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太空探索2.0时代:更多,更快,更廉价

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太空探索2.0时代:更多,更快,更廉价

果壳 果壳网 2020-06-22

5月30日,埃隆·马斯克的 SpaceX用“猎鹰9 Block5”可复用火箭发射“龙2”载人飞船,成功运送2名宇航员进入太空、抵达国际空间站。这是人类历史首次非政府主导的私营载人航天发射,看似不过是人类征服太空进程中的一小步,但实则是意义非凡的一大步


"龙2”载人飞船抵达国际空间站 | https://www.businessinsider.com


众所周知,革新性的技术进步,可能在诞生之初毫不起眼,但真正的潜力与影响,则会在未来一个时段之内逐步兑现成真。可以想像的是,当SpaceX在技术上更成熟、完成多项降成本整合后,其发射报价可能会再降低30%-35%,至4,300-4,000万美元/次发射(成本可能会降到1430万~1060万USD/次),以应对国际商用火箭发射市场上出现的其他竞争对手。


可复用火箭推动下的低成本航天,对ULA(联合发射联盟,Lockheed Martin、Boeing合作)、ESA、JAXA等动辄2-5亿USD/次的传统运载火箭来说,无疑是一种颠覆性的降维打击,进而重塑人类对太空的探索与开发模式


从SpaceX到火星

皮卡:马斯克的布局


作为当代科技创新、产业创新、商业模式创新的领军人物,埃隆·马斯克的一言一行,每每引发产业震动、社会热议。


从SpaceX(太空探索技术公司)、特斯拉、到SolarCity(太阳城)、Starlink(星链),作为现实中的 “钢铁侠”,马斯克名下整个产业投资布局表面看似杂乱无章,违背市场与投资准则,甚至太过颠覆性、科幻性,但如果深入研究,就会发现其富于深意的内在逻辑。


首先我们拿一个小小的技术细节做切入点:SpaceX下一代Starship(星舰)巨型火箭,设计参数为42台“Raptor”发动机、起飞推力约128MN、真空推力约138 MN,火星轨道运载能力达100吨、近地轨道运载能力(LEO)约550吨。


SpaceX下一代巨型火箭“星际飞船”想象图 | https://www.geekwire.com


这样一个庞然巨怪,其结构和蒙皮却不使用科幻级航天材料,而竟是301不锈钢。这种设计理念背后的考量,首先是降低成本。先进航天级碳纤维材料的成品价超过200美元/kg,而301不锈钢原材料仅3美元/kg,这种廉价材料加可复用材料的结合设计,将使太空发射火箭的价格实现“跳水”级的下降。


但是,301不锈钢加工难度大、材料比重大,怎样才能在确保结构强度、耐热性基础上,有效降低火箭结构重量,且能成型直径9米的超大件呢?


Starship的不锈钢结构框架,非常轻薄,加工难度很大 | https://www.geekwire.com


且看特斯拉那造型怪异、如同“手工耿”风格的不锈钢皮卡CyberTruck,同样采用301不锈钢作为主要材料。由于这种材质硬度太大,CyberTruck在设计中不得不减少弧线、曲面。马斯克的机械加工团队,正是探索通过这种皮卡量产,充分掌握301不锈钢加工工艺,解决这种坚硬材料加工的种种难题。


由特斯拉推出,号称能作为未来火星探测车原型的CyberTruck | www.cnet.com


未来真实的SpaceX星际飞船,肯定不会像其技术验证型StarHopper那样,制造时动用大批工程技术人员,手工焊接不锈钢。而必须采取批量制造的、自动化机械加工的、大尺寸成型件,从而需要提前储备大批熟悉301不锈钢加工工艺的工程师、技术人员。


处于预备发射状态的StarHopper | www.wired.com


对于马斯克来说,特斯拉不仅是一家前卫的汽车公司,更是自己未来验证行星探索技术的产品试验平台:登陆火星后,内燃机和石化燃料都无法使用。但电动机、电池仍可在真空环境下工作,届时需要技术成熟可靠的“月球车、火星车”,所以,太阳能和电动汽车成为特斯拉的主打产品,也就不足为怪了。


“龙2”载人飞船采用Tesla电动汽车的同源技术 | https://www.geekwire.com


而“龙2”载人飞船的人机操控界面,采用与Tesla电动汽车中控面板同源技术的大型触摸屏,就是他将汽车工业、IT产业,与航天事业有机结合的独特思路。


回首2018年,SpaceX“重型猎鹰”(Falcon Heavy)发射时,就向火星轨道发射了一辆Tesla-Roadster跑车,这个当时引发公众议论的“迷之行为”,已经隐隐显露了马斯克试图将自制运载车辆送上火星的野心。


