SpaceX的機會:NASA當初為何放棄太空梭?

作者:矽谷密探   |   2020 / 05 / 29

文章來源:36氪   |   圖片來源:36氪


4月底,美國國家航空航天局(NASA)正式宣布將與三家民間私營企業簽署總金額達9.67億美元合約,其中分別包含亞馬遜創辦人傑夫·貝佐斯所創立的藍色起源(Blue Origin),以及馬斯克所創辦的SpaceX,另外則包含位於美國阿拉巴馬州的Dynetics。這消息的放出代表著NASA的重返月球計劃已經正式進入了最後的階段。

距離人類首次登陸月球已經超過 50 年時間,美國已經宣布重啟登月計劃,將人類宇航員再一次送上月球表面。經過一再延期,美國國家航空航天局(NASA)最終將登月時間點定在了 2024 年。與50年前的阿波羅登月項目不同的是,NASA此次計劃長期駐紮月球,並且要將曾經在月球上丟棄的96袋排泄物找到,然後用於研究微生物在月球上的生存情況。

這96袋排泄物是在阿波羅計劃當中,6次成功登上月球排泄之後的垃圾,就被拋棄在月球上。這次登月計劃將被作為前往火星的跳板。

阿波羅登月計劃資料圖,圖片來自網絡

由於NASA的太空梭在2011年全部退役,直接導致了美國喪失載人航天技術,但又不甘心讓出其太空霸主地位。所以在過去十年中,NASA一直在花費大量的金錢資助那些民間的私人航天公司,以求能夠借助它們的力量制造出滿足登月需求的重型火箭和載人飛船。

我們都知道,美國作為太空競賽的勝利者,其航空航天技術一直都領先全球,而NASA作為美國航天航空的「總指揮」,更是有數不清的預算和龐大的技術儲備。那美國當初為何要選擇將太空梭全部退役呢?這近二十年,到底是NASA沒有備選方案導致的技術斷層;還是轉型所需要的過渡時期?NASA和這些商業公司之間是什麽樣的關係?

NASA為何放棄太空梭?

要談NASA的故事,有一個對象始終繞不開:太空梭。

美國的太空梭,是目前人類最早研發出的可以重覆使用的載人航天器。自從1981年4月12日開始使用至今,30年內美國共建造6架太空梭,除了樣品機「企業」號,投入使用的5架工作機包括「亞特蘭蒂斯」號,「挑戰者」號,「哥倫比亞」號,「發現」號以及「奮進」號。

挑戰者號太空梭發射瞬間,圖片來自網絡

服役30年來,太空梭為美國乃至全人類的太空探索做出了巨大貢獻,其在而立之年被「勒令退役」,原因是多方面的。

太空梭的出現為人類帶來了許多科學技術進步,這是不可否認的。但是,前NASA局長邁克爾·格里芬(Michael Griffin)在2005年就曾公開批評過太空梭計劃,時任NASA局長的他認為這項計劃不值得美國政府和民眾付出過多的生命和金錢成本,甚至是那些措施的太空戰略機會。

在最初設計之時,工程師希望制造一個能夠像火箭一樣發射,飛機一樣著陸的「複合體」。這樣它就既能將宇航員送入太空又能像卡車一樣運送太空物資。

然而,這種多功能性也意味著它既需要十分可靠的安全性;又需要足夠大的空間和動力燃料以保證能運送空間站組件和太空望遠鏡等物資。而這就導致了太空梭的成本一直居高不下。

1958-2017年,NASA預算占美國整體財政預算比例,圖表來自維基百科

每架太空梭有3500多個分系統、250多萬個部件,每次僅發射費用就為5億美元,還不計入分攤的設計製造成本。美國政府起初對太空梭計劃的預算為430億美元(換算為2011年的美元價格),每次發射費用預計為5400萬美元,但由於太空梭系統過於複雜(機身超過250萬個零件),技術和系統維護需要大量的人力物力,這一計劃遠遠超出預算。

