物理学没有说不能：马斯克如何改写人类航天史？

将SpaceX猎鹰9号回收火箭比作铅笔，从发射到返回的技术难度相当于让铅笔穿过453米高的帝国大厦，然后准确地落到只有鞋盒大小的落地点。

重型运输系统接管猎鹰9号。星舰，提出了一个更极端的目标：用筷子牢牢地夹住这支小铅笔。

若机械臂牢牢抓住助推器，可减少火箭部件着陆时的损坏，火箭在简单维修和补充燃料后，可迅速返回工作岗位，提高发射效率。

2023年星舰试飞开始后，SpaceX的前三次试飞以两次爆炸和一次失联结束。今年6月的第四次试飞，星舰在海上航行一小时后实现了“软着陆”。

在今年七月的采访中，马斯克自信地推测，由于“我们没有违反物理”，第五次试飞有很大的成功机会。

马斯克得到了物理回报。十月十三日，在星舰的第五次试飞中，巨大的机械臂成功地夹住了火箭的推进器Super Heavy——高69米，直径9米，空重200吨，满载3600吨。此后，人类航天史进入了一个新的篇章，“太空公交”不再是遥不可及的夜谈。

SpaceX于2023年成功完成了98次火箭发射，占全球发射总数的44%；1984颗星链卫星被发射到这98次任务中，1600吨有效载荷被送到明确的轨道上，占全球有效载荷的80%。

根据彭博的说法，SpaceX有望在2024年获得90亿美元的火箭发射和星链业务。

2011年5月马斯克发布的一封名为《SpaceX的愿景与实现路径》清晰地保存了下来。《The facts about SpaceX Costs》在公开信中[2]，13年过去了，大部分内容仍然有效：

·航天工业的长期目标是完全可重用的运载器，SpaceX在实现目标之前并不局限于目前的进步。

·在全球范围内，只有SpaceX在网站上公开了发射成本。SpaceX的定价不是为了抢占市场份额，也不是为了在低价“教育”市场后提高价格，而是为了通过创新击败海外廉价劳动力。

·SpaceX的性能会随着时间的推移而变得越来越好，价格也会越来越低，这是所有科技类别的发展规律。

最佳零件是没有零件的零件。

太空发射大致由两部分组成：运载火箭和飞机进入太空(卫星，空间站，深空望眼镜等)。

运载火箭是飞机逃离地球的动力源。在人类短暂的太空探索史上，运载火箭一直是一次性消耗品。运输任务完成后，会坠入大气层烧毁。

与民航行业相比，就像一架飞机，在将乘客运往目的地后，立即原地坠毁。

没有回头路的一级运载火箭会占发射成本的50%以上[6]，没有商业机构能够承担这样的成本。因此，太空发射只能由政府支付，并交给特定的承包商承担发射任务。

马斯克的想法其实很简单:让火箭可以重复发射，同时尽可能把火箭做大。如果一次运输足够的物品，每公斤的运输成本可以大大降低。

这个想法的第一个产品不是星舰，而是NASA的“航天飞机计划”。航天飞机的初衷是实现发射系统的再利用，但思维依赖于空气动力学——这就是为什么它看起来像飞机。。

然而，在航天飞机短暂的生命周期内，它的安全性一直受到质疑。挑战者和哥伦比亚号都有过一场悲剧。几次事故后，传统观念在NASA仰望。毕竟，没有人希望看到宇航员的生命和纳税人的钱在半空中爆炸。

图:挑战者起飞73秒后在空中爆炸。下图:哥伦比亚号回到大气层时解体。两次事故导致14名机组人员全部死亡。

另外，虽然航天飞机已经完成了“可重复使用”，但是并没有解决费用问题。

航天飞机项目拥有650多个设施，120多万台设备，雇佣了5000多名员工。此外，美国还有1200多家供应商为该项目服务。

经过如此巨大的投资，航天飞机向低地球轨道运输的增量成本仍高达4.09亿美元；根据计算，每公斤送达国际空间站的货物运费高达27万美元。

相比之下，SpaceX每公斤运费约为1410美元，其它商业航天公司最低可达5000美元。

马斯克同意火箭再利用的想法，但他认为，由于空气动力学的想法已经被历史证伪，SpaceX将从根本上改变，一种火箭回收方式被认为是一种夜间谈话。：电力垂直回收。

顾名思义，动力垂直回收不依赖于机翼滑行，而是发动机几次点火减速的奇迹。这种无损着陆方式已经在月球、火星等深空探索中使用过，但很少有人想在地球上使用。

地球不仅具有更大的重力和剧烈的大气摩擦，而且拥有广阔的生命活动区域和复杂的国界地形，这导致科幻电影是动力垂直回收在地球上最大的使用场景，马斯克是第一个尝试再现科幻电影的人。