至于星链Starlink,下阶段将对地面用户试运营,其意义不仅在于提供下一代卫星通讯网络,更在于长远未来。当商业太空探索发射行动井喷时代来临时,Starlink就能升级为天基星际通讯系统。同时,SpaceX共享了NASA的巨型通讯天线,以便在未来深空旅行保持指控中心与飞船的联络…这样,其就不需再投资新建的巨型天线阵列了。


Boring公司的地下隧道构件 | www.bloomberg.com


同时,马斯克旗下的另一家技术创新企业Boring公司,一直在研发地下挖掘、超高速隧道高铁,而其解决并掌握的先进挖掘、隧道气密、高速运营、应急抢险等科技,其未来的主要应用场景,依旧是火星开发。


SpaceX火星殖民基地想象图,采用半地下结构,动力来源为太阳能 | www.geekwire.com


原因何在?按照马斯克的设想,因为火星大气成分完全不适合人类呼吸,所以早期火星移民,得住在封闭式地下城,基地之间以管道交通联结。因为科学家提出的“以藻类光合作用改变火星大气成份”设想,可能需要几千年时间,在短时间内难以奏效。所以马斯克的Boring公司、以及Hyper Loop真空管超高速高铁等项目,在近期的目标是引领地球上的交通革命;而远景,就是为在火星挖掘地下城、建设地下隧道网而积累技术与经验。


 这些技术因素和布局结合在一起,赫然能够得出一个清晰的结论:马斯克最终的勃勃野心,在于推动人类移民火星,甚至更远。他的那句格言:“睁大眼睛,仰望天空”,可以理解为,自己已经不满足在小小的地球上取得所谓的商业成功,而是试图重磅押注,以自己的商业盈利撬动人类发展的未来。


千帆竞发:先行者不再孤单


马斯克做到了先声夺人,但并不意味着他独一无二。在SpaceX后面,私人商业太空发射领域的竞争者可谓千帆竞渡、百舸争流。其中亚马逊创始人杰夫·贝索斯创办的Blue Origin(蓝色起源),是最强竞争者。


杰夫·贝索斯也是一位太空探索狂人 | www.businessinsider.com


早在2015年11月,贝索斯的“New Shepard”火箭就宣告成功发射,并安全返回。这是人类首枚成功发射并成功返回的可复用火箭,比马斯克的“猎鹰9”早1个多月。


“New Glenn”已赢得了包括MuSpace通讯卫星(GTO轨道)在内的4个客户、8个订单 | www.blueorigin.com


Blue Origin的新型重型火箭“New Glenn”,起点很高,与SpaceX “重型猎鹰”同量级,使用7台BE-4发动机,推力达17,132.5 KN,接近“重型猎鹰”第1级三组推进器22,695 KN推力总和,其2、3级火箭高度也超过所有现役火箭。


除此之外,很多更年轻的创业者们纷纷“上船”,建立私营太空公司,其解决问题的思维方式、突破方向、技术路径,与SpaceX、Blue Origin有所不同,各种奇思妙想层出不穷。


3D打印火箭


洛杉矶的Relativity Space公司,其创新的3D打印火箭发动机Aeon 1,仅由3个3D打印部件组成(传统火箭发动机通常由1,000多个零件组成),能以毫秒为单位达到全推力。在航空器制造领域引入3D打印技术,能够通过减少结构复杂性、节省工时,进一步降低了发射成本


Relativity Space的3D打印火箭发动机Aeon 1 | www.geekwire.com


Relativity Space手握的王牌,是世界上最大的金属3D打印机Stargate。它由多个激光装备Kuka机械臂和金属丝原料组成,专用于制造大型火箭结构。Stargate通过减少组件接口数量的生产工艺,实现火箭发动机生产全自动化,相较传统发动机一般6个月制造周期,Aeon 1制造时间可大幅缩短至1个月左右。


世界上最大的金属3D打印机Stargate | www,geekwire.com


 电池推进火箭


早在2018年10月,新西兰私营航天公司“Rocket Lab”就在新西兰东海岸就成功发射世界首枚3D打印的电池动力火箭“Electron”。


世界首枚3D打印电池动力火箭“Electron” | www.wired.com


Rocket Lab创办人兼总彼得·贝克(Peter Beck)说:电动火箭能以更低成本、更快速的发射100kg有效载荷至低轨道,成本少于500万美元,仅是Virgin Galactic(维珍银河)“空中发射系统”成本50%。且发射准备时间很短,1年可发射超过50次,客户也包括NASA,其目的在于发射成百上千颗小型低轨人造卫星,提供天基互联网系统、监控自然灾害等服务。