根據NASA的統計,截至2010財年,太空梭的準備和發射成本平均為7.75億美元。奮進號太空梭的建造成本約為17億美元,太空梭計劃共花費1137億美元。

最初設計太空梭的「賣點」是它每周都能發射,前往太空將非常安全且便宜。但自1981年投入運行以來,美國太空梭每年最多飛行9次,遠低於當初設想的每年飛行50次。

太空梭的加入,讓本就昂貴的太空遊戲成本變得更加高昂。但即便美國傾盡國力的投入,所製造出來的太空梭依然難言安全。

挑戰者號太空梭七位機組人員全部遇難,圖片來自網絡

但早在格里芬公開表達自己的不滿之前,太空梭就已經出現了兩次非常嚴重的事故。1986年的挑戰者號和2003年的哥倫比亞號災難導致14名優秀的宇航員死亡,這讓全世界都為之惋惜。美國服役的5架太空梭目前只剩下3架,共飛行了134次,發生事故2次,相當於每67次飛行就有一次失事。如果按單位里程的死亡率,太空梭比噴氣式飛機高約138倍。

哥倫比亞號太空梭的部分機組人員接受太空采訪,圖片來自Gizmodo

專家認為,太空梭沒有逃逸系統,實行人貨混運,既複雜又昂貴,「挑戰者」號和「哥倫比亞」號的失事證明,其安全性和可靠性都遠低於相對簡單的載人飛船。由於設計先天不足,太空梭所做的改進只能是工藝上的,無法解決根本問題。

此外,歐巴馬出任美國總統後,開始將太空探索的目光投向火星,對於服務於近地軌道的太空梭來說已經沒用武之地,與此同時太空梭投入使用後並未達到原先預想的目的。因此2010年,由16個國家的科學家參與的國際空間站基本建成時,美國決定放棄「太空梭」計劃。

失去太空梭的NASA選擇另辟蹊徑

2011 年太空梭退役之後,美國突然發現自己已經喪失了載人進入太空的能力,不得不仰賴俄羅斯的載人飛船前往國際空間站,但面對每位乘客 7600 萬美元的天價,即便是財大氣粗的美國也稍顯吃不消。

而在美國國內,由航空巨頭波音和洛克希德馬丁合資成立的發射公司聯合發射聯盟(United Launch Alliance)卻趁機「哄抬物價」,單次的發射任務的成本竟高達 4 億美元。NASA當時的處境用「內憂外患」來形容也不為過,好在經過近十年的探索和半個多世紀的航天技術儲備,NASA也在夾縫之中開辟了一條看起來不錯的道路:全球最著名高科技產業區-矽谷。

NASA矽谷研究所,圖片來自網絡

於是,在資金和技術的支持下,以 SpaceX、Blue Origin 為代表的一批新興航天創業公司在 2000 年以後開始逐步崛起。它們憑藉著創新的技術優勢和管理理念,不僅衝擊了以波音公司為首的巨頭們的市場份額,同時還肩負起了重振美國載人航天、重返月球以及登陸火星等眾多重任。

載人航天商業化似乎已經是不可逆的趨勢,商業航天公司可以為美國政府提供廉價可靠的基礎航天服務。太空產業有一個不成文的規矩:誰能夠大幅降低每次發射的成本,並定期進行發射,那麽他就能獲得一個全新的市場。

以SpaceX為例,大約每月發射一次火箭,為某個公司或某個國家運載衛星,或為國際空間站補充供給,它以每次發射 6000 萬美元的低價打敗了這些老牌競爭對手們,而這樣低廉的發射成本主要得益於SpaceX的火箭90%都是由自家工廠製造完成。

一枚嶄新的獵鷹9號(Falcon 9)火箭報價在5500-6200萬美元之間,遠低於同類的宇宙神5(Atlas-5)和德爾塔4(Delta-4)1-4億美元不等的報價。經過維修後的「二手火箭」再次登場時,售價降低的同時運力卻幾乎沒有改變。