NASA火星探测车“毅力号”于2021年成功着陆

目前，SpaceX的猎鹰9号是世界上唯一实现大规模重复使用的火箭，其回收技术已经相当成熟。不过马斯克认为9号猎鹰的直立降落方案成本还是太高了，所以干脆用筷子夹住推进器。

星舰系统配备了33个推进器发动机，可以向预定轨道输送超过100吨的有效载荷，是猎鹰9号的5倍。马斯克认为，总有一天，它会带着100名乘客去火星。

物理学没有说不能

马斯克希望在投资有限的情况下实现自己的理想目标，将消费电子产品的生产理念大规模带入壁垒森严的太空行业，其核心是快速试错，快速迭代。

SpaceX于2024年7月发布了第三代猛禽发动机服务于星舰（Raptor 3)，比著名的梅林发动机更强大、更复杂，选择甲烷(一种容易在火星上获得的资源) 液体氧气的高效燃料组合。无排气管，反应产生的气体全部保持在发动机内，可在海平面产生230吨推力。

马斯克说：只有上帝本人才能在结合分子方面比猛禽燃烧仓库做得更好[3]。

三代猛禽引擎星舰

与前两代相比，猛禽三代的表面变得相当干净甚至小巧。经过生产工艺和技术优化的迭代，大量管道被金属3D打印技术整合到发动机内部，因此放弃了保护管道的特殊保温罩。

三代引擎是SpaceX开发哲学的一个侧写：开头不需要完美，在这个过程中要有目的地改进，最终走向一个简洁、清晰、高效的未来。

SpaceX在火箭发射方面也采用了“炸了就炸了”的设计方法，迅速制成火箭和发动机的原型，进行检测，炸毁，修改，再次尝试，直到做出有用的东西。

SpaceX的推进部门首席技术官穆勒总结道：“你不必完美地避免许多问题，关键是要能够快速地发现问题，然后解决它[4]。

与NASA如履薄冰的稳定思维相反，马斯克试图向工程师传达一个想法。只要一件事不违反物理规律，就有可能实现。

这个想法也适用于特斯拉的汽车生产。

马斯克在2018年意外发现了一辆Model。 S玩具模具的底部被压铸成一整块金属，甚至还有一个悬挂系统。在当天的会议上，马斯克建议特斯拉也可以这样做，但工程师反对，因为底盘要大得多。

马斯克反问：“不就是搞更多的铸造机吗？而且不会打破物理定律[5]。”

后来，他和高管打电话给六家铸造公司，只有一家名叫意德拉的公司接受了这个挑战。后者提供的GigaPress将传统框架中70个零件的需要加工和组装，将1000到1500个复杂的生产过程焊接成简单的压铸加工，将两个小时的焊接变成两分钟的压铸，从而成为Model Y节省了20%的生产成本。

猎鹰9号火箭

SpaceX在“不需要完美”的信念下，在解决许多工程问题时，都有很大的勇气，有一种乱拳打死老师傅的美感。

SpaceX将使用行业标准设备和自己设计的系统进行发射检测，以确认其本身的准确性。一旦SpaceX的设计性能相当于或优于行业标准，它将成为企业的新标准。

根据规定，美国所有飞机发射都必须遵守联邦航空管理局的规定(FAA)标准。在2020年第一次重型推进器(星舰初期版)无人发射检测中，FAA检测人员认为高空风条件不符合发射要求，但SpaceX的天气模型表示可以发射，工程师看着马斯克。他默默地点了点头，火箭升空了。

为国际空间站执行载人任务，龙飞船

牛津大学三位学者分析了NASA和SpaceX203次太空任务，发现后者的R&D成本只有NASA的十分之一，而R&D速度却快了两倍[16]。

NASA每年拨款超过200亿美元，SpaceX成立21年，总共只筹集了100亿美元。SpaceX利用NASA半年的预算，先后开发了两种火箭发动机：猎鹰一号、猎鹰九号、猎鹰重型和星舰，以及梅林和猛禽。