位于新西兰玛希亚半岛的Rocket Lab私营航天发射基地 | www.wired.com


不仅如此,Rocket Lab在新西兰玛希亚半岛建立了世界上第一个私营航天发射场,与其它发射场相比,地处南半球的该发射场租金低廉,还能提供更宽泛的轨道倾角选择,从而获得很多美国航天高科技企业的资助,比如洛克希德·马丁等。


空中发射


传统太空探索飞行器,都是从地面发射升空。地面大气稠密,空气阻力大,需要消耗大量燃料、大大挤占有效载荷。而“空中发射”系统的思路是:通过大型飞机,将火箭运载到约万米高空,以0.6-0.8马赫的初始速度反射,从而让大型飞机替自己完成最初的加速/爬升阶段,从而大大减少运载火箭燃料消耗、提升其任务载荷。


此外,“空中发射”系统还可灵活改变发射位置,避开恶劣天气,主动寻找更好的发射窗口,而陆上基地遭遇恶劣气象时就无能无力,只能推迟发射。


B-52重型轰炸机发射X-15火箭飞机 | www.nasa.gov


早在1960年代,NASA就尝试利用B-52重型喷气轰炸机,在空中发射X-15火箭飞机,成绩为高度108千米、时速7,274公里(6.7Ma)。


进入21世纪后,同样醉心于太空探索的极客大亨理查德·布兰森,也组建了自己的私人太空探索企业维珍银河,并宣布采用空中发射模式。具体模式为,利用自己研发的亚轨道飞行器“白骑士2号”,在大约 12,192米(4万英尺)的高度,点燃发射火箭,将质量为200kg的卫星送入低轨道。


维珍银河的“白骑士2”亚轨道飞行器和携带的火箭动力子机 | www.wired.com


但迄今为止,空中发射系统都是任务载荷数百公斤的小型运载火箭,显然无法成为未来大型航天发射的主力;要想提升自己在运载火箭发射市场中的地位,还是需要更大型的空中发射平台。


于是,微软联合创始人保罗·艾伦私人投资研发的大型空中发射平台“Stratolaunch”(平流层发射)应运而生,马斯克也是这个项目的股东之一。


跑道上的Stratolaunch | www.spacenews.com


艾伦的 “平流层发射”巨型飞机翼展达117m、6台发动机、重达226吨,可挂载250吨有效载荷,其空中发射火箭LEO(近地轨道)载荷达6.1吨,相较竞争对手们的运载能力高出1个数量级。然而随着艾伦的病逝,“Stratolaunch”这一航空/航天奇迹能否续写,尚未可知。


无利不起早


为什么以马斯克为首的高科技极客大亨如此热衷于太空探索?很明显,太空与其他行星,是人类探索与开垦的下一块热土,抢先抵达这里,既意味着自身成为了整个人类划时代的探索者,更意味着探索行动背后蕴藏的巨大经济利益。


事实上,“英雄所见略同”,马斯克和贝索斯等人在入行之处,就感知到低成本商业航天在未来的盈利模式与能力不可低估。


2019年12月,维珍银河工程师贝斯摩西,与两名飞行员一起乘坐商用太空船VSS团结号,抵达89.9km(29.5万英尺)高度,并成功返航 | www.yahoo.com 


低成本商业航天的第一个盈利场景,就是低轨道太空观光旅游,最早想到分割这块蛋糕的,是维珍银河。布兰森计划,使用白骑士2号运载母机,将 “太空船2号”亚轨道载人飞船发射到略低于轨道高度100千米的“Kármán line”(卡门线),进行亚轨道载人旅游项目,收费标准为20万美元/位。而马斯克的动作更大,根据他的计划,日本Zozotown品牌创始人前沢友作,将乘坐其“星际飞船”于2023进行“环月之旅”,成为人类历史首位私人宇航员,马斯克更透露说,已经有数十位全球顶级富豪企业家,预定了SpaceX的环月之旅“豪华太空游”。不过根据马斯克一贯过度乐观的秉性,“环月之旅 ”要想正式上线,至少要比他给出的时间表推迟5年。


马斯克与前沢友作,后者已经为Starship的研发赞助了至少1亿美元 | www.wired.com


 低成本商业航天的第二个盈利场景,在于积极参与原本只有政府航天机构能够染指的官方太空探索项目。2018年5月,美国宇航局俄罗斯联邦航天局)签署了关于深空探索研究“Deep Space Gateway(深空之门)”的联合声明。野心勃勃的“深空之门”将分成5个阶段(阶段0~阶段4),具体目标是在地球与月球之间建造空间站,作为月球研究的空间基地,以及飞向火星的中继站。


Deep Space Gateway“深空之门”月球轨道空间站想象图 | www.nasa.gov


NASA 为“深空之门”准备的主力运载火箭代号SLS (Space Launch System,空间发射系统),初期的月球转移轨道运载能力达70-105吨,之后会发展出130吨货运型。


