，翻山越嶺走隧道，粗了過(guò)不去。一直到長(zhǎng)征5號(hào)，發(fā)射場(chǎng)在海南島，坐船就可以去，這才把直徑加大到了5米，所以長(zhǎng)征5號(hào)又叫“胖五”。

航天愛好者都喜歡盯著用來(lái)運(yùn)輸火箭的那兩艘運(yùn)輸船，也就是遠(yuǎn)望21號(hào)和22號(hào)，這兩艘船是專門用來(lái)運(yùn)輸火箭的，母港在江陰。一旦發(fā)現(xiàn)這兩艘船出動(dòng)了，八成就是海南的文昌航天發(fā)射場(chǎng)有任務(wù)。

總之，獵鷹9號(hào)火箭也不得不考慮運(yùn)輸?shù)囊蛩?。直徑?米多的話，哪怕走公路運(yùn)輸，也是可以實(shí)現(xiàn)的，靈活性最好。當(dāng)然，另外一個(gè)考慮就是蚊子腿也是肉，火箭細(xì)一點(diǎn)，阻力小，節(jié)省燃料。一方面采用非常激進(jìn)的新材料新工藝，一方面在設(shè)計(jì)上盡量的節(jié)省。獵鷹9號(hào)如今逆天的性能，其實(shí)就是這么一點(diǎn)一點(diǎn)壓榨出來(lái)的。

如果要發(fā)射體積龐大的載荷，3米多點(diǎn)的火箭不夠粗怎么辦呢？沒關(guān)系，用個(gè)大號(hào)的整流罩不就完了嘛。整流罩的直徑是可以達(dá)到5米多的。所以呢，1.1版本看上去多少顯得有點(diǎn)頭重腳輕。身體細(xì)長(zhǎng)，到那時(shí)頭部明顯胖了兩圈還多，這就是獵鷹火箭的一大特點(diǎn)吧。

馬斯克他們還跟蘇聯(lián)人學(xué)了一招，那就是燃料過(guò)冷。同樣的體積，如何讓燃料罐多裝一點(diǎn)燃料呢？冷凍啊，溫度降低一點(diǎn)，熱脹冷縮。體積不就小了嘛。反正這種油水不榨干也是浪費(fèi)啊。

當(dāng)然，這些措施都給火箭的回收創(chuàng)造了條件。如果不榨干火箭的份量，就騰不出份額來(lái)裝返回用的燃料，也騰不出額外設(shè)備的重量。要回收，總要裝4條支撐腿吧，這4條腿也是要帶上天的，也算份量。

但是，如何操控火箭垂直降落，獵鷹9號(hào)那么細(xì)長(zhǎng)的火箭如何在屁股朝下倒飛著陸過(guò)程里受控。這都是沒有把握的事情，所以，SpaceX做了一個(gè)小火箭，只用了一臺(tái)梅林1D發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)東西叫蚱蜢。火箭的身子就是獵鷹9號(hào)1.0版本，長(zhǎng)度32米，下面裝了4個(gè)固定的著陸腿，是不可收放的，一天到晚支著。這東西就是專門用來(lái)測(cè)試火箭垂直飛行的。

2012年的9月份，蚱蜢第一次起飛。這次其實(shí)沒裝多少燃料，就是起飛懸停測(cè)試。飛起來(lái)1.8米，持續(xù)了3秒就落地了。SpaceX的測(cè)試從來(lái)都是步步為營(yíng)。一個(gè)新火箭，從來(lái)都是從最基礎(chǔ)的功能做起的。11月份，蚱蜢跳起來(lái)7米，持續(xù)了8秒。你就看，火箭屁股猛噴出一團(tuán)火焰，火箭微微的上升了沒多高，然后就落了地。

12月份，蚱蜢火箭飛起來(lái)40米，持續(xù)了29秒，起碼這個(gè)過(guò)程，蚱蜢火箭的可控的，可以維持自己的姿勢(shì)。2013年3月份，蚱蜢飛到80米高，4月份飛到250米高度，而且有了抗風(fēng)的能力。后來(lái)嘛，越跳越高。到了8月份，蚱蜢飛起來(lái)，斜著飛上去，高度250米，橫移了100米，然后在橫著挪回來(lái)，然后垂直降落。

