财新传媒
位置:博客 > 王川 > 论第一性原理的理论和实践 | SpaceX如何克服各种困难

论第一性原理的理论和实践 | SpaceX如何克服各种困难

(1)
 
SpaceX 发动机设计师 Tom Mueller 如是说:
 
“ 这件事看上去很好玩。我们开始被那些火箭发射巨头嘲笑.
 
开始他们忽视我们.
 
然后他们和我们竞争,但是他们发现他们在一个公平竞争中无法获胜,因为我们成功了,而且我们的成本可能不到他们的五分之一。然后他们试图用别的方法来摧毁我们.
 
然后他们终于意识到,他们必须做和我们同样的事。你会听到许多公司开始宣传要做可重复使用的火箭,回收发动机,回收一级二级火箭,降低火箭费用和我们竞争 ...
 
如果没有 spacex 的压力, ULA 根本不可能考虑从 (贝索斯的) Blue Origin 那里买发动机。如果没有我们的压力,法国人也不会迅速放弃亚丽安五号,开始设计亚丽安六号。俄国人说他们会造出一个火箭超越 SpaceX, 这太好笑了。因为他们已经在他们的 Angara 火箭上做了 22 年,只发射过一次,然后突然宣布他们会做出一个成本更低的发动机. ”
 
(2)
 
许多人都想从成功者那里获得某个秘诀,某种可以一剑封喉,事半功倍,一劳永逸的绝技。但这在实践中往往并不存在,成功的结果往往需要多个要素为其必要条件,然后还要有点运气.
 
SpaceX 的 Musk 说道:  “每当有人告诉你某某杀手锏 (magic silver bullet) 是他们产品更优秀或者成本更低的原因,他没有告诉你所有的事实,他只是把真相大大简化了.  ”
 
SpaceX 成本更低的主要原因有这么几点:
 
第一,紧密精益的组织结构,导致整体成本极低 (比传统火箭发射巨头 ULA 和NASA 低一半以上).
 
一个曾在喷气动力实验室工作过的工程师说,"有一次一个校准仪器坏了,必须送回到德国修理,这中间要填写无穷多表格,经历各种官僚主义地折磨,我六个月什么事都干不了,就坐在那里。在 Spacex, 我会说 'Elon, 我要这个东西, 然后 boom! 我就拿到了' ”. 
 
第二,火箭发动机: 简单,可重复使用,扩展性强的 Merlin 发动机.
 
第三,火箭躯体和燃料箱。每一级火箭都应当把它看成是一个自己单独的飞船,即使像做三级火箭,或者两级火箭同时捆绑推进器,这些看上去无伤大雅的设计,也会极大地增加复杂度和成本。SpaceX 的设计很简单:就是两级火箭,没有再捆绑更多推进器.
 
第四,航空电子设备, 硬件和软件.
 
第五,发射运营团队 ( spacex 的一个发射团队要 12-15 人,而洛克希德*马丁要三百人)
 
(3)
 
要实践第一性原理, 对现有技术格局有根本突破, 不能有避重就轻的想法. 困难不会因为你躲避而消失, 掩耳盗铃耍滑头最后还是浪费自己的时间.
 
你一定要在底层的技术上有根本的改变,不断在各个细节上持续挑战传统思维的桎梏. 这是一个非常艰难复杂的过程,尤其是在开头. 但一旦基础打好后,下面的路就越走越宽.
 
马斯克在火箭研发的过程中,自始至终中采取的是一种长远的规划心态,甚至不惜为此牺牲短期的进度。猎鹰一号的设计,从一开始就是要强调可以回收和重复使用,为此在发动机和火箭高度可靠和高度冗余上下了很大的功夫。有工程师抱怨,不做这么多额外的工作,成功发射提前两到三年就可实现.但是有了这些坚实的基础,后面的迅速进步和对竞争者的超越才能成为现实.
 
SpaceX 火箭发动机的总设计师,是曾在军火商巨头 TRW 工作过的工程师 Tom Mueller. Merlin 发动机采用的是一种可以追溯到上世纪五十年代的叫 Pintle injector (有翻译为"舵销注射器") 的设计。这种设计的缺陷包括燃烧效率没有最优化,燃烧分布不均匀。但是它的优点是简单,易生产, 易测试.
 
这对降低生产成本,提高可靠性,实现重复使用至关重要.
 
最初的猎鹰一号火箭有一个 Merlin 发动机,执行 SpaceX 主要发射任务的猎鹰九号则是由九个 Merlin 发动机组成,预计2017年下半年将要发射的猎鹰重型火箭,将有 27个Merlin 发动机.
 
Merlin 从 2006年第一次测试成功开始,不断改进升级,最新的 Merlin 1D 版本,虽然推力不是最大,但推重比达到 180, 位居各类发动机之首 (大部分主流发动机推重比都在 100 以下).
 
(4)
 
航天领域由于长期缺乏竞争,各个零部件的供货商习惯了高昂的利润和长期的无所事事。SpaceX 的应对哲学是: 如果别人做不好,我们就自己动手.
 