从一张白纸到第一次发射，猎鹰9号火箭只用了四年半的时间，平均投资约3亿美元。相比之下，NASA主导的航天飞机每架飞机都花费了20多亿美元。

龙飞船上的浴室门把手

首批SpaceX员工入职时，被告知该公司的目标是“西南航空公司(美国版春秋航空)在太空行业”。

尽管SpaceX看上去很尖端，但是SpaceX的火箭实际上使用了大量廉价的消费商品[11]：

猎鹰火箭用5000美元的普通电脑代替了100万美元的航天电脑；火箭打捞雇佣了一家普通的商业打捞公司；龙飞船的门把手由工程师用浴室部件组装，费用只有30美元，而NASA的同一个门把手则是1500美元。

猎鹰9号载重舱的蒸发冷却系统价格超过300万美元，但随后被稍加改造的商用空调设备所取代。马斯克得知猛禽发动机内部有一条2万美元的管道，他说“我迫不及待地想戳瞎我的眼睛”，并要求发动机成本在12个月内从200万美元降至20万美元。

除了物理学，马斯克真正关心的似乎只是成本。SpaceX的真正壮举是改变航天器的生产过程，通过生产汽车生产火箭。

马斯克提出了一个名字“马斯克”白痴指数“概念，即工业产品生产成本与原材料成本之比。比如一个零件的总成本是1000美元，而原铝的成本只有100元，那么白痴指数就高达10，这意味着生产过程造成了太多的成本。

在SpaceX出现之前，火箭的整体成本是碳纤维、金属、燃料等原材料的50倍，白痴指数已经超出了排行榜。星舰项目启动时，马斯克迫使SpaceX的财务分析师在一夜之间找到20个白痴指数最高的零件，如泵和整流罩，并设定目标，最大限度地减少生产过程。

按照马斯克的说法：“假设你所做的事情白痴指数很高，那么你就是个白痴。”

一直以来，马斯克处理成本问题的思路是“用成本最高的方法降低成本”。十个会计需要花一个月的时间来计算账户。他们会招聘20个程序员编写一套程序，自动化会计过程，这样一天就可以完成。这就是为什么马斯克说:“与设计工厂所需的脑力劳动相比，设计汽车的脑力劳动不值一提。”

从Model的生产开始 超级工厂到SpaceX星舰，这套思路无处不在。

在火箭生产中，SpaceX引入了一个项目摩擦式搅拌焊接(friction stir welding)该技术的核心是利用高速旋转的机头摩擦金属片的接缝，使晶状结构融合在一起。

由于焊接会改变金属板的受力性能，航天公司通常使用铆钉等紧固件来提供支撑，成本限制了金属板的尺寸。SpaceX首次将摩擦搅拌焊接应用于火箭箭体，不仅使焊缝更加牢固，而且使用更轻的合金，使猎鹰火箭一举减重数百磅。

四个铝圆顶采用摩擦搅拌焊工艺焊接而成

与大多数航天器制造商不同，SpaceX的关键工厂位于公司总部，所有火箭和飞船的核心部件都在这里生产和组装。在施工现场中间，有一栋三层楼高的透明办公楼，是火箭工程师的办公室，在各种巨大的焊接施工现场之间。

这就是SpaceX实施的“垂直集成”生产方案。设计师和制造商可以一起工作，新的想法可以很快落地，生产线的问题可以立即处理。

太空工厂SpaceX

基于这种方法，SpaceX自己完成了80%～包括火箭、发动机和关键电子产品在内的90%的生产工作。SpaceX的所有技术经理都必须去生产一线，包括马斯克本人。

这一极端的生产过程控制是提高效率的关键，特斯拉曾经称之为“来到红灯前”。特斯拉首席设计师冯·霍兹豪森曾经说过:“我们应该培养一群像工程师一样思考的设计师，然后培养一群像设计师一样思考的工程师。”

到了2022年感恩节，星舰厂已经可以每天制造超过一台猛禽发动机，整个生产过程几乎和装配车一样方便顺畅。

SpaceX在突破工程问题的同时，颠覆了太空产业的传统成本结构。甚至NASA也承认[8]：他说：“我们确实意识到要降低成本，并且认为商业伙伴在这方面比我们做得更好。

