太空探究20年代：更多更快更廉价

  5月30日，埃隆·马斯克的 SpaceX用“猎鹰9 Block5”可复用火箭发射“龙2”载人飞船，成功运送2名宇航员进入太空、抵达国际空间站。这是人类前史初次非政府主导的私营载人航天发射，看似不过是人类降服太空进程中的一小步，但实则是含义特殊的一大步。

  众所周知，改造性的技能进步，或许在诞生之初毫不起眼，但实在的潜力与影响，则会在未来一个时段之内逐渐完结成真。能够想像的是，当SpaceX在技能上更老练、完结多项降本钱整合后，其发射报价或许会再下降30%-35%，至4,300-4,000万美元/次发射（本钱或许会降到1430万～1060万美元/次），以应对国际商用火箭发射商场上呈现的其他竞争对手。

  可复用火箭推动下的低本钱航天，对ULA（联合发射联盟，Lockheed Martin、Boeing协作）、ESA、JAXA等动辄2-5亿USD/次的传统运载火箭来说，无疑是一种颠覆性的降维冲击，然后重塑人类对太空的探究与开发形式。

  作为今世科技立异、工业立异、商业形式立异的领军人物，埃隆·马斯克的一言一行，常常引发工业轰动、社会热议。

  从SpaceX（太空探究技能公司）、特斯拉、到SolarCity（太阳城）、Starlink（星链），作为实际中的 “钢铁侠”，马斯克名下整个工业出资布局外表看似乱七八糟，违反商场与出资原则，甚至过分颠覆性、科幻性，但假如深入研讨，就会发现其富于深意的内涵逻辑。

  首要咱们拿一个小小的技能细节做切入点：SpaceX下一代Starship（星舰）巨型火箭，规划参数为42台“Raptor”发动机、起飞推力约128MN、线 MN，火星轨迹运载才能达100吨、近地轨迹运载才能（LEO）约550吨。

  这样一个庞然巨怪，其结构和蒙皮却不运用科幻级航天资料，而竟是301不锈钢。这种规划理念背面的考量，首要是下降本钱。先进航天级碳纤维资料的制品价逾越200美元/kg，而301不锈钢原资料仅3美元/kg，这种廉价资料加可复用资料的结合规划，将使太空发射火箭的价格完结“跳水”级的下降。

  可是，301不锈钢加工难度大、资料比严重，怎样才能在保证结构强度、耐热性基础上，有用下降火箭结构分量，且能成型直径9米的超大件呢？

  且看特斯拉那造型奇怪、好像“手艺耿”风格的不锈钢皮卡CyberTruck，相同选用301不锈钢作为首要资料。由于这种质料硬度太大，CyberTruck在规划中不得不削减弧线、曲面。马斯克的机械加工团队，正是探究经过这种皮卡量产，充沛把握301不锈钢加工工艺，处理这种坚固资料加工的种种难题。

  未来实在的SpaceX星际飞船，必定不会像其技能验证型StarHopper那样，制作时动用大批工程技能人员，手艺焊接不锈钢。而有必要采纳批量制作的、自动化机械加工的、大尺度成型件，然后需求提早储藏大批了解301不锈钢加工工艺的工程师、技能人员。

  关于马斯克来说，特斯拉不只是一家前卫的汽车公司，更是自己未来验证行星探究技能的产品试验渠道：登陆火星后，内燃机和石化燃料都无法运用。但电动机、电池仍可在真空环境下作业，到时需求技能老练牢靠的“月球车、火星车”，所以，太阳能和电动汽车成为特斯拉的主打产品，也就不足为怪了。

  而“龙2”载人飞船的人机控制界面，选用与Tesla电动汽车中控面板同源技能的大型触摸屏，便是他将汽车工业、IT工业，与航天事业有机结合的共同思路。

  回忆2018年，SpaceX“重型猎鹰”（Falcon Heavy）发射时，就向火星轨迹发射了一辆Tesla-Roadster跑车，这个其时引发大众谈论的“迷之行为”，现已隐约显露了马斯克企图将克己运载车辆送上火星的野心。

