星舰第四次发射成功返回，我们重发这篇文章。
文丨贺乾明李梓楠
编辑丨黄俊杰
美国东部时间 6 月 6 日，SpaceX 第四次发射星舰（Starship）太空船。飞船进入轨道，并重返大气层，按计划落入印度洋海域。商业公司以相对低成本提供媲美登月火箭的运载能力，是商业太空探索的一次大跨越。SpaceX 计划在后续的测试飞行中尝试平稳回收利用发射火箭，进一步降低成本。装载新发动机的第二代星舰也在准备中。
今年 3 月，星舰首次成功进入近地轨道后坠毁，我们发文介绍了 SpaceX 如何建立新的研发、生产体系，支持星舰的诞生。现在我们根据最新进展调整部分内容，重发这篇文章。
2011 年夏天，美国国会和美国宇航局（NASA）共同宣布了一个宏伟的计划：投入 180 亿美元，开发前所未有的巨型火箭和新飞船，重整载人航天，也为之后登陆火星做准备。
这是一个理所当然的 “举国体制” 项目。国会拨巨资、政府机构（NASA）设目标，让合作几十年的军工巨头们推进。
几个月后，NASA 从庞大的预算里拨了个零头（不到 3 亿美元）给 SpaceX、蓝色起源等四家商业公司，让他们尝试做出能自负盈亏的载人飞船。分工非常明确：政府开辟技术新疆域；商业公司负责压低成本。
13 年后，两个方向的成果差距巨大。6 月 6 日，SpaceX 把 40 层楼高、加注燃料后 5000 吨重的星舰（Starship） 送入轨道，还成功验证了回收星舰的能力。星舰的助推器成功落到墨西哥湾中，而不是像前几次那样以爆炸收场。商业公司第一次有了推力、载荷规划超过土星五号的新火箭，而且是可以重复使用的。
SpaceX 对发射充满信心，甚至在发射前去掉了星舰上的两片隔热瓦、减少一片隔热瓦的厚度，以测试不同情况下的隔热性能。这在一定程度上加大了回收的难度。
重新进入大气层时，星舰上的隔热瓦受到冲击剥落部分，侧翼根部被烧坏，信号几次中断。最终星舰还是承受出了穿越大气的极致高温，落到印度洋中，完成了既定目标。
SpaceX 在星舰发射前去掉了两片隔热瓦，减少一片隔热瓦的厚度。
商业种子超预期成长。而 NASA 和美国国防工业主导的 SLS 在延期 26 次之后，仅在 2022 年发射了低配版本，还没追上土星五号。
两边效率相距悬殊。SpaceX 今天已经是个盈利的公司，自己花了 50 多亿美元研发、制造星舰。而 SLS 项目已经花了超过 238 亿美元。
SpaceX 有政府资助。NASA 在过去 20 多年总计给了 SpaceX 135 多亿美元——大约相当于 NASA 半年多的预算。但这些钱不是研发补贴，大多是让 SpaceX 发射卫星、送宇航员去空间站，对 NASA 有实际回报。
能做到这一步，SpaceX 靠的是商业世界中普遍存在的常识：快速迭代、追求投入产出比、规模化生产、用便宜的通用设备替代专用设备。
SpaceX 的成功带来的启发不只是技术，还让更多创业者开始重新审视商业的边界。越来越多的创业者选择用新的技术和方法论去颠覆原本被认为只有政府才能主导的领域，推动航空航天、军工甚至可控核聚变的创新。
SpaceX 的超能力——穷
2002 年，埃隆·马斯克（Elon Musk）成立 SpaceX 的时候，许多 PayPal 的老同事都觉得他疯了，里德·霍夫曼（Reid Hoffman） 说：“这怎么能是一门生意呢？”
但马斯克不觉得造火箭是不能赚钱的，他认为太空飞行需求少是因为发射价格贵得离谱，当时送 1 公斤设备上太空得花上万美元。只要 SpaceX 能降低发射成本，就会有更多人为他们的火箭买单。有了足够多的需求，SpaceX 就能把火箭卖出去，赚钱造更好的火箭。