看得见的手

根据马斯克的记载，SpaceX的工程师向马斯克解释了火箭发射面临的安全审查的行政要求，以及发射许可审批的复杂性。

这让马斯克非常生气，说他尽力为人们登陆火星，但最终他“不得不担心这些破事”。后来，马斯克说了一句哲学的话:

他说：“文明就是这样衰落的，因为他们放弃了探险。如果他们放弃探险，文明的动脉就会变硬。

NASA在SpaceX的故事中似乎一直扮演着电影中经典的反派角色：低效率、官僚主义、频繁使用行政力量阻碍市场化的创新方式。但是实际情况是，NASA是SpaceX最重要的支持者之一。

航天飞机计划终止后，美国政府开始支持个人航天企业，以降低成本。SpaceX的最初订单是由NASA和DARPA提供的。DARPA高层曾称赞马斯克:有远见的人很多，但只有马斯克既有远见又懂火箭。

在SpaceX的成长过程中，看得见的手始终如影随形。

NASA向SpaceX 提供技术转让，包括开放技术文档、派驻技术人员、转让专利、提供R&D设备和实验场地等。美国目前的《国家航天政策》明确表示，商业航天的发展应该通过采购政策和制度创新来促进。

与商业公司订单和有限的个人投资相比，政府订单是SpaceX运营的支柱。美国政府从SpaceX获得的各类项目资金超过80亿美元，其中NASA提供约72亿美元，空军提供约9.6亿美元。

SpaceX的成功从来都不是孤军奋战。每个举起自由市场旗帜的经济体都非常清楚市场的优缺点，然后善用它。

尾声

当猎鹰重型火箭首次发射时，它配备了一辆特斯拉跑车进行载荷试验。发射非常成功。马斯克乐观地预测，这辆跑车可以在地球和火星之间的轨道上漂流数亿年。

他说：“最后，它将极其接近火星，有一点机会，极其渺茫的希望，也许会落到火星上。

特斯拉跑车漂流在宇宙中，一块电路板上写着“Made on Earth by humans”

许多SpaceX工程师受到1998年出版的一本书的鼓励，进入太空行业。（Rocket Boys）》。作者Homer 作为NASA工程师，Hickam负责航天员的培训，并参与了哈勃太空望远镜的维修工作。

在出版的第二年，这本书被改编成了电影《十月的天空》，讲述了Homer 作为一名煤矿工人的孩子，Hickam对太空探索感兴趣，在家乡小镇试射了31枚“自研”火箭，并在未来的全国科技博览会上获得冠军。

影片中有一段对话，发生在Homer Hickam与朋友发生矛盾，准备在比赛期间放弃。

主人公朋友问：老实说，我们这群煤矿来的小子到底有多少机会得到科学展览？

主角说：百万分之一吧。

朋友说：这么高？怎么不早说。

科学技术的发展有许多原因。其中一个重要原因是，总有一些人把百万分之一的概率作为值得一生追寻的理由。

参考资料

[1] SpaceX and the categorical imperative to achieve low launch cost，Space News

[2] Elon Musk: “Why the US Can Beat China”，SpaceX

[3] How SpaceX Reinvented The Rocket Engine!, The Space Race Youtube

[4] 埃隆·马斯克，沃尔特·艾萨克森

[5] 硅谷钢铁侠：埃隆·马斯克的冒险生活，阿什利·万斯克

[6] 胡冬生重复使用运载火箭发展分析，

[7] SpaceX 发展道路：网络模式下的商业航天，盛英华

[8] How the Rise of SpaceX Is Reshaping NASA，WSJ Youtube

[9] 航天器可以重复使用怎样着陆，中国航天器

[10] 中国航天标准化研究所袁硕硕研究所，美国太空探索技术公司供应商的选择方法和参考

[11] 中国航天科技集团有限公司魏鸣，美国太空探索技术公司成本控制分析

[12] Why Is The U.S. Space Industry So Obsessed With Vertical Integration?，Garrett Reim

[13] SpaceX如何实现火箭复用的颠覆性创新，知识分子？

[14] 领先太空2.0时代，美国商业航天发展综述，蒿旭

[15] SpaceX是如何成长的：政府支持分析了太空探索技术公司的成长影响，杨开

[16] How to Solve Big Problems: Bespoke Versus Platform Strategies, Bent Flyvbjerg

本文来自微信微信官方账号“远川研究所”（ID：caijingyanjiu），作者：任彤瑶，36氪经授权发布。

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