  至于星链Starlink，下阶段将对地上用户试运营，其含义不只在于供给下一代卫星通讯网络，更在于久远未来。当商业太空探究发射举动井喷年代来暂时，Starlink就能晋级为天基星际通讯体系。一同，SpaceX同享了NASA的巨型通讯天线，以便在未来深空游览坚持指控中心与飞船的联络…这样，其就不需再出资新建的巨型天线阵列了。

  一同，马斯克旗下的另一家技能立异企业Boring公司，一直在研发地下发掘、超高速地道高铁，而其处理并把握的先进发掘、地道气密、高速运营、应急抢险等科技，其未来的首要运用场景，仍旧是火星开发。

  原因安在？依照马斯克的想象，由于火星大气成分完全不适合人类呼吸，所以前期火星移民，得住在封闭式地下城，基地之间以管道交通联合。由于科学家提出的“以藻类光协作用改动火星大气成份”想象，或许需求几千年时刻，在短时刻内难以见效。所以马斯克的Boring公司、以及Hyper Loop真空管超高速高铁等项目，在近期的方针是引领地球上的交通革新；而前景，便是为在火星发掘地下城、制作地下地道网而堆集技能与经历。

  这些技能要素和布局结合在一同，赫然能够得出一个明晰的定论：马斯克终究的勃勃野心，在于推动人类移民火星，甚至更远。他的那句格言：“睁大眼睛，仰视天空”，能够理解为，自己现已不满足在小小的地球上取得所谓的商业成功，而是企图重磅押注，以自己的商业盈余撬动人类展开的未来。

  马斯克做到了先声夺人，但并不意味着他绝无仅有。在SpaceX后边，私家商业太空发射范畴的竞争者可谓千帆竞渡、百舸争流。其间亚马逊开创人杰夫·贝索斯兴办的Blue Origin（蓝色来源），是最强竞争者。

  早在2015年11月，贝索斯的“New Shepard”火箭就宣告成功发射，并安全回来。这是人类首枚成功发射并成功回来的可复用火箭，比马斯克的“猎鹰9”早1个多月。

  “New Glenn”已赢得了包含MuSpace通讯卫星（GTO轨迹）在内的4个客户、8个订单

  Blue Origin的新式重型火箭“New Glenn”，起点很高，与SpaceX “重型猎鹰”同量级，运用7台BE-4发动机，推力达17,132.5 KN，挨近“重型猎鹰”第1级三组推动器22,695 KN推力总和，其2、3级火箭高度也逾越一切现役火箭。

  除此之外，许多更年青的创业者们纷繁“上船”，树立私营太空公司，其处理问题的思想方法、打破方向、技能途径，与SpaceX、Blue Origin有所不同，各种奇思妙想层出不穷。

  洛杉矶的Relativity Space公司，其立异的3D打印火箭发动机Aeon 1，仅由3个3D打印部件组成（传统火箭发动机一般由1,000多个零件组成），能以毫秒为单位到达全推力。在航空器制作范畴引进3D打印技能，能够经过削减结构杂乱性、节约工时，进一步下降了发射本钱。

  Relativity Space手握的主力，是国际上最大的金属3D打印机Stargate。它由多个激光配备Kuka机械臂和金属丝质料组成，专用于制作大型火箭结构。Stargate经过削减组件接口数量的出产工艺，完结火箭发动机出产全自动化，相较传统发动机一般6个月制作周期，Aeon 1制作时刻可大幅缩短至1个月左右。

  早在2018年10月，新西兰私营航天公司“Rocket Lab”就在新西兰东海岸就成功发射国际首枚3D打印的电池动力火箭“Electron”。

  Rocket Lab兴办人兼总彼得·贝克（Peter Beck）说：电动火箭能以更低本钱、更快速的发射100kg有用载荷至低轨迹，本钱少于500万美元，仅是Virgin Galactic（维珍银河）“空中发射体系”本钱50%。且发射预备时刻很短，1年可发射逾越50次，客户也包含NASA，其意图在于发射成百上千颗小型低轨人造卫星，供给天基互联网体系、监控自然灾害等服务。

  不只如此，Rocket Lab在新西兰玛希亚半岛树立了国际上第一个私营航天发射场，与其它发射场比较，地处南半球的该发射场租金贱价，还能供给更广泛的轨迹倾角挑选，然后取得许多美国航天高科技企业的赞助，比方洛克希德·马丁等。