马斯克也只能这样想。创立 SpaceX 时，马斯克的总资产不到 2 亿美元，还不够 NASA 发射一次航天飞机。更不用说整个阿波罗登月计划耗资 250 亿美元（币值相当于如今超 1500 亿美元）。
他一开始想买俄罗斯的二手火箭来压成本，但被 1800 万美元的要价劝退。《马斯克传》中写道，从俄罗斯回到美国的航班上，马斯克开始考虑研发火箭的可行性。他用 Excel 列出制造一枚中型火箭的所有材料和成本，比如碳纤维、金属、燃料等。他发现采用传统的方法造火箭，成品成本要比材料成本多出 50 多倍。
马斯克由此想出了 “白痴指数”：计算一个产品成本比材料成本高多少，高的越多，越白痴。他认为，如果一个产品 “白痴指数” 很高，一定可以找到更有效的制造方法削减花费。
经过激烈市场竞争的现代工业都不太 “白痴”，比如汽车行业的白痴指数能做到 1.5。但航天探索长期被计划和指令所控制，目的是展现技术实力和制度优势，来自财政拨款的机构往往更在意安全，缺少对效率的极致追求。军方和 NASA 为火箭零部件制造提出数百种规格和要求，因此成本高昂，火箭上的一个阀门比汽车上用的类似阀门要贵 30 倍。
SpaceX 制造第一代火箭的时候，自己设计、制造了 70% 的零部件，剩下的零部件则找非航空领域的供应商买替代品，帮它们改进技术以满足火箭发射的标准。
最后，SpaceX 成功发射第一款火箭猎鹰 1 号，只投入约 1 亿美元。相比之下，理想汽车造出第一款车之前研发投入接近 3 亿美元。
用猎鹰 1 号证明 SpaceX 可以成功发射火箭后，马斯克就将火箭回收当作必须实现的目标：“每次飞行后扔掉价值数百万美元的火箭，就像每次飞行后扔掉一架波音 747 一样。”
SpaceX 用 5 年把它变成现实，现在也只有蓝色起源等少数机构能做到。
SpaceX 用的方法是互联网公司中习以为常的反复试验、快速迭代。马斯克认为，这是造出可用火箭的唯一方法。猎鹰 9 号的助推器成功回收前失败过 20 次。而这次星舰测试发射前，SpaceX 至少炸毁 10 艘。
此前的航天探索中，这样的折损基本不可能存在，也承受不起。NASA 主导的火箭项目，每次发射的成本会到上亿甚至数亿美元。他们更倾向在发射火箭前，花数年时间和大量资金完善设计方案，尽可能避免爆炸。
实验阶段的一次次失败后，SpaceX 得到可靠且便宜的火箭。根据中国运载火箭技术研究院估算，重复发射 10 次，猎鹰 9 号的单次发射成本只有 2000 万美元，只有发射一次的 42%。如果一个猎鹰 9 号能重复发射 100 次，单次发射成本会被摊销至 1600 万美元，只有原来的三分之一。便宜的价格帮 SpaceX 吸引大量订单，去年欧美发射了 147 次火箭，SpaceX 占比超 65%。
极低的发射成本，也让 SpaceX 能在 6 年内往近地轨道发射超过 6000 颗卫星，组成 Starlink 网络。据 Spacenews 测算，Starlink 2023 年营收超过 32 亿美元。
发射后正在进入轨道的 Starlink 通信卫星。
极致削减成本的理念贯穿星舰开发的各个环节。
包括 SpaceX 的猎鹰系列火箭在内，现在许多火箭的主体都用碳纤维复合材料制造，它能承受火箭冲破大气层时产生的高压，不轻易变形。更关键的是，它还足够轻，可以有效降低火箭自身重量，让火箭冲向太空时多带点东西，或少用点燃料。
