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SpaceX:私人航天的旗手

在马斯克和他的SpaceX成功前,人们绝不会相信有人能凭借私人资本之力进行航天发射——航天工程动辄耗费举国之 力的印象在人们心中根深蒂固。但马斯克和SpaceX不仅做到了,还因此而取得了盈利。 编辑:关志宁

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艾伦·马斯克1971年生在南非,10岁开始自学编程,12岁时靠编写一个太空小游戏赚了500美元。从1992年开始,马斯克先后辗转在在加拿大皇后大学、美国宾夕法尼亚大学和斯坦福大学间。获得了商学和物理学学位。青年时代,马斯克就对自己的事业 发展有了明确方向:互联网、清洁能源、以及太空。

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1998年,马斯克合伙创办了一个在线支付网站X.com,这个网站后来发展成了全球用户数量最大的在线支付平台PayPal 。2002年10月,eBay出资15亿美元收购了PayPal。使马斯克一跃成为互联网商界的又一个亿万富翁。现在马斯克有钱了,可以按自己的意愿去做很多事情,比如进军太空。

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必须在此说明一下美国航天市场的大背景:当时的美国太空发射,被波音和洛马两大巨头共组的“太空发射联盟”所垄断。联盟主要向美国政府提供德尔塔和宇宙神两个火箭系列。图为洛马公司的宇宙神5火箭

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这种一家独大的格局缺点很明显:发射费用高昂,单次发射平均报价高达4亿美元。联盟反正也不愁没生意——有大把美国军方卫星不可能交给外国人射。垄断的结果就是美国的太空发射基本丧失了国际竞争力。图为波音的德尔塔4重型版火箭

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2002年6月,马斯克出资1亿美元创立SpaceX。马斯克认为航天发射的价格高昂很大一部分成本是被庞大的行政机构所吞噬。所以 SpaceX的目标从一开始就定位为提供低成本的发射服务。

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航天发射,长期以来给外界尖端神秘的感觉。但实际上,从1926年戈达德测试人类第一枚现代火箭至今,这门技术早已不再神秘,材料学的进步也使很多前人困扰的技术门槛可以被普通人轻易跨过。互联网上也能免费获得很多过去保密的设计图纸。如今 SpaceX要做的就是用成熟的技术打造出市场上价格最低廉的商用航天器。

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SpaceX的发展获得了美国政府大力扶持。军方和NASA对于对太空发射联盟的肆意提价行为积怨已久。SpaceX的主力发动机默林1系列技术源自阿波罗登月时代的指令舱主引擎,NASA向其开放了技术。该发动机使用无毒无害、贮存方便的煤油燃料,技术成熟,简单可靠。

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SpaceX的处女作是猎鹰1号火箭。它是一枚小型二级火箭,第一级装一台默林1A。以2006年的币值,猎鹰1号每次发射只需670万美元 ,这已经是个很低的价格。

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首枚猎鹰1号的发射算不上顺利,2005年9月12日最初的发射因火箭着火取消,之后经历了一再的延期。一直等到2006年3月24日,猎 鹰1号才首次发射。但结果却是升空25秒后火箭损毁,发射失败。

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猎鹰1号的首射失败只是个开端。一直到2008年8月,SpaceX的前三枚火箭发射全部都失败了。但2008年9月,猎鹰1号终于时来运转 ,成功升上太空。这也令SpaceX成为首个成功发射运载火箭的私营企业。

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酬载仅有几百公斤的猎鹰1号完全不能满足马斯克的胃口,他的目标就是与波音、洛马这些航天巨头竞争。猎鹰1号成功后,SpaceX拿 出了他们真正的王牌:猎鹰9号运载火箭。

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猎鹰9使用3.66米直径的箭体,为了以最小成本实现推力的增大,SpaceX给猎鹰9号第一级安装了9台改进后的默林1C发动机——这一 点上借鉴了苏联人的联盟系列火箭,他们的第一级上装有20台小型但可靠的发动机。火箭允许在一台发动机失效的情况下继续发射。

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SpaceX在猎鹰9号上还大胆使用了轻质铝锂合金、搅拌摩擦焊接、旋转成型等先进技术。大幅降低了火箭的结构质量。也就是说,猎鹰 9号比它的竞争对手们有更多燃料是用在运送货物的“正事儿”上。专家常说,航天发射动辄几千美元一公斤,所以每一克重量能省则 省。

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猎鹰9号的近地轨道最大运力达到10.45吨,这个数字已经超过了中国长征2F的9.2吨。而费用才是猎鹰9真正的杀手锏:单次发射费用 约3500万美元,报价约在5000万美元;这个数字比原本“白菜价”的中国长征火箭的6000万美元还低。而且,为了进一步降低成本, 猎鹰9号两级都配备了降落伞用于回收箭体。

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研究发现伞降回收燃尽火箭效果并不理想,为了提高火箭的重复使用率,SpaceX在研发猎鹰9号的同时平行开展了名为“草蜢”的可重 复使用火箭研究项目。这项研究旨在让火箭具备自行垂直返回地面的能力。

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2008年12月底,第一枚猎鹰9号火箭完成总装。翌年1月,这颗装备5.2米大型整流罩的火箭矗立在了卡纳维拉尔角SLC-40工位,不过 几天后,火箭因故障被撤下发射架。

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被寄予厚望的猎鹰9号于2010年6月5日首次升空,这次发射只携带了一个模拟载荷。这次发射取得了圆满成功。猎鹰9号的成功为 SpaceX迈向下一个目标奠定了基础。现在,SpaceX手里终于有了一把能挑战航天巨头们的利剑。

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美国的航天飞机拥有无与伦比的运力,虽然这种航天器的设计初衷是大幅降低太空发射的成本,但实际的使用表明那只是个美好的幻想 。这种庞然大物每次发射费用达到5亿美元。在哥伦比亚号的悲剧后,美国确定了退役航天飞机的日程。问题出现了:在航天飞机之后 ,谁来接承担送美国宇航员和物资上天的重任?