有一次,公司需要一种特制的阀门,找到一个供货商,但开价二十五万美元,而且要一年后才能交货. 对于 SpaceX 提出的几个月内完成的要求, 哈哈大笑,不屑一顾.
 
几个月后SpaceX 的工程师们自己完成了阀门的生产和测试.
 
供货商打电话过来:"你们那个阀门怎么样?还需要吗?"
 
SpaceX : "我们已经弄好了"
 
供货商: “你说 弄好了 是什么意思?"
 
SpaceX: "我们造好了,测试完了,准备发射时使用了".
 
供货商: 沉默。
 
这样的故事在研发过程中不断一次次重复.
 
(5)
 
技术研发上超越前人, 另外一个重要因素, 是积极使用最先进的软件和硬件的工具.
 
Spacex 的发动机研发使用了最新的计算流体力学 (computational fluid dynamics) 的技术.外界观察者只能看到一小部分这方面的成果,但是公开的信息也让人觉得非常震撼.
 
现代 GPU 计算速度是十几年前的上万倍,可以模拟计算达到的精度是以前无法想象的. 模拟计算的优点在于:
 
第一,迅速,精度高,不必像以前一样高成本地重复大量物理测试。整体研发速度大大提高,成本大大降低。实验更多是为了验证模拟计算结果.
 
第二,实践上很多东西无法实时测量,只能通过模拟计算来研究.
 
第三,可以迅速寻找优化发动机设计的关键点,进而聚焦设计的计算空间.
 
第四,设计是主动的态势,而不是被动的根据实验结果慢慢改正.
 
(6)
 
德州大亨 Andrew Beal 在 2000 年秋放弃自己的火箭项目后,在德州 McGregor 市火箭测试场地留下了不少设施,正好被 SpaceX 廉价使用.
 
发动机测试是一个漫长和危险的煎熬.这个危险包含对于测试工程师的生命危险。一次完整的 Merlin 发动机燃烧测试, 三分钟内要消耗三千多加仑 (一加仑 = 3.78 升 ) 的液氧,两千九百加仑的煤油,如果控制不慎发生爆炸,可能造成附近人员的巨大伤亡.
有一次星期五晚上做发动机测试时,因为一个阀门没有打开,测试无法启动。 正常安全操作步骤是先抛弃燃料箱内注满的液氧才能到现场工作,为了避免耽误好几天的测试时间,两位工程师冒着生命危险到现场手动打开阀门.
 
从 2006年三月到2008年九月,SpaceX 尝试了四次猎鹰一号的发射才终于成功. 2008年八月初第三次发射失败后,SpaceX 面临弹尽粮绝,被迫关门的危险.
 
第四次发射之前,火箭从洛杉矶空运到南太平洋发射场后,发现火箭肢体在降落过程中因为气压改变受损。传统经验是这类损耗需要三个月时间才能修好,但工程团队连夜奋战,花了两周时间就地完成了修补工作.
 
客观的说,SpaceX 初创时期,风险极大,最终成功有运气好的因素. 但是如果不坚持奋斗六年多不退缩,一般人连接触这么好运气的资格, 都完全没有.
 
批评家最喜爱的运动之一, 是贬损 SpaceX 这也没什么了不起,那也没什么了不起,无非就是拿了一些 NASA 多少年积累的技术做到了今天. 这类肤浅的观点,就好像一个明朝人说欧洲的红夷大炮没啥了不起,无非就是抄袭了唐朝炼丹师发明的火药技术一样.
 
(7)
 
从竞争对手的角度看,spacex 价格会不断降低这件事本身并不可怕。大家都知道航天工业存在很多浪费。真正可怕的是,spacex 三个月做的事,别的公司要三年。这意味着,每一年下来, spacex 的领先在加大.
 
2017年初到七月中,全世界共有 42 次成功的火箭轨道发射,其中 SpaceX就占有 10 次,这个数字已经超过除美国外,本年度其他所有单个国家的成功发射次数 (俄国九次,中国七次).
 
更关键的是,SpaceX 的猎鹰火箭发射,都是基于同样的 Merlin 发动机. Merlin 估计目前年产量在 200-300 个发动机左右。这和 Delta 火箭使用的 RS-68 发动机,十五年的总产量不到一百个,形成鲜明对比.
 
对工业生产中的 “学习曲线”概念有基本了解的人都知道,产能越高,单位生产成本降低的越快,可靠性提高的也越快, 和竞争者的差距也拉的越大.
 
SpaceX 迭代速度比其他竞争者更快,发射次数越多,促使发动机产能更高, 可靠性和单价更低。而价格比竞争者更低,将会占有更多商用市场,获得更多的发射机会,从而进一步降低发射费用.
 
你一定还记得摩尔定律发展的根本动力,来自于半导体的价格下降和市场扩大的良性循环。而火箭发射的价格下降,和市场的扩大,也在开始沿着类似的“价格下降 => 市场扩大 => 更多研发投资 => 进一步价格下降”的规律加速前进.
 
前面十五年打下的基础,都是为了这一天的到来。新开辟的技术版图,又催生了先前没有预想到的新的行业的商业机会.
 
(未完待续)
 
 
推荐 2