星艦第11飛，歸零背后可怕的耐心和可敬的工匠精神 | 二湘空間

美國(guó)中部時(shí)間10月13日，星艦完成了第11次試飛，和上次一樣，又是全面的成功。

我們之前寫過(guò)文章介紹第10次試飛。這一次任務(wù)和之前大獲成功的第10次飛行比起來(lái)很像，但實(shí)際上執(zhí)行的程序并不太一樣。上一次的目的是檢驗(yàn)星艦?zāi)軌虺晒?，留下一個(gè)成功的記錄。而這次的任務(wù)更像是去主動(dòng)探索成功與失敗的界限，并為接下來(lái)的第3代星艦留下實(shí)驗(yàn)記錄（第11次試飛是最后一次第2代星艦飛行）。

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在超重助推器方面，這一次采用了新的程序。通常情況下會(huì)先點(diǎn)燃13臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)完成減速，用三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)完成變軌，最終用三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)完成軟著陸。這一次變軌用的發(fā)動(dòng)機(jī)增加至5臺(tái)，這是未來(lái)三代星艦要用的程序。相較于過(guò)去，這個(gè)程序冗余度更高，但需要做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

在星艦飛船方面，首先仍然是對(duì)星鏈衛(wèi)星的部署測(cè)試，同時(shí)還要在真空狀態(tài)下重啟一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，并在返回階段模擬真實(shí)的返回路徑。以便能夠在未來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直回收。最能體現(xiàn)spacex特點(diǎn)的就是，這次主動(dòng)的移除了星艦飛船的一些隔熱瓦，以便能盡可能地探索星艦的耐熱極限。

所有的飛船在返回的時(shí)候都要經(jīng)歷與大氣的劇烈摩擦，由此產(chǎn)生大量的熱，所以肯定需要隔熱的措施，而且如果飛船是要重復(fù)使用的，還要有重復(fù)使用或者快速修復(fù)的能力。所有搞載人航天的國(guó)家無(wú)一例外都在這個(gè)方面吃過(guò)虧，但最有代表性的還是美國(guó)的航天飛機(jī)。航天飛機(jī)原本預(yù)計(jì)是能夠在幾周之內(nèi)進(jìn)行下一次飛行，但人們很快發(fā)現(xiàn)隔熱瓦檢查維護(hù)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)此。同時(shí)航天飛機(jī)的隔熱瓦也并不多么的堅(jiān)強(qiáng)，最終在2003年導(dǎo)致了哥倫比亞號(hào)的事故：起飛的時(shí)候，一塊行李箱大小的隔熱泡沫從貯藏箱上脫落，正好掉到飛機(jī)前緣上，將一塊隔熱瓦砸壞，結(jié)果返回的時(shí)候熱空氣從此長(zhǎng)驅(qū)直入，航天飛機(jī)最終解體，7名宇航員全部死亡。

跟這樣的事件對(duì)比起來(lái)就可以看出，星艦在耐熱方面確實(shí)是有一套的。我們?cè)谏弦黄恼轮薪榻B過(guò)星艦使用不銹鋼的故事，強(qiáng)調(diào)了這是考慮到耐熱系統(tǒng)的重量和性能后，綜合作出的決定：碳纖維之類的材料可能更輕，但也更不耐熱，因此需要更重的防熱系統(tǒng)，采用不銹鋼，雖然結(jié)構(gòu)上更重，但總體上可能更輕。

最能體現(xiàn)這一點(diǎn)的還是之前進(jìn)行的第4次試飛（如下圖）

在這次試飛的返回過(guò)程中，熱空氣開始侵蝕星艦一側(cè)的副翼，并將之燒穿（如上圖）。所有人，包括spacex任務(wù)控制中心的指揮員們，都認(rèn)為他們的飛船即將失去，但是S29號(hào)星艦卻一直堅(jiān)持著，盡管蒙皮已經(jīng)被燒化、桁架已經(jīng)被侵蝕，這片副翼卻始終連接在星艦上并發(fā)揮著作用，等到攝像機(jī)恢復(fù)的時(shí)候，盡管已經(jīng)有一兩平米的面積被徹底燒掉（見(jiàn)圖中的紅色區(qū)域），但星艦仍然在繼續(xù)飛行，最終圓滿完成任務(wù)。于是S29號(hào)星艦便得到一個(gè)美稱“傳奇耐燒王”，也證明了他們選擇不銹鋼的正確。