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俄罗斯有成熟廉价的联盟号火箭和联盟、进步系列飞船,至少能保证在几年内国际空间站的宇航员们不会无“船”可用。但堂堂美国指 望依靠外国飞船无论从哪一点都无法接受。

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小布什政府时代曾启动了内容庞大旨在重返月球的“星座”计划,其中涵盖了新一代空间站补给飞船项目。不过为星座计划进展缓慢且 持续超支,为其研制的猎户座飞船短时间内也服役无望。2010年初,奥巴马出于多种原因宣布搁置该计划。

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取代猎户座飞船的是名为商业轨道运输系统(COTS)项目。这一工程旨在向新型私企招标发展廉价的天地往返运输飞船,用于地球和 国际空间站之间的联络。在这种背景下,SpaceX的天龙号飞船应运而生。

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天龙号飞船的外形是一个传统的钝锥形弹道胶囊与一个鼻锥形帽设计。货舱设计中规中矩:拥有超过10立方米的储物空间,发射时可 携带6吨载荷,返回时也可容纳3吨。不过这已经比没有下行能力的俄罗斯进步号要强了。

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天龙号配备了边长达1.27米的巨大正方形CBM式对接舱口,面积三倍于俄式对接口。它依靠国际空间站的机械臂抓取完成最终对接, 这样也大大降低了研制对接系统的难度。

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天龙号侧面安装18个Draco推进器,在两个推进器失效时仍能正常飞行。飞船上安装SpaceX自研的激光雷达,用于对接阶段的姿态控 制。

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2010年12月8日,第二枚猎鹰9号火箭把第一艘天龙号飞船成功送上太空,并在绕地球轨道两圈后安全溅落,SpaceX由此成为世界上首 个把宇宙飞船送上轨道的私人公司。

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2012年5月22日凌晨,在经历多次延期后,猎鹰9号火箭成功发射升空,把天龙号飞船送到预定轨道,这个飞船装有1000磅的物资,将 运往国际空间站,执行商业轨道运输的首次演示任务。

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2012年5月25日,天龙号飞船与国际空间站成功对接,成为有史以来首艘造访空间站的商业飞船。

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对于天龙号的成功,NASA局长博尔登评论称,“龙”飞船的成功标志着“美国再次成为太空探索的领头羊”,其重要性“怎么评价都 不为过”。

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从2012年10月8日的第三次发射起,天龙号进入实质性的商用发射阶段,开始向国际空间站批量运输补给物资。

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2008年底,NASA授予SpaceX总额达16亿美元发射合同,合同要求最低透过12航班运送20000千克以上的货物到国际空间站。同时还 可因应各选项由16亿美元增加至最高31亿美元。

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SpaceX的领先幅度如此巨大,以至于它的竞争对手们的作品都还没有一个经过实际测试。目前位居第二的轨道科技公司“天鹅座”飞 船最快也要今年下半年才能进行首次发射。

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在天龙号货运飞船高歌猛进的同时,SpaceX并没有忘记载人航天运输这块市场。载人型天龙号设计构想当年与货运型一同公开, NASA在COTS后,还有天地人员摆渡飞船的招标,这正是SpaceX的目标。

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载人型天龙号的实体模型。它的外形与作为基础的货运型没有太大区别,指示增加了舷窗,SpaceX一如既往希望以最小的改动实现压 低成本的目标。

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NASA宇航员与SpaceX员工一同测试载人型天龙飞船模型的人机工效。这架小飞船可以容纳7人——和航天飞机的标准载员数量相同, 这也是NASA定下的指标。

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当年奥巴马取消星座计划,赌上美国航天未来的行动收获了成功,商业轨道发射取得了承包商、NASA和美国军方的共赢。图为2010年 ,奥巴马在马斯克陪同下参观SpaceX的发射基地。

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2011年愚人节,SpaceX在官网上向全世界宣布将研制重型猎鹰运载火箭。重型猎鹰第一级在猎鹰9号基础上并联三段同直径构型,近 地轨道运力达到32吨,而报价仅有约1亿美元——同级别的重型德尔塔4高达4亿。这一性能将使SpaceX获得同波音洛马两大巨头正面 竞争的能力,让航天市场化的支持者无不为之振奋。

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SpaceX的未来规划还给人们展示了更宏伟的构想:在重型猎鹰之后,还将有更大的作品,直至运力高达140吨,体积媲美土星5号的猎 鹰XX。SpaceX的目标很明确:重返月球,乃至送人类上火星。但是,未来真的会如此顺利吗?

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事实上美国航天的历史上并不是没有出现过类似SpaceX的“搅局者”:20世纪80年代,轨道科学公司曾深受外界期待。但随着时间的 推移,该公司最终也成为了“既得利益集团”的一分子。图为该公司的人马座空射火箭发射。

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处于成本考虑和技术上的保守,重型猎鹰的第一级使用了多达27台默林1发动机,这个数字已经仅次于前苏联的N1登月火箭——后者 由于设计的不稳定在仅有的4次试射中全部以失败告终。过多的发动机只会徒增火箭的重量并提高危险系数。

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SpaceX并不是没有认识到这一点,默林1系列的潜力已经开发殆尽,更大的默林2发动机正在开发之中。

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但是梦想终归是梦想,造出的火箭需要有用户,SpaceX是一家公司,有盈利压力,不可能不计成本地投入殖民火星这类遥远又看不到 经济效益的豪赌中去。或许前不久那家荷兰皮包公司的“殖民火星”事件,就是理想与现实的一个分界点。

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