獵鷹九號運載火箭海上發射與回收,圖片來自網路

除了低廉的成本外,Space X 還能如期的進行既定任務的發射,在2019年,Space X總共進行了13次發射,在上個月space X還進行了星鏈計劃的第8次發射。

而時任NASA科研主管的格倫斯菲爾德在2015年表示:SpaceX在決策時非常靈活。SpaceX可以傾全公司之力去冒險,而更大的風險將帶來更大的回報。如果他們取得成功,而我們也希望他們取得成功,那麽在這一巨大的投資之後,他們未來將可以實現低成本的太空旅行。這樣既便宜又可靠的公司很難不得到NASA的青睞。

NASA只是一個科研機構

其實,美國的商業航天的歷史由來已久。早在上個世紀70年代,也就是太空梭計劃的伊始,美國就正式步入了商業航天的進程之中。事實上,美國所有的太空梭均由羅克韋爾公司制造,每艘太空梭都根據具有科學和探索影響力的艦船命名,而土星五號運載火箭則是由波音公司、北美人航空公司、道格拉斯飛行器公司及IBM共同研發製造完成的。

土星五號運載火箭,圖片來自網路

也就是說,Blue Origin、SpaceX、Dynetics等一眾新興航天科技公司與NASA的合作方式,與此前的其實並無不同。幾乎都是NASA提供資金和計劃,而這些商業公司提供硬體製造服務。

NASA本質上是一個科研機構,圖片來自網路

那麽,既然NASA一直以來都依靠外部企業提供航天硬體服務,那這個美國國家機關的本職工作又是什麽呢?其實,NASA本身的定性就是美國聯邦政府的一個行政性科研機構,負責制定、實施美國的太空計劃,並開展航空科學暨太空科學的研究。

而NASA的航空研究計劃中主要是由下面四個方面構成:

1.空氣動力:紊流學、超音速飛行等

2.推進技術:燃燒與燃料、噪聲及其傳播、計算流體力學、渦輪機械元件研究

3.材料與結構:複合材料、高溫材料、動態加載與氣動彈性、結構分析

4.航空電子學和人素工程:制導導航、航空電子學、飛行管理和模擬技術

當然除了上述領域,空間科學(太陽系探索、火星探索、月球探索、宇宙結構和環境),地球學研究(地球系統學、地球學的應用),生物物理研究領域也在NASA的職責範圍之內。

60年來,除了征服月球外,NASA還完成了對太陽系的「初始認知」,利用空間工具造訪了太陽系內所有行星和很多矮行星、衛星、小行星和彗星。旅行者1號航天器已進入星際空間、旅行者2號正朝星際空間進發;「卡西尼號」以及哈勃和開普勒望遠鏡等航天器也向地球發回大量圖片。

這些探測活動和照片,改變了人類對宇宙及其形成的理解。NASA還將繼續深入探索太陽系。

所以,NASA與這些商業公司的關係更加像是「包工頭」和「施工隊」的關係,這些依靠商業合同建立起來的合作關係不僅能為航天事業節省大量的成本,還能夠讓NASA擁有較高的自由度,選擇真正靠譜的公司,將預算花在刀刃上。

目前,各個國家都在大力發展各國的商業航天,各國政府和航天局對於太空探索中不必要的投入大量減少,將市場開放給民間商業公司,同時還能在合作中利用民間商業公司高效的管理模式和製造效率快速論證各大航天局的研究成果。

更重要的是,商業航天一旦發展起來,就能在市場中營造良好的商業競爭環境。由於商業航天門檻較高,大多數初創企業如果沒有政府的訂單很難存活下來,所以各家商業航天公司一定會使勁渾身解數將提供成本更低質量更好的產品和服務以爭取到政府和航天局的訂單。

只有形成了良好的商業競爭,「發射白菜價、火箭班車化」才能成為以後的常態。這樣人類的航天技術才能快速發展,空間探索事業也能越走越遠。

《轉載自36氪》

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Lewis
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