SLS运载火箭 | www.nasa.gov


但SLS最大的问题是:它背后的设计研发思路依旧是上世纪人类第一轮太空探索时期的产物:政府主导,昂贵,复杂。该型号研发投入预期将达360亿美元,从2011至今,已经烧掉超过200亿USD,验证型号还没上天。今年五月,NASA不得不发表声明,SLS首次发射将推迟到2021下半年。


更要命的是:NASA局长吉姆·布里登斯廷透露,SLS执行登月任务时,单枚火箭价格高达16亿美颜,大批量订购才能将每枚火箭造价降低到8亿美元,而且,如此昂贵的“太空吞金兽”,居然还是一次性使用的火箭!


这就给了SpaceX的“重型猎鹰”以大好机会:“深空之门”是需多次发射、轨道对接组合的空间站,纵使NASA要把最大机会留给自己的嫡子SLS,但“重型猎鹰凭借”1.5亿美元的单枚低价、和LEO运载能力63.8吨、GTO运载能力26.7吨的出色性能,肯定能从庞大的发射份额中分得一杯羹。


低成本商业航天的第三个盈利场景,就是火星殖民,作为解决地球资源有限,人口爆炸与环境污染的终极解决方案。


根据马斯克的初期思路:SpaceX第一批宇航员将在2025抵达火星并登陆,首批“星际五月花”舰队成员将以人均50万USD/张的船票,拓殖火星。当然,这个计划依旧走的是与NASA紧密合作的模式,按照NASA的时间表,2030年,将实现宇航员绕火星轨道飞行,而真正的人类登陆火星时间,则要等到2040年。


为了做好火星探索计划的前期准备,SpaceX租下了NASA肯尼迪宇航中心的39A发射场地,而这里正是当年阿波罗11号宇宙飞船奔向火星的“福地”。在这里,SpaceX将继续推进“星际飞船”的研发工作,同时也开始和NASA合作,开展宇航员太空健康维护等诸方面的研究与实验。


富饶的新边疆:我们的目标

是星辰大海


如果我们放宽视野和想象力,在遥远的未来,当商业低成本航天能够以更低的发射成本、更大的任务载荷、更高的输送效率,将上亿吨空间设备发射到太空时,人类的命运与生存方式将会发生怎样的改变?


首先,太空将成为人类获取资源的“富矿”,彻底打破地球本身资源上限的瓶颈。在地球近地轨道上,共有9000颗左右直径超过150米的小型天体,而在从火星至木星的“小行星带”上,小型天体的数目则达到百万级,其中许多富含镍,锰以及铂,铱,钯等珍贵的铂系金属,而一颗小行星上的金属矿藏含量,就可能超过地球现有已探明的同类矿藏总。这是一项获利超越沉船探宝,而又门槛极的高风险/回报产业,而稀有金属供应量的急剧增大所引发的技术与制造革命,更是令人期待。


小行星采矿作业想象图 | www.geekwire.com


如果按照NASA现有技术水平和发射成本,完成每次小行星“俘获”的总成本高达2.6亿美元,而提炼出的贵金属价值很可能只有发射成本的零头。所以,廉价而多次反复使用的私人商用火箭和太空飞船,是实现星际资源开采的有力保障。


不仅如此,许多小型天体的含水量可能达到其总质量的20%到30%,分离出的液态氢和氧,是推进飞行器的宝贵燃料和维持宇航员生命的必需品。一旦开采成功,人类可以在太阳系内,为远程太空探索飞行器建立大大小小的“加油站”。


天基太阳能矩阵想象图 |  www.wired.com


其次,人类可以向天“借力”,利用太空中建立的“天基太阳能矩阵”,从而获取巨大的能量,对地球整体环境进行“介入干预”:加热干冷气团、影响大气环流、介入性干预水热输送,将南北纬30-40°的荒漠带变成良田,人为改变行星环境,以供养更多人口、创造更好环境。


届时,SpaceX目前尚在研制的“星际飞船”(STARSHIP),都会因运载力有限而不敷使用;专家预计,到21世纪末,在政府太空机构和私人资本的合作研发下,将研制出运载力为“星际飞船”几十乃至百倍,乃至更高的超巨型运载火箭。


在千百年后,如果人类已经成功地驶向星辰大海,那么回首今日,小小的“龙2”载人飞船,可能意义就如同达·伽马那四艘驶入大西洋的小小帆船,虽然本身微不足道,但它开启的,却是一个前所未有,人类推进自身活动新边疆的大冒险时代。


作者:亚非

编辑:朱步冲


本文来自果壳,未经授权不得转载.

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