如何正確地“黑”SpaceX（二）：從獵鷹1號到獵鷹9號-查攸吟

【文/觀察者網專欄作者 查攸吟】

眾所周知的是，SpaceX在運營早期頗為不順。

獵鷹1號運載火箭從2005年下半年到2008年8月，曾經有過連續3次失敗的記錄。尤其是在2008年8月2日進行的第三次發射，由於發射後異常振動導致的分離故障，將分屬美國國防部和NASA的3枚立方星，以及208名在生前希望死後遺骸能進入太空的顧客的骨灰統統燒燬在了同温層內。其中包括曾經出演著名科幻電視劇《星際迷航》的美國已故演員詹姆斯·杜漢和阿波羅7號飛船的宇航員戈登·庫珀。

位於誇賈林羣島的臨時發射場內準備試射的獵鷹1號火箭

不過，隨着梅林1C發動機投入使用，原本折磨SpaceX的發動機燒穿問題得以解決。2008年9月28日，SpaceX使用一枚第一級改用獵鷹1C引擎的獵鷹1號運載火箭，在誇賈林環礁發射基地，將一塊165千克的配重成功送上進入近地軌道。

在創下了“三連炸”劣跡並撒掉了208人的骨灰後，獵鷹1號火箭終於實現了成功入軌。圖為粉絲繪製的2008年9月28日首次入軌景象的CG。雖然喜悦的心情可以理解，但是本圖還是有個明顯錯誤的——因為從火箭上能看到這番景象的時候，第一級肯定已經早已被分離了

從2002年6月成立以來，儘管SpaceX的道路看似坎坷異常，但僅僅3個月後，“奇蹟”就將發生。同年12月23日，NASA宣佈將第一批總值36億美元的國際空間站貨運合同，分配給了SpaceX和軌道科學公司（Orbital Sciences Corporation，簡稱OSC），當時距離SpaceX的首次開始火箭發射只有2年時間，距離第一次成功將載荷送入軌道還不到3個月。該合同立即倍增了SpaceX的發言權和市場地位，使這家本來在業界只見嘴炮和笑話的企業，搖身一變成了可能有機會挑戰波音和洛克希德馬丁合資成立的聯合發射聯盟（United Launch Alliance，簡稱ULA）市場地位的潛在競爭對手。因為就在過去的10年裏，後者一直主導着美國的軍、民航天用發射市場，獲取滾滾利潤。也使得總是被砍預算的NASA苦不堪言。而這，正是SpaceX的老大馬斯克所一直期望和努力所追求的目標。

站在SpaceX車間內的艾隆·馬斯克。身邊的零件，應該屬於一艘龍式飛船

SpaceX之所以能夠攬下NASA的太空物流合同（分到了大約16億美元的單子），只靠200公里近地軌道載荷670千克的獵鷹1號火箭，那純屬痴人説夢。事實上，SpaceX計劃用於投送貨運飛船的載具，是當時尚在紙面上的中型運載火箭獵鷹9號【註釋：此外，包括用來運送貨物的龍式飛船，當時也同樣只有模型和設計圖。只靠圖紙和方案就能攬到十幾億的合同，這黑箱操作的能耐作者也是醉了】。近地軌道運載能力至少10000千克，並能將超過4000千克的載荷送入同步轉移軌道——這就是SpaceX為NASA畫的餅，而NASA居然認了……

基本任務載荷，決定了獵鷹9號必須是一種中型運載火箭。而從梅林1A到梅林1C，儘管SpaceX在火箭發動機領域取得了可喜的進步，但以梅林1C那海平面550千牛的推力，根本是沒能獨立撐起這個運力要求的。怎麼辦？多堆幾個引擎嘛。那麼堆幾個呢？9個！

