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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 [:1700036961]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 作为火箭研发新驱动力的私营企业
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发射火箭就像驾驶一架747喷气式飞机，使用一次后就将其摧毁，然后为下一次飞行再造一架新的747。在这种情况下，票价往往会很高。但这就是运载火箭的历史：火箭就是把货物运到太空的导弹，而不是带着炸弹飞向敌人的导弹。NASA和俄罗斯的太空计划自创立以来就与军方联姻，因此它们依赖导弹。1958年，德怀特·D.艾森豪威尔总统创建NASA的时候，显然是将它作为一个民用机构，但实际上，NASA是在美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory，NRL）和美国陆军弹道导弹局（Army Ballistic Missile Agency，ABMA）的基础上建立起来的。后者聘用了沃纳·冯·布劳恩，一位被俘的德国科学家，曾经领导了希特勒的导弹计划，带着他现成的火箭设计被转移到了亚拉巴马州。[10] NASA的大多数试飞员和宇航员都来自空军。20世纪60年代，NASA就像是五角大楼的第六角，看看他们的发型就能证明这一点。五角大楼发射导弹的时候根本就没想着要回收它们。
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然而，重复使用火箭部件并不是什么新鲜事。这就是NASA航天飞机背后的理念。按照设计，航天飞机要滑翔回地球以便再次发射。将航天飞机送入太空 的两个助推器将落入海洋，然后从海里将它们回收，翻新后再利用。20世纪70年代初，这些想法在纸面上看起来不错。但在现实中，助推器每次发射时都被严重损坏，翻新比建造新助推器还要昂贵。[11] 更糟糕的是，工程师们被死板的航天飞机项目安排所束缚，为了重复使用助推器，每次发射都增加了相当大的成本——大约5亿美元。国会为了进行政治分肥，把航天飞机的部件合同分给自己的选区，包括从佛罗里达到华盛顿的各个地区，造成了不必要的复杂且昂贵的物流，进一步增加了运营成本。毕竟，这是一种创造就业机会的方式——也就是说，给选民提供工作。总的来说，航天飞机项目每次发射的最终成本大约是15亿美元。[12] 就连NASA自己现在也承认这个项目是个错误。[13] NASA局长迈克尔·D.格里芬（Michael D. Griffin）表示，如果把我们送到月球的“土星”火箭计划能继续下去，那么以航天飞机一次发射的费用，它能完成每年六次的载人发射。“如果当时这样干了，我们现在就登上火星了，而不是在纸面上把它作为一个‘未来五十年’的事情来规划。”格里芬在2008年写道：“我们本应当有几十年在地球轨道上长期运行太空系统 的经验，以及几十年探索和学习利用月球的经验。”[14]
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航天飞机项目太令人费解，苏联科学家认为航天飞机是用来实现太空军事化的东西，因为哪个理智的政府也不会以科学的名义，在这样一个有缺陷且不切实际的设计上投入这么多钱，而且当时还有更有效的方法来得到所需的科学成果。航天飞机项目把苏联人吓呆了。[15]
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我离题了。SpaceX的目标是通过运用基本的商业智慧，来避免NASA航天飞机项目的错误：创建一个合理的供应链，尽可能地削减成本。精益生产、纵向合并、扁平化管理（也就是开放沟通），这些都是硅谷初创企业的特征，但航天界从未采用过这种公认的方式。由波音公司和洛克希德·马丁公司组成的联合发射联盟（United Launch Alliance，ULA），主要为美国军方生产“德尔塔”（Delta）和“阿特拉斯”（Atlas）运载火箭。该联盟几乎没有动力降价，原因有以下几个：没有竞争、主要客户资金雄厚，以及希望实现利润最大化的股东。考虑到NASA、军方、波音和洛克希德·马丁之间根深蒂固的关系，SpaceX和其他初创公司想要参与这些利润丰厚的合同将是一场艰苦的斗争。新来者不仅需要发射价格更便宜（对于NASA和商业卫星），还需要有可靠性，而联合发射联盟在这方面做得非常出色。