SpaceX 试过用碳纤维复合材料当星舰的外壳，但制造几个大型部件后放弃。它不耐高热，温度超过 200 度，碳纤维复合材料的强度会直线下降，想用得加隔热层，这会增加火箭制造难度和成本。碳纤维复合材料还很贵，市场价每公斤 130 美元。再加上 SpaceX 用 “白痴指数” 改进火箭制造方式多年，已经难以大幅降低成本。
SpaceX 选了更便宜的不锈钢当星舰的主材料，马斯克说这是 “SpaceX 做出的最佳设计决策”。
不锈钢很重。2019 年，SpaceX 用不锈钢制造的星舰原型重 200 吨，如果用碳纤维复合材料制造，粗略估算会减到 40 吨。但不锈钢足够便宜，每公斤大概只要 4 美元。SpaceX 牺牲载重，能在一艘星舰上省超 400 万美元。
星舰早期测试画面。图片来自 SpaceX。
而且 SpaceX 还有同行不具备的优势，它可以与特斯拉联合采购降低成本。星舰用的不锈钢和特斯拉 Cybertruck 上的来自同一家公司——芬兰的 Outokumpu。
用了更重的不锈钢，SpaceX 想尽一切办法削减火箭的重量。不锈钢耐高温，SpaceX 就减少不必要的隔热罩。SpaceX 不给火箭喷漆，也能够减轻部分重量。这次发射前，如果你放大画面看发射架上的星舰，可以清楚地看到焊接痕迹。
硬件提升困难，靠软件和 AI 来补
星舰上用的猛禽二代发动机，推力刚达到 1970 年代美国航天飞机上使用的 RS-25 发动机的水平，只有登月火箭土星五号所用 F-1 发动机的 1/3。
但 SpaceX 一次装了 33 台发动机。传统火箭设计中，用更多发动机并不是最优选。控制一个发动机就很难，想要控制一群，难度会急剧上升。
星舰助推器 33 台发动机同时工作。图片来自 SpaceX。
1960 年代，美国宣布实施登月计划后，苏联的科学家也开始研发推力足以将宇航员送上月球的 N1 登月火箭。他们并联了 30 台发动机，但很难同时点火，也不能在飞行中及时、精准地调整方向。N1 火箭发射 4 次，炸毁 4 次。苏联因此搁置登月计划。
N1 没有能处理复杂任务的计算机，但 SpaceX 可以用 GPU 做仿真测试。
SpaceX 的工程师可以模拟发动机运转状况，寻找潜在问题，比如燃料没能充分燃烧时，发动机会不停颤抖，导致火箭飞行不稳定，严重时会让整个火箭无法载重飞行甚至解体。现有技术没办法在发动机运转时给它做 “核磁共振”，软件模拟可以提前发现问题。
用大量成熟的小型设备组成集群替代复杂的大型设备，也是马斯克熟悉的计算机产业反复实践的方法论。
今天 Google、亚马逊、字节跳动等公司的数据中心所用的处理器和个人电脑里的没太大区别。数以万计的个人电脑级别处理器集群计算，替代了曾经专门定制生产的大型机、小型机。
马斯克以此类比火箭说，如果只用一台或几台大型计算机，但凡出现宕机，整个系统就会停摆，“火箭发动机也是如此。就算猎鹰重型火箭上有 6 台发动机出现故障，它还是能进轨道。” 最新这次星舰发射，助推器上就有一个发动机没正常工作，依旧完成了飞行任务。
AI 也被 SpaceX 用来辅助研发发动机，保证它们能正常工作。
2021 年，马斯克开始抱怨猛禽发动机，它被设计得过于复杂、制造工艺繁琐，成本无法降低。
为了尽可能减少重量，SpaceX 的工程师去掉初代发动机身的多数电缆和管路，十多个阀门被集成到几个阀门中，用焊接工艺取代类似螺丝的紧固件来加强发动机的密封性。他们甚至还去掉了燃烧室内冗余的双点火系统，只留一个点火器，用高温高压的氧气和甲烷去点燃其余的燃料。
硬件上的每一处集成都让发动机更难控制，每道阀门、管路都要承受比之前更大的压强。为了精确判断并控制发动机的流量和燃烧情况，SpaceX 工程师开发了一个 AI 模型，模拟测试新发动机各个系统，以便在实际发射时预测发动机的状态和性能，并在关键时刻进行精确调整。