正在工廠內建造的獵鷹9號。照片攝於2008年

根據設計，獵鷹9號是一種兩級運載火箭。其1.0版本有157英尺高（47.8米），芯級直徑12英尺（3.65米），通常搭載狀態起飛質量為333.4噸。它的第一級將要並聯9台梅林引擎，起飛推力則是4940千牛（1.0版本）。而上面級發動機也不再是小巧的紅隼，將換用專門優化了真空性能的梅林引擎。看起來很不錯，不是麼？實際上，想要製造一枚運載火箭，有了可靠的火箭發動機意味着成功的一半，但也只是一半。因為，梅林1引擎的單台推力太弱了。而若想並聯9台引擎同時工作，那麼勢必要面對可靠性的問題。此外，如何在箭體強度與重量上取得平衡點也是個巨大的問題。

此外，對於SpaceX來説，成本是這家企業的生命。因為自公司成立起，“低成本”就是其主打特色。也正是因為指着這家的“低成本”，NASA才敢於搞出上述之大不韙。那麼，既然引擎已經基本實現了低成本化，除了儘可能挖掘性能外，控制成本是另一個核心問題。

艾隆·馬斯克控制成本的主要手段，無非有二。

首先，大量採用常規商用、工業類電子元器件。相比較價格昂貴換代慢的宇航級器件，這樣不僅有效降低了成本，而且器件採用的技術也更先進、性能指標更好。以CPU為例，宇航級產品雖然壽命高，並且能在極端環境下長期工作，但在工作頻率等指標上通常會比商業、工業級產品至少落後兩代。而火箭畢竟不是衞星、不是深空探測器，它的工作壽命以分鐘計，而非以月、以年計。商業、工業級元器件只要經過嚴格測試，輔以有針對性的輻射防護，完全可以在火箭上使用。

位於加利福尼亞州霍桑工廠的SpaceX員工合影

其次，在研發/生產管理上，互聯網行業投資人出身的埃隆·馬斯克把該行業的管理體制和組織架構引入SpaceX，採用扁平化管理模式。公司內部沒有通常意義上的部門劃分，甚至沒有組織機構圖，各領域的員工平等地參與技術研討、設計和開發等工作，研發與生產的聯繫更為緊密，拋棄了不必要的繁文縟節和複雜低效的冗長管理流程。該公司的粉絲羣內曾流傳這樣一個似是而非的段子，儘管真實的可能性極低，但也可以看出在粉絲們心目中SpaceX的管理風格（以及大多數SpaceX“粉絲”的素質）：

獵鷹9研發工作的早期，某次發射前，經過計算和分析、上面級發動機的噴管需要調整面積比。如果是傳統的航天系統作風，這個調整從請示報告再到層層批覆、直到最終實施，最快也要一個星期。但SpaceX不走這個套路，現場的技術負責人當場拍板，工程師馬上拿着工具就去把噴管剪掉一截，前後統共幾個小時，搞定。

SpaceX公司麥格雷戈發動機試驗室工作照片，攝於2012年9月

扁平管理，避免繁文縟節這是優點。但如同這個段子裏描述的景象，已經不是在製造火箭了。實際上，就算是一個生產二踢腳的車間，技術人員敢這麼胡來，下場多半也是血的代價。所以段子也只是段子，可偏偏有許多人卻信，而且廣為傳播。

得益於扁平化管理、互聯網基因，加之NASA全力支持，提供了大量設備、設施和智力支援，SpaceX長期保持着研發、生產團隊的精幹高效，公司曾經多年維持在數百人規模，2012年才擴張到千人，在有效控制人力成本的同時、保證了研發工作的高效率，“獵鷹9”火箭從方案論證到首飛，僅用了四年半時間。

根據推算火箭入軌速度的齊奧爾科夫斯基公式：火箭最終速度 = 發動機噴出推進工質（比衝） × ln（火箭總質量/火箭末質量）。決定火箭的最終速度的參數中，比衝數值的好壞由發動機的性質所決定。根據物理常識，一種燃料燃燒後產生的熱量越高，則其比衝就越大。也因為這個原因，煤油發動機雖然擁有使用成本低、安全性好、無毒無害等優點，但是其能量密度遠不及液氫，故煤油發動機比衝性能遠無法與氫氧發動機相比擬。煤油引擎的真空理論極限值比不會超過390s，實際可實現的應當不超過350s。