最后一次蚱蜢試飛，飛到了744米的高度。蚱蜢火箭的使命算是完成了，SpaceX基本掌握了火箭垂直起降的控制規(guī)律。

當(dāng)時(shí)，軍迷圈知道這個(gè)消息，有很多人感覺很神奇。這個(gè)馬斯克到底要干什么？好在我是知道20年前三角快帆的測(cè)試成果的。我知道火箭垂直起飛，然后平移，再降落并不是不可能的事情。我當(dāng)時(shí)是沒當(dāng)回事兒。類似實(shí)驗(yàn)并不新鮮，也不是第一次搞這個(gè)東西了。登月艙著陸難道不是這么玩兒的嗎？在比較理想的環(huán)境里做實(shí)驗(yàn)成功當(dāng)然沒問(wèn)題。但是實(shí)用化恐怕夠嗆，風(fēng)大一點(diǎn)，速度快一點(diǎn)，恐怕就夠嗆了。最后很可能就像三角快帆一樣，實(shí)驗(yàn)完了就完了。最后束之高閣。沒想到SpaceX居然沿著這條路走通了。

火箭的反推控制是一方面，這個(gè)靠在地面上用專門的實(shí)驗(yàn)火箭來(lái)摸索規(guī)律，另一方面是要搞清楚真實(shí)的一級(jí)火箭在把上面的第二級(jí)送走以后，自己是如何下落的，下落過(guò)程是不是可控，如何在巨大的逆風(fēng)之中，讓梅林發(fā)動(dòng)機(jī)二次點(diǎn)火，這個(gè)可是沒法用蚱蜢之類的火箭來(lái)測(cè)試的，只能用真火箭來(lái)測(cè)試。

SpaceX可以利用每次發(fā)射商業(yè)載荷的機(jī)會(huì)，搭便車來(lái)做實(shí)驗(yàn)。就這一點(diǎn)，過(guò)去的火箭研究單位就不敢這么做，這種做法是一邊賺錢，一邊搞科研，里外里都是賺的。這一次用來(lái)實(shí)驗(yàn)的就是獵鷹9號(hào)的1.1版本，這是1.1版本第一次發(fā)射，地點(diǎn)是在加州的范登堡空軍基地。

獵鷹9號(hào)1.1版第一次發(fā)射

一級(jí)火箭順利的把2級(jí)和載荷送走了。完成分離以后，一級(jí)火箭就開始自由下墜?；鸺郎y(cè)試了在逆風(fēng)之中二次點(diǎn)火。但是火箭在旋轉(zhuǎn)，離心力導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火了。最后，火箭的一級(jí)掉在海里，以45米/秒的速度摔扁了，摔的夠狠的。但是測(cè)試目的已經(jīng)達(dá)到了。過(guò)去哪個(gè)火箭的一級(jí)不是這個(gè)命運(yùn)呢？都是掉下來(lái)摔扁的嘛。

火箭倒退著往回飛，燃料罐基本上都是空的?；鸺牡慕饘贇ぷ幼疃嘁簿?0來(lái)噸的重量，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力都嫌太大。因此節(jié)流能力就很重要，要能夠把油門開到40%，才能剛剛好滿足要求。燃料罐是空的，僅剩下的一點(diǎn)燃料未必就聚集在罐子底部?；鸺患?jí)在掉下來(lái)的過(guò)程中，難免在空中亂晃，天知道燃料是不是被晃的飛起來(lái)了。所以，這也是麻煩事，要想辦法解決。

日后，馬斯克沒少利用獵鷹火箭的商業(yè)發(fā)射之余，順帶來(lái)做實(shí)驗(yàn)。這也是他進(jìn)步快的一個(gè)原因吧。

我們的長(zhǎng)征火箭系列是大大小小都有。比如說(shuō)，你要發(fā)太陽(yáng)同步軌道，沒關(guān)系，用長(zhǎng)征4號(hào)，從太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。這個(gè)火箭不大，低軌道衛(wèi)星足夠用了。

你要發(fā)地球同步軌道，沒關(guān)系，從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征3號(hào)發(fā)射。衛(wèi)星比較重，有5噸，那就用4個(gè)助推器的長(zhǎng)三乙。衛(wèi)星輕一點(diǎn)，3.8噸以下，用兩個(gè)助推器的長(zhǎng)三丙也行。打嫦娥5號(hào)探測(cè)器這樣重達(dá)8噸的的大型載荷送到月球，只能用長(zhǎng)征5號(hào)。打小衛(wèi)星，沒關(guān)系，用長(zhǎng)征6號(hào)或者是長(zhǎng)征11號(hào)打。

可是當(dāng)時(shí)馬斯克家的火箭只有一種——獵鷹9號(hào)。大衛(wèi)星是它，小衛(wèi)星也是它。小載荷嘛，就多裝幾顆，這就是個(gè)公交車。載荷比較輕，留有余力的機(jī)會(huì)是很多。這也正好給了馬斯克做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。

不過(guò)呢，有些實(shí)驗(yàn)，還是要在地面做。蚱蜢算是退休了。SpaceX就利用獵鷹9火箭1.1版一級(jí)的結(jié)構(gòu)，做了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)火箭叫F9R Dev 1。這個(gè)火箭安裝了可以收起來(lái)的支架，后來(lái)又增加了柵格舵，利用空氣來(lái)控制火箭下落時(shí)的姿態(tài)。算是蚱蜢的升級(jí)版。