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SpaceX拥有从零开始、灵活机动的优势，而联合发射联盟则可能因为固守旧模式而停滞不前，无法快速创新，就像福特和通用汽车一样。福特和通用汽车都被丰田打了个措手不及。SpaceX拥有“猎鹰”（Falcon）系列运载火箭和“龙”（Dragon）系列飞船，以及一款已经研发了好几年的重型火星运载火箭样机BFR［BFR字面上代表“大猎鹰”火箭（Big Falcon Rocket），但F似乎还有其他含义。不管怎样，马斯克在2018年11月修改了这个名字，将一级即助推级称作“超级重型火箭”（Super Heavy），上面级即航天器级称作“星舰”（Starship）］。SpaceX采取了很多聪明的办法来削减“猎鹰”运载火箭的成本。例如，“猎鹰9号”的两级都使用相同类型的推进剂，具有相同的直径，并且使用同一种铝锂合金制造，这就节省了设计以及组装、翻新所用加工工具的费用。“猎鹰”火箭采用“梅林”（Merlin）火箭发动机提供动力，该发动机可以追溯到阿波罗时代，其可靠性经过了太空飞行的考验。今天的大多数火箭发动机使用喷头型喷注器板向燃烧室喷射燃料和氧化剂；而“梅林”发动机使用一种叫作针状喷注器的东西，这种针状喷注器既便宜又不容易造成燃烧不稳定，而燃烧不稳定正是火箭在发射时爆炸的主要原因。其他方面，SpaceX通过回收零部件以降低成本，说白了就是使用闲置在NASA和军事基地里的巨型燃料箱、旧的轨道车等东西。该公司自己制造或翻新大部分零部件，以绕过航天市场固有的哄抬价格的陷阱。
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这可能是因为SpaceX拥有新的“利器”。该公司在商界的大胆行为是有据可查的。有一次，该公司需要一款发动机阀门，而供应商却说这种阀门要花费数十万美元，而且要一年多的时间来研发。SpaceX的推进系统主管汤姆·穆勒（Tom Mueller）觉得这很离谱，于是就说要自己做，而供应商嘲笑他太天真。但穆勒团队还是自己制造出了这个部件，并进行了测试，价格只有预估成本的一小部分。实际上，在初次讨论几个月后，供应商就打电话回来，希望能达成协议。穆勒兴高采烈地向供应商解释说，他们已经造出了阀门，这让供应商非常震惊。[16]
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这种情况经常发生，因此SpaceX学会了避开航天供应商。SpaceX需要一个空调系统让火 箭整流罩内的卫星保持在合适的温度，另一个供应商为此要价300万美元。马斯克听说了这件事，就问，在一间同样大小的房间里这样的系统要花多少钱。答案是几千美元，而这就是SpaceX最终支付的价格。工程师们只做了一些微小的调整，就把它安装在了火箭的整流罩里。[17] 接下来就是战场上的英雄行为了。2010年，在“猎鹰9号”第二次发射前夕，工程师发现其中一个发动机的喷嘴或者叫裙部，出现了裂缝。NASA通常的做法是将发射推迟几个月，等工程师们完全更换了这个喷嘴后再发射。而在SpaceX，马斯克召开了一次会议，提出如果只是简单地将裙部裂缝修补一下会产生什么影响？他绕着桌子，一个人一个人地问这样做对发射中每个系统的影响是什么。唯一的缺点就是，这个发动机的性能会稍微差一些，但是其他发动机完全可以补偿。不到30分钟他们就做出了决定，把裙部修补一下。那天晚上，SpaceX的一名技术人员就带着一把大剪刀从加利福尼亚州总部飞到了佛罗里达州卡纳维拉尔角（Cape Canaveral）。技术人员剪下了裙部，第二天“猎鹰9号”发射（成功）。[18]
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这种方法的结果是什么？那就是发射成本更低。NASA为12次货物运输付给SpaceX 16亿美元，而航天飞机发射一次就需要15亿美元。相比之下，SpaceX的费用低多了。这个费用还是联合发射联盟发射费用的1/3，尽管这不是一个同类比较。美国国防部（DOD）可能会效仿。2014年，美国政府问责局（Government Accountability Office，GAO）致信美国参议院，严厉批评空军的支出以及联合发射联盟的发射价格，指出“对承包商成本或定价数据缺乏洞察力，（已经）意味着国防部可能缺乏足够的知识，无法就公平合理的发射价格进行谈判”，这种情况已持续多年并且导致了垄断。[19] 纳税人可能对政府开支的浪费越来越难以容忍，即使是在太空领域。