  传统太空探究飞翔器，都是从地上发射升空。地上大气稠密，空气阻力大，需求耗费很多燃料、大大抢占有用载荷。而“空中发射”体系的思路是：经过大型飞机，将火箭运载到约万米高空，以0.6-0.8马赫的初始速度反射，然后让大型飞机替自己完结开端的加快/爬高阶段，然后大大削减运载火箭燃料耗费、提高其使命载荷。

  此外，“空中发射”体系还可灵敏改动发射方位，避开恶劣气候，自动寻觅更好的发射窗口，而陆上基地遭受恶劣气候时就无能无力，只能推延发射。

  早在1960年代，NASA就测验运用B-52重型喷气轰炸机，在空中发射X-15火箭飞机，成果为高度108千米、时速7,274公里(6.7Ma)。

  进入21世纪后，相同醉心于太空探究的极客大亨理查德·布兰森，也组建了自己的私家太空探究企业维珍银河，并宣告选用空中发射形式。详细形式为，运用自己研发的亚轨迹飞翔器“白骑士2号”，在大约 12,192米（4万英尺）的高度，点着发射火箭，将质量为200kg的卫星送入低轨迹。

  但迄今为止，空中发射体系都是使命载荷数百公斤的小型运载火箭，明显无法成为未来大型航天发射的主力；要想提高自己在运载火箭发射商场中的位置，仍是需求更大型的空中发射渠道。

  所以，微软联合开创人保罗·艾伦私家出资研发的大型空中发射渠道“Stratolaunch”（平流层发射）应运而生，马斯克也是这个项意图股东之一。

  艾伦的 “平流层发射”巨型飞机翼展达117m、6台发动机、重达226吨，可挂载250吨有用载荷，其空中发射火箭LEO（近地轨迹）载荷达6.1吨，相较竞争对手们的运载才能高出1个数量级。但是跟着艾伦的病逝，“Stratolaunch”这一航空/航天奇观能否续写，尚未可知。

  为什么以马斯克为首的高科技极客大亨如此热衷于太空探究？很明显，太空与其他行星，是人类探究与开垦的下一块热土，抢先抵达这儿，既意味着本身成为了整个人类划年代的探究者，更意味着探究举动背面蕴藏的巨大经济利益。

  事实上，“英雄所见略同”，马斯克和贝索斯等人在入行之处，就感知到低本钱商业航天在未来的盈余形式与才能不行轻视。

  2019年12月，维珍银河工程师贝斯摩西，与两名飞翔员一同乘坐商用太空船VSS联合号，抵达89.9km（29.5万英尺）高度，并成功归航

  低本钱商业航天的第一个盈余场景，便是低轨迹太空观光旅行，最早想到切割这块蛋糕的，是维珍银河。布兰森方案，运用白骑士2号运载母机，将 “太空船2号”亚轨迹载人飞船发射到略低于轨迹高度100千米的“Kármán line”（卡门线），进行亚轨迹载人旅行项目，收费规范为20万美元/位。而马斯克的动作更大，依据他的方案，日本Zozotown品牌开创人前沢友作，将乘坐其“星际飞船”于2023进行“环月之旅”，成为人类前史首位私家宇航员，马斯克更泄漏说，现已有数十位全球尖端富豪企业家，预订了SpaceX的环月之旅“奢华太空游”。不过依据马斯克一向过度达观的品性，“环月之旅 ”要想正式上线，至少要比他给出的时刻表推延5年。

  低本钱商业航天的第二个盈余场景，在于积极参与本来只要政府航天组织能够插手的官方太空探究项目。2018年5月，美国宇航局俄罗斯联邦航天局）签署了关于深空探究研讨“Deep Space Gateway（深空之门）”的联合声明。狼子野心的“深空之门”将分红5个阶段（阶段0～阶段4），详细方针是在地球与月球之间制作空间站，作为月球研讨的空间基地，以及飞向火星的中继站。

  NASA 为“深空之门”预备的主力运载火箭代号SLS （Space Launch System，空间发射体系），初期的月球搬运轨迹运载才能达70-105吨，之后会展开出130吨货运型。