在 AI 的辅助下，SpaceX 工程团队 1 年内就做出第二代猛禽发动机，重量下降 400 公斤的同时，还让推力提升 24%，并且加快了生产速度。
猛禽 2 比猛禽 1 和 NASA 仍在使用的 RS-25（ SLS 火箭的发动机） 更小、轻，但推力与 RS-25 接近。
另一边，“国家队” 还在翻冷战时期的设计图。2015 年，NASA 拨款 11.6 亿美元，让军工企业 Aerojet Rocketdyne 重启 RS-25 航天飞机发动机生产线，为 SLS 火箭提供发动机。RS-25 年产能只有四台，每台成本上亿美元。而 SpaceX 平均每天就能生产一台猛禽发动机，成本百万美元，未来计划降低到数十万美元。接下来，SpaceX 会把第三代猛禽发动机用到星舰上，它的推力比二代更强、造价更便宜。
像汽车工厂一样用流水线造火箭
几乎所有制造业都遵循莱特定律——生产规模每提升一倍，平均生产成本就会下降 15%。但航天领域几乎没有生产规模可言。全世界每年只生产上百台火箭，像星舰这样的火箭更少，上一个与它体型、载荷、推力接近的火箭是 NASA 去年发射的 SLS，过去十多年只产了 1 枚。
SpaceX 是第一家打造了规模生产流水线的火箭公司。它的制造经验很多来自特斯拉。
SpaceX 设计火箭时，会尽可能复用零部件，降低制造难度。星舰的外壳主体由数十个高两米、直径九米的不锈钢 “大桶” 焊接组成。这些不锈钢桶也是助推器 Super Heavy 的外壳主体。马斯克说，它只是更长、底部有更多发动机的星舰燃料箱：“建一条星舰流水线时，你基本上也有了一个生产 Super Heavy 的流水线。”
为了节省成本，SpaceX 没用混凝土建厂房，而是搭大帐篷。航天记者埃里克·伯格（Eric Berger）感慨，这地方就像珍珠港事件几周后的美国海军造船厂。
星舰装配现场。图片来自 SpaceX
像在特斯拉那样，马斯克让设计火箭的工程师同时负责火箭的生产，“装配线上的人要能快速逮住产品设计师，跟他们吐槽 ‘你疯了吗，为什么要这样设计’”。
《马斯克传》中写道，当马斯克走过 SpaceX 的装配线，他会在每个工位停下来，静静地盯着，跟团队辩论，拿掉或者精简一些零件。这跟他在特斯拉产线上的行为没什么区别。他还邀请特斯拉高管观察 SpaceX 的生产线，用汽车制造的思路提出可以简化生产线的方案。
为了让工程师理解特斯拉产线的运作方式，SpaceX 财务分析师卢卡斯·休斯（Lucas Hughes）做了 PPT ，展示特斯拉的工程师如何删掉多余的工序和零件降低成本。
每生产一枚火箭，SpaceX 就会迭代一次流水线，提高效率、缩短制造时间。2019 年，SpaceX 的工程师和技术人员制造第一艘星舰用了 8 个月。半年后，SpaceX 只用 1 个月，就能造一艘星舰。
考虑到星舰最终能重复使用，美国智库 CSIS 估算，使用星舰往太空中运送 1 公斤物资的成本预计会降至 200 美元，只有此前最便宜火箭猎鹰 9 号的 7%、土星 5 号的 3%。
SLS 已经没什么竞争优势。去年，NASA 的官员在交给美国政府问责局（GAO）的报告中承认，SLS 的成本高得无法承担，计划难以持续。他们找到美国国防部，希望对方采购 SLS 火箭送物资进太空，好帮助军工企业降低生产成本到 20 亿美元，遭到拒绝。“我们可以用更便宜价格买到类似的能力，对 SLS 不感兴趣。” 国防部负责火箭采购的官员接受采访时说。
不同行业、更多的 “SpaceX”