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据估计，如果SpaceX每次发 射“猎鹰9号”收取5000万美元，它就可以从NASA的合同中获得巨额利润。利润在于火箭的发射次数以及火箭助推器的重复使用，马斯克估计每台助推器可以飞行十几次。2017年，SpaceX为付费客户发射了18次“猎鹰9号”火箭，2018年，该公司平均每月发射2次，因此经过多年的测试和投资后，已经开始赚钱。2018年，“猎鹰”重型火箭首次试飞成功。这次发射把一辆带着驾驶员模型的特斯拉电动跑车送入轨道，目的就是为了炫耀。他们计划把跑车送入一条环绕太阳的轨道，然后借助天体的引力把它弹射到火星。未来，埃隆·马斯克的巨型火箭（超级重型火箭和星舰）和首批火星旅行者将以此为目的地。接下来是更大的火箭，一次搭乘100人。不过，“猎鹰”重型火箭有点太强大，似乎将特斯拉跑车射过了头，将越过火星奔向小行星带[20] （体会到齐奥尔科夫斯基火箭方程的重要性了吧）！“猎鹰”重型火箭由3枚“猎鹰9号”组成，包括9台发动机。截至2018年，“猎鹰”重型火箭的运载能力是世界上现有最强运载火箭的2倍，能够将近64吨物体送入轨道。有效载荷多于此的，只有1973年阿波罗登月计划中的“土星5号”运载火箭。
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太空中的埃隆·马斯克特斯拉跑车
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这个令人兴奋的画面是真实的，只不过司机是一个人体模型。2018年2月6日，SpaceX用一枚“猎鹰”重型火箭将这款电动汽车送入了太空，这一成就凸显了私营企业对太空飞行日益增长的兴趣。这辆车原本是要“驶向”火星的，但它似乎位于一条超越火星的轨道上，将飞往小行星带。
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我并不是说SpaceX比其他公司更胜一筹。有很多我称之为“LUCA”［loud，unfriendly counter-arguments（大声、不友好的反驳）］的人在质疑公司的真实支出，因为NASA如此公开透明也没能让可重复利用变得经济起来。马斯克可能是一个我行我素注定要失败的人。在2018年9月的一次直播中，他抽了一支据说是别人给他的大麻烟，并因此受到打击；尽管他后来在播客中表示，他不喜欢大麻，也不抽大麻，但此举还是激怒了部分NASA官员，他们随后 下令对SpaceX的商业文化进行评估。[21] 但这里的重点是，有几家公司正在争相成为火箭发射领域的领头羊，而竞争肯定是一条降低进入太空成本的途径。传统上是没有竞争的。几十年来，只有美国和苏联发射了火箭，两者的火箭发射都与军事密切相关。2010年只有6种主要运载火箭，确切地说是轨道发射系统，要么是国家所有的，要么几乎是垄断的：“阿丽亚娜5号”（Ariane 5），由ESA和法国国家太空研究中心（Centre National d’Etudes Spatiales，CNES）授权制造；“质子M”（Proton-M），俄罗斯的重型运载火箭；“联盟2号”（Soyuz-2），俄罗斯较小型的运载火箭，将宇航员（包括美国人）送入ISS；中国“长征”系列运载火箭；联合发射联盟的“阿特拉斯”和“德尔塔”运载火箭。在所有这些运载火箭中，只有俄罗斯的“联盟2号”和中国的“长征二号F”运载火箭用于载人。自豪的美国自2011年以来就一直没有能力将自己的宇航员送入轨道。
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但21世纪第二个10年情况发生了重大变化。除了SpaceX，其他三家公司也在载人航天领域取得了重大进展，它们分别是毕格罗航宇公司（Bigelow Aerospace）、蓝色起源公司（Blue Origin）和维珍银河公司（Virgin Galactic）。特别有利的是这些新公司之间的协同作用。例如，毕格罗航宇瞄准太空酒店业务，蓝色起源负责将你带到那里去，SpaceX可能会让你在月球或火星着陆，而维珍银河可能会在两小时内带你环游世界。
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此外，还有数十家其他公司也在填补空白。总部位于新西兰的火箭实验室公司（Rocket Lab）正在向小型化方向发展，使用一种个头小、价格相对低廉的火箭，可将225千克的载荷送入太空，比如可为星际旅行提供骨干网络的小型通信卫星。该公司称自己为太空快递领域的“联邦快递”。[22] 实际上一种有益的分化似乎正在出现：人们正在设计大型运载火箭来运载人类和重型设备，如车辆、挖掘机和其他探险必需品；小型火箭正在激增，以搭载新一代的纳米卫星。由于小型化技术的进步，这种卫星重量不到10千克，可以完成各种任务，比如成像和通信，以往这些任务需要重量为现在100倍的卫星来完成。比这些还要小的卫星也在大量发射和部署。[23] 小型运载火箭背后的推动力，是人们可以找到每周甚至每天发射的市场，通过规模经济降低发射价格。