柵格舵這個(gè)東西，又是一個(gè)充滿了俄國(guó)風(fēng)格的玩意兒。當(dāng)年的N1火箭就裝過(guò)柵格舵。蘇聯(lián)的R77空空導(dǎo)彈也裝了一個(gè)柵格舵。美國(guó)這邊到是也用，火箭的逃逸塔用來(lái)穩(wěn)定姿勢(shì)的就是柵格舵。柵格舵控制效率很高，不用太大的電動(dòng)機(jī)就能驅(qū)動(dòng)。缺點(diǎn)阻力太大，雷達(dá)反射截面大。不過(guò)用在火箭回收控制上，不在乎什么阻力和雷達(dá)反射截面。

F9R火箭上攝像頭拍到的柵格舵

F9R一共飛了5次，最高飛到了1000米的高度。馬斯克覺得有把握了。開始在真實(shí)的火箭上使用反推回收技術(shù)。畢竟每次商業(yè)發(fā)射都是他實(shí)驗(yàn)的好機(jī)會(huì)，沒必要再單獨(dú)花錢做實(shí)驗(yàn)了。

2014年4月，獵鷹9號(hào)要往國(guó)際空間站運(yùn)貨，要發(fā)射一枚龍飛船，順便就搞了第2次受控再入試驗(yàn)。這一次，火箭姿態(tài)得到了很好的控制，把下落速度降到很低，所以火箭掉進(jìn)水里沒摔壞，掉進(jìn)水里以后還發(fā)送了8秒的信號(hào)，可惜當(dāng)時(shí)海上風(fēng)浪太大，箭體最終還是損壞了。

整個(gè)2014年，馬斯克又搞了幾次回收試驗(yàn)，火箭最后都以很慢的速度掉進(jìn)了海里，畢竟下邊沒有船接著，所以只能掉在海里。

“我依然愛你如故”號(hào)

到了2015年1月10號(hào)，馬斯克開始搞完全版的回收試驗(yàn)了。也就是在海上完成回收。他們從船廠訂購(gòu)了兩艘大船，這兩艘船完全就是個(gè)巨大的平板，長(zhǎng)90米，寬50米，大概是半個(gè)足球場(chǎng)那么大吧。一艘叫“先讀說(shuō)明書”，一艘叫“我依然愛你如故”。有人奇怪這名字怎么那么長(zhǎng)啊。其實(shí)這兩個(gè)名字來(lái)自于班克斯的科幻小說(shuō)《游戲玩家》。

這一次出動(dòng)的是“先讀說(shuō)明書”號(hào)。在計(jì)劃好的落點(diǎn)等著獵鷹9號(hào)。獵鷹9號(hào)的第一級(jí)在把第二級(jí)和龍飛船送走以后，開始自由下墜。柵格舵張開，控制著一級(jí)火箭的下落姿態(tài)。這是一次在實(shí)戰(zhàn)中使用柵格舵，取得了大量寶貴的數(shù)據(jù)。

但是控制火箭柵格舵的液壓油不夠用了，最后火箭失控，只靠發(fā)動(dòng)機(jī)的偏轉(zhuǎn)沒辦法完全控制火箭的姿態(tài)，最后是斜著撞到了船上，起火爆炸了。馬斯克原來(lái)預(yù)計(jì)液壓油要用4分鐘，結(jié)果這次超出了10%的時(shí)間?？磥?lái)下次液壓油要多帶一點(diǎn)。當(dāng)然，到后來(lái)，馬斯克干脆用煤油來(lái)當(dāng)液壓油，省得帶專門的液壓油。當(dāng)年的土星5號(hào)火箭的F1發(fā)動(dòng)機(jī)就是這么干的，這也不是新鮮的技術(shù)了。

到了2月份，獵鷹9號(hào)還有發(fā)射任務(wù)。一級(jí)火箭還可以做回收試驗(yàn)。但是，這一次大西洋上風(fēng)浪太大，回收的平板大船無(wú)法到達(dá)指定海域。只能眼看著火箭慢悠悠的掉進(jìn)了水里。

又過(guò)了2個(gè)月，4月份，獵鷹9號(hào)把26顆小衛(wèi)星送進(jìn)了地球軌道，順便做回收試驗(yàn)。這一次，火箭倒是準(zhǔn)確的落在了船上，但是還是沒站穩(wěn)，倒在了船上，最后還是爆炸了，真是差一點(diǎn)都不行。

沒關(guān)系，6月份還有一次機(jī)會(huì)呢，還是用龍飛船給國(guó)際空間站送補(bǔ)給。哪知道，這一次出事兒了……下周末繼續(xù)更新，你可以關(guān)注我的賬號(hào)。