马斯克的《星舰》完整版合起来,这家伙的思维真邪恶。

目前,世界上最大的太空火箭-飞船系统已经组装完成,70米的助推器和50米的飞船组成太空发射器,总高度为120米,比50年前的土星五号高出10米。如此巨大的工程也是有先例的,但马斯克的设计在这里很精彩——虽然巨大,但并不昂贵。这完全颠覆了航天领域和普通人的一般认识:火箭-飞船越大越复杂,系统越复杂。

马斯克的一系列设计都围绕着一个核心——成本经济。

载人航天甚至登月,都必须有庞大复杂的天地系统支撑,这原本就是一个极其昂贵的领域。为了保证绝对安全,过去的航天计划从来不敢在省钱上做文章。对几乎所有人来说,载人航天计划一定很昂贵是理所当然的。

所以我们可以看到马斯克这个不走寻常路的人的优秀品质。当然,所有搞航天的人也都明白,航天的商业化必须走大幅度降低成本的道路。商业卫星发射一直都是这么走的,但在以前,并不明显是由官方机构来进行。马斯克搞了猎鹰火箭之后,实际上降低了发射成本(当然目前还不明显)。

而在现有条件下降低载人航天成本的想法,在过去是没人敢想的,除非发射技术有了重大进步,比如前阵子中国分阶段试验成功的“空天飞机”的想法。“空天飞机”的航线,美国和苏联几十年前就研究过。工程技术要求太高,突破技术障碍太难。现在只有中国抢了接力棒。

马斯克认为普通人想都不敢想,设计了他的“星际飞船计划”,必须在现有技术手段范围内大幅降低载人航天的成本。所以“百万移民殖民火星”这个噱头一点都不重要。马斯克不相信自己吹的牛。他这句话的真正含义是,只有把成本大幅度降低到普通人买得起票价的程度,才会有大规模殖民火星这种事情,所以“星舰计划”的核心要素就是“让普通人买票起飞进入太空”。

为什么马斯克的想法是邪恶的?

因为过去的想法是,为了降低成本,必须降低火箭本身的结构重量,尽可能提高比冲,以增加有效载荷。因此,箭体应采用轻质碳纤维,箭体尽可能轻,燃料采用液氢液氧,发动机数量尽可能少,单台发动机推力尽可能大,尽可能减少设计冗余,降低自重。

事实上,这项技术对降低成本的作用非常有限。轻质固体材料、高比冲燃料、大推力发动机都不便宜,设计制造难度也相当大。过去,各国要提高航天技术水平,都是走这条路——发展新材料技术,发展大推力发动机,研究液氢液氧低温储存和使用技术。

马斯克做的正好相反。他不是科学家,而是一个有科学梦想的商人。所以他完全站在商人的角度思考航天工程。商人不追求绝对的精良,而是注重商业化条件下的合理先进,即把成本控制放在技术先进之前,然后围绕成本控制进行技术研发。

所以发动机不追求大推力,火箭材料不追求薄,火箭燃料不追求高比冲,航天器设计不追求极限载荷比,而是从可重复使用和简化生产的角度降低成本。这种突破技术专家思维模式的想法非常难能可贵!

星舰的整个概念是环环相扣的。

1,不锈钢箭体很便宜,虽然重,但是材料极其便宜,容易加工,容易打造,容易批量快速生产,而且非常适合多次使用,使用后的维护也非常简单容易。

2.液氧甲烷发动机的比冲不高,推力也不算大,但容易重复使用,燃料成本低,发动机设计制造简单,可以大规模生产。一年做个几百上千的流水线不成问题。

3.火箭采用大量发动机并联。虽然自重较重,设计冗余度高,载荷比低,但非常适合复用设计,通过重复使用可以降低成本,也容易做大规模弥补载荷比低的短板。

4.多台发动机并联虽然有降低安全余度的问题,但可以通过增加推力余度来弥补,推力更小的发动机更容易制造,所以在制造过程中可以尽可能提高安全性设计。小推力多发动机并联设计在火箭重复使用上优势明显,在火箭下降回收段更容易控制推力和节省燃料。

5.低载荷比的问题也可以通过多次发射来解决,颠覆了以往航天任务设计中尽量减少发射次数的思路。当星际飞船死亡时,它通过第二次发射在太空中加油。反正发射成本低,完全可以抵消多次发射带来的成本增加问题。

当然,这个想法能在多大程度上成为现实还很难说。星舰计划才刚刚开始,今年能否成功入轨还未可知。之前星舰上层测试经历了多次失败,成功的次数少之又少。助推器试验一次也没有进行过,离成功和成熟还很远。星舰助推器采用29台发动机并联,复杂程度不亚于苏联的N1。恐怕安全测试不会很顺利。

好在太空探索技术公司的试验频率很高,试验速度很快,说明试验成本控制有明显优势,这是以往航天试验所没有的。马斯克的方式确实具有颠覆性。

目前,中国航天也在借鉴马斯克的思路——不再以高科技为唯一发展路径,在商业化领域追求经济应用,以整体优势弥补系统单元的缺陷。但是,这并不意味着中国的航天完全转向了马斯克路线。在航空航天的非商业领域,尤其是深空探测等前沿领域,对高精度的追求丝毫不能放松。这也是长征九号系统500吨级高压补燃液氧煤油发动机和200吨级氢氧发动机继续加速研发的原因。

更何况美国在高端航天领域也在搞继承土星5的大推力发动机和重型运载火箭。

从长远来看,马斯克的快速成型思路存在一个致命的问题——搭载效率太低。要真正解决空间有效载荷低的痛点,还是要在先进技术上有所突破,所以两级轨道组合发动机的技术路线才是未来航天发展的正道。我很高兴中国宇航员在这方面走在世界前列。