  但SLS最大的问题是：它背面的规划研发思路仍旧是上世纪人类第一轮太空探究时期的产品：政府主导，贵重，杂乱。该类型研发投入预期将达360亿美元，从2011至今，现已烧掉逾越200亿USD，验证类型还没上天。本年五月，NASA不得不发表声明，SLS初次发射将推延到2021下半年。

  更要命的是：NASA局长吉姆·布里登斯廷泄漏，SLS履行登月使命时，单枚火箭价格高达16亿美元，大批量订货才能将每枚火箭造价下降到8亿美元，并且，如此贵重的“太空吞金兽”，竟然仍是一次性运用的火箭！

  这就给了SpaceX的“重型猎鹰”以大好时机：“深空之门”是需屡次发射、轨迹对接组合的空间站，纵使NASA要把最大时机留给自己的嫡子SLS，但“重型猎鹰凭仗”1.5亿美元的单枚贱价、和LEO运载才能63.8吨、GTO运载才能26.7吨的超卓功能，必定能从巨大的发射比例中分得一杯羹。

  低本钱商业航天的第三个盈余场景，便是火星殖民，作为处理地球资源有限，人炸与环境污染的终极处理方案。

  依据马斯克的初期思路：SpaceX第一批宇航员将在2025抵达火星并登陆，第一批“星际五月花”舰队成员将以人均50万美元/张的船票，拓殖火星。当然，这个方案仍旧走的是与NASA严密协作的形式，依照NASA的时刻表，2030年，将完结宇航员绕火星轨迹飞翔，而实在的人类登陆火星时刻，则要比及2040年。

  为了做好火星探究方案的前期预备，SpaceX租下了NASA肯尼迪宇航中心的39A发射场所，而这儿正是当年阿波罗11号宇宙飞船奔向火星的“福地”。在这儿，SpaceX将持续推动“星际飞船”的研发作业，一同也开端和NASA协作，展开宇航员太空健康保护等诸方面的研讨与试验。

  假如咱们放宽视界和想象力，在悠远的未来，当商业低本钱航天能够以更低的发射本钱、更大的使命载荷、更高的运送功率，将上亿吨空间设备发射到太空时，人类的命运与生计方法将会产生怎样的改动？

  首要，太空将成为人类获取资源的“富矿”，完全打破地球本身资源上限的瓶颈。在地球近地轨迹上，共有9000颗左右直径逾越150米的小型天体，而在从火星至木星的“小行星带”上，小型天体的数目则到达百万级，其间许多富含镍，锰以及铂，铱，钯等名贵的铂系金属，而一颗小行星上的金属矿产含量，就或许逾越地球现有已探明的同类矿产总。这是一项获利逾越沉船探宝，而又门槛极的高风险/报答工业，而稀有金属供应量的急剧增大所引发的技能与制作革新，更是令人等待。

  假如依照NASA现有技能水平和发射本钱，完结每次小行星“抓获”的总本钱高达2.6亿美元，而提炼出的贵金属价值很或许只要发射本钱的零头。所以，廉价而屡次重复运用的私家商用火箭和太空飞船，是完结星际资源挖掘的有力保证。

  不只如此，许多小型天体的含水量或许到达其总质量的20%到30%，别离出的液态氢和氧，是推动飞翔器的名贵燃料和保持宇航员生命的必需品。一旦挖掘成功，人类能够在太阳系内，为长途太空探究飞翔器树立大大小小的“加油站”。

  其次，人类能够向天“借力”，运用太空中树立的“天基太阳能矩阵”，然后获取巨大的能量，对地球全体环境进行“介入干涉”:加热干冷气团、影响大气环流、介入性干涉水热运送，将南北纬30-40°的荒漠带变成良田，人为改动行星环境，以供养更多人口、发明更好环境。

  到时，SpaceX现在尚在研发的“星际飞船”（STARSHIP），都会因运载力有限而不足运用；专家估计，到21世纪末，在政府太空组织和私家资本的协作研发下，将研发出运载力为“星际飞船”几十甚至百倍，甚至更高的超巨型运载火箭。

  在千百年后，假如人类现已成功地驶向星斗大海，那么回忆今天，小小的“龙2”载人飞船，或许含义就好像达·伽马那四艘驶入大西洋的小小帆船，尽管本身微乎其微，但它敞开的，却是一个史无前例，人类推动本身活动新边远地方的大冒险年代。