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总的来说，这些活动是“新太空”（NewSpace）运动的一部分。在这场运动中，各色各样的企业家以及越来越多的业余爱好者有着一个共同目标，那就是不带任何政治动机，纯粹出于商业利益而降低进入太空的价格——这与政府和军事承包商的“旧太空”（old space）伙伴关系形成了鲜明对比。NASA艾姆斯研究中心（Ames Research Center）合作关系主管加里·马丁（Gary Martin）如此总结道：“新太空”代表着“太空探索与开发历史上的一个转折点，是一场革命的前端，（在这场革命中）以多种不同方式利用太空的新产业正在诞生。已经建立起来的军事航天工业部门不再是唯一选择。竞争的加剧和新的力量将持续改变市场”。[24]
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不过，每次发射的价格标签可能会让人感到困惑。拥有小型火箭的公司常常吹嘘发射成本只有几百万美元，而相比之下，大型火箭的发射成本则高达数千万美元到数亿美元。但是小型火箭的有效载荷很小。一种比较方便的比较方法是采用成本—质量比，也就是将每磅或每千克有效载荷送入太空的价格。火箭实验室搭载225千克有效载荷的一次发射，价格约为500万美元，成本—质量比约为2.2万美元/千克。而SpaceX的“猎鹰”重型火箭可以搭载64000千克的有效载荷，花费为9000万美元，也就是每千克大约1400美元。这相当有吸引力。但与数以百计的纳米卫星发射客户相比，需要将64吨货物送入太空的非政府客户要少得多。对于NASA及其火箭来说，历史上的价格是每磅1万美元或每千克2万美元。NASA在1999年阐明的目标是，在25年内将成本降低到每磅数百美元，在40年内将成本降低到每磅数十美元。[25] 怎么样？或许NASA应该依赖SpaceX这样的公司，通过规模经济和精明的商业行为进一步降低价格。对基础运载火箭研发实行零税收将节省大量资金。NASA可将这些资金用于需要重型运载火箭的其他项目，而SpaceX或其他供应商则将获得更多利润，以同样的净价开展更多太空项目。双赢！
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NASA在航天飞机项目和ISS的发展上显然搞砸了，所以在美国国会对开支问题感兴趣的情况下，一些人开始严肃质疑NASA能否引领航空航天技术的发展。相反的观点是，政府，而不是企业，必须是高风险、高回报研究的驱动者——这些研究正是私营企业未来几十年进一步发展的下一代技术……而且这些私营企业目前正在享用NASA几十年来取得的技术进步成果。事实上，NASA正在研究下一代运载火箭。其中包括评估新空气动力学概念的各种X飞机，如洛克希德·马丁公司20世纪90年代开发的X-33亚轨道空天飞机（suborbital spaceplane），以及被称为轨道试验航天器（Orbital Test Vehicle）的波音X-37。波音X-37是一种可重复使用的无人驾驶航天器。人们吸取了很多经验教训。不过，结果依然是没有多少新东西因此而产生。NASA对于运载火箭的其他想法还在研发之中。按照目前技术的可行性进行排序分别是：更多地依靠大气中的氧气来燃烧燃料的吸气式发动机，比传统火箭的性能提高了15%；在发射前使航天器沿轨道加速的磁悬浮技术；从地面补充常规燃料的波束推进剂（beamed propulsion）；用作推进器的电动磁力系绳（electrodynamic magnetic tether）；通过喷嘴使用爆炸作为推力的脉冲爆震火箭发动机（pulse-detonation rocket engine）；以及诸如核聚变和反物质等特种燃料。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 [:1700036962]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 国际空间站以外的空间站
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随着进入太空成本的降低，不管采取什么样的方式，都将会有更多的人前往近地轨道访问、工作或生活。事实上，从2000年以来，我们就一直在太空生活。但这里的“我们”，指的是占世界人口0.0000035714286%的曾经到访ISS的人。在这250多人中，有7人是游客。将会有更多的人去那里旅游。与人类在南极洲的存在相似，太空栖息地一开始是民族自豪感的源泉，然后演变成科学研究场所；随着价格下降以及安全得到更好的保证，太空将迎来数百万游客。
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