二战结束后，美国继续沿用战时的举国体制推动重要科技研究。靠着这套体系，美国在冷战时期用 7 年登月，出于战争目的研发了计算机、互联网、GPS 等塑造现代生活的技术。
冷战结束后，政府间竞争压力大幅缓解，已经成功的美国制造业巨头沉迷于将生产转移到其他国家，利用海外低廉人力成本，提高利润率。
只有少数面临激烈市场竞争的公司，比如苹果，还会选择掌控核心技术，让供应商代工生产。而大多有垄断地位的公司为了财务报表好看一些可以放弃技术投入，比如波音开发 787 时让供应商分担七成研发成本，不再追求对核心技术的控制，成为美国制造业空心化的代表。
至少有二三十年，美国人谈论创业，基本都是在互联网等虚拟世界里做产品。零星出现的硬件创业公司多聚焦在消费电子。
现在航天领域出现一轮由私营公司主导的技术竞赛。根据 Space Capital，过去十年全球有 1832 家太空公司拿到近 3000 亿美元投资，是同期 NASA 预算的约 1.5 倍。这些新公司大都像 SpaceX 那样，用商业的方式和新出现的软件辅助解决技术难题，尽可能压低成本。比如亚马逊创始人杰夫·贝佐斯（Jeff Bezos）支持的蓝色起源，现在全面对标 SpaceX。
还有一些卫星创业公司，选择开发重量不到 1 斤、大小不到半块吐司的微型卫星，送进近地轨道组成不同用途的通讯网络。因为卫星足够小，制造起来比大卫星便宜，发射时也能用一枚小型火箭在太空中批量投放，部署成本也低，就算使用一段时间后自动进入大气层烧掉，也能算过来账。
已经固化几十年的航空发动机行业，现在也有了挑战者。在 YC 创业营中，有家叫 Astro Mechanica 的美国创业公司造出了更节省燃料的新型喷气发动机的原型机。
波音、空客所用的航空发动机，通常只在亚音速的巡航阶段有较高效率。而 Astro Mechanica 的发动机加装了电机，自动调整涡轮风扇旋转速度，可以在保持效率的前提下加速到 6 倍音速。现在电动车的爆发加速了电机进化，让这样的设想成为可能。
军事领域也在出现一批创业者。最突出的可能是军用无人机公司 Anduril，这家 2017 年成立的公司正在用 AI 改造无人机。今年 3 月，Anduril 的无人机在试验场上成功击毁一辆装甲目标。Anduril 的估值已经达到 85 亿美元。
新一代科技公司的产品演示视频，Anduril ALTIUS-700M 无人机攻击目标。图片来自 Anduril。
甚至连各国政府都不再保有热情的可控核聚变，也出现了一批利用新材料和 AI 找突破点的创业公司。
作为硅谷创投风向标的 YC 创业孵化器，早几年基本没什么工业或政府项目相关的初创公司。SpaceX 成为一个范例，让政府看到商业公司的能量，也激发了越来越多创业者用新技术改造政府和商业巨头主导的领域。2012 年到现在，YC 孵化了超过 260 个工业或者与政府事务有关的项目。
许多创业者和马斯克一样，是外行进入专业领域。Astro Mechanica 创始人伊恩·布鲁克（Ian Brooke）上一段创业经历是造摩托车配件。Anduril 的创始人帕尔默·拉奇 (Palmer Luckey) 之前创办了 VR 公司 Oculus，然后卖给了 Meta。
新的创业公司也需要新的风险投资人。《纽约时报》去年底报道，他们已经确定至少 50 名美国军方官员在过去五年内辞职，去风投机构当高管或顾问，帮助识别那些有潜力的创业公司。
2021 年底，核聚变公司 General Fusion 的创始人接受《自然》杂志采访说，可控核聚变已经到了 “SpaceX 时刻”。更多行业正在进入这样的时刻。
题图来源：SpaceX。