既然梅林1即便發展到D型也只是個半吊子貨，再加上煤油發動機的先天不足問題，那麼想要提高火箭的性能，剩下的唯一選擇就唯有提高箭體的幹質比。換而言之，就是在保證必要的強度前提下，儘可能多地減輕箭體自重。

最終，我們看到的Falcon 9（獵鷹9）就成了這樣一支在減重上達到了全世界第一的“怪物”——全箭貯箱廣泛使用加拿大鋁業公司【註釋：該公司於2008年與力拓公司合併，組成新的力拓加鋁公司，但對外仍以“加鋁”的老招牌名義進行經營活動】研製的Airware2198-T8鋁鋰合金製造，並採用了大膽的半氣球貯箱設計、氧化劑燃料槽共底設計，整流罩和級間段則使用碳碳複合材料製造。

2010年12月8日，SpaceX公司的獵鷹9號火箭攜帶龍飼飛船，成功地進行了首次演示飛行

此外，在具體的細節結構減重設計方面，SpaceX的一些措施堪稱“極端”。例如，“獵鷹9”1.1版的級間段把分離機構從1.0版的9個減到了前所未有的3個。而且，在驗證了Airware2198-T8鋁鋰合金的可靠性後，更是進一步把箭體的長徑比放大到19。注意，這一長徑比設計可謂驚世駭俗。根據中國航天系統多年積累的經驗，增大長徑比有利於降低火箭的飛行阻力、減輕箭體重量，但是同時造成箭體縱向剛度不足、容易發生震顫、進而降低火箭的可靠性，所以長徑需要以15為限制——火箭縱向剛度不足帶來的後果可能是災難性的，要知道當初“東風2”導彈首飛試驗時，就是因為縱向剛度不足、箭體發生震顫導致發射失敗，可謂有着“血的教訓”。此外，減重的焦點也不僅僅集中在箭體上。梅林1系列引擎發展到D型時，引擎重量已得到了徹底的精簡，推重比超過150，幾乎已是極限。

所以，我們可以毫不誇張第説，無論從哪方面看，當獵鷹9號發展到了目前最新的最大推力版本（獵鷹9FT）的時候，SpaceX基本已經榨乾了現有材料的潛力、顛覆了一系列火箭設計的經驗公式，甚至帶着一副“人有多大膽，地有多高產”的混勁來進行“賭博”式的嘗試。

不過他們確實博對了，而由此帶來的好處也很明顯，FT版的獵鷹9號甚至做到了超過25的幹質比（與之對比，我國最新的長征7號尚不足13，還有很大的潛力可以挖掘），箭體減重做到了極致。即便是有着梅林1D這個拖累，這枚火箭亦然具有較好的性能。

至此，有一個顯而易見的結論已經躍然紙上：在經歷過獵鷹1號時代的磕磕絆絆之後，SpaceX的新一代獵鷹9號火箭，是一款使用貨架產品結合成熟技術，並在合理範圍內大膽運用新材料、新工藝，性能較好、成本控制非常成功的“經濟適用性”火箭。

獵鷹9最大推力版本——基本已將現有箭體和發動機的潛力挖掘殆盡

然而SpaceX在整個2015年內最吸引眼球的地方，並不是獵鷹9的技術成熟與價格低廉。而是自其v1.1版本投入使用後，持續推進的關於火箭第一子級垂直回收的試驗。

v1.1版獵鷹9號，開始在火箭第一子級的底部安裝有四個可展開的支架，在頂端安裝有氣動格柵控制面。在於上面級分離後採用剩餘燃料與回收平台匯合（或者返回發射場上空），並垂直降落的姿態進行降落，以期實現第一級的整體回收。

自從第一級回收項目從2012年正式公佈以來，埃隆·馬斯克頻頻放話，聲稱要憑藉這個技術實現航天發射的“白菜化”——把單位質量發射成本降低1/20，震驚世界。對此，外界褒貶不一，心悦誠服、深信不疑者有之，半信半疑、謹慎觀望者有之，更有人嗤之以鼻、認為這純屬嘴炮牛皮……那麼，獵鷹9號真的能兑現埃隆·馬斯克的豪言，顛覆國際航天發射市場的格局麼？

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