在上一次飛行中， spacex已經(jīng)證明他們可以順利地完成整個(gè)流程，于是這一次任務(wù)當(dāng)中就包括挑戰(zhàn)星艦飛船的極限。很多地方的隔熱瓦被有意地去掉了，以便模擬。因?yàn)橥獠孔矒舻仍?，這些隔熱瓦在飛行中脫落時(shí)，星艦飛船飛行的安全性。同時(shí)也有很多隔熱瓦采用了新的工藝，這些都在做著測(cè)試。能夠執(zhí)行這樣的任務(wù)，顯然spacex他們已經(jīng)做好了最壞的打算，那就是即使飛船炸掉也不足惜。這也體現(xiàn)出了他們的一個(gè)大特點(diǎn)：逐步迭代、不斷試錯(cuò)的設(shè)計(jì)邏輯。

航天界都有一個(gè)詞叫做歸零，指的就是把所有的問(wèn)題一個(gè)一個(gè)找出來(lái)并解決掉，最終保證飛船發(fā)射的時(shí)候沒(méi)有任何設(shè)計(jì)和質(zhì)量問(wèn)題，確保能夠一次成功。其他人都是在這樣做，但spacex有明顯的不同：他們很多時(shí)候打上去的飛船都是半成品，只是為了驗(yàn)證特定某些部分的性能，同時(shí)有些時(shí)候即使飛船和火箭并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)0故障，也可以正常飛行。

歸零背后當(dāng)然意味著可怕的耐心和可敬的工匠精神，但是在信息化的時(shí)代來(lái)看，這已經(jīng)是落后的研發(fā)程序。正如我們?cè)谏弦黄恼轮刑岬降?，Spacex的研發(fā)程序很大程度上受了這些人軟件工程師背景的影響，而軟件開發(fā)中最重要的特點(diǎn)就是模塊化的研究和不斷試錯(cuò)的發(fā)展步驟，這在很大程度上提升了整體的研發(fā)效率。一下子寫出來(lái)幾萬(wàn)行幾十萬(wàn)行代碼再一起去debug，恐怕誰(shuí)都解決不了，所以軟件工程師都是先以實(shí)現(xiàn)特定的某個(gè)小功能為目標(biāo)，把這個(gè)先完成，然后把一個(gè)一個(gè)完成的小功能串接起來(lái)，形成一個(gè)大的軟件。

Spacex也是這樣研究他們的火箭和飛船的，但也正如之前的文章所說(shuō)到的，這有一個(gè)前提：他們的火箭足夠便宜，可以讓他們不斷地試錯(cuò)。這也是采用不銹鋼的一個(gè)重大好處，當(dāng)然，因?yàn)閺V泛使用各種各樣特種加工技術(shù)，他們的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也很便宜，只有20萬(wàn)美元就可以買一臺(tái)。雖然到目前為止他們一刻不停地在制造各種各樣新的星艦飛船和超重助推器，還在做著各種各樣的實(shí)驗(yàn)，但整個(gè)新建項(xiàng)目每年只花費(fèi)20億美元的現(xiàn)金流。

除了這個(gè)前提之外，就是他們的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：他們的設(shè)計(jì)高度模塊化，一個(gè)模塊需要改變乃至一個(gè)模塊癱瘓，都往往不至于牽一發(fā)而動(dòng)全身，引發(fā)整體的設(shè)計(jì)改變或者導(dǎo)致整個(gè)飛船整體的失?。患词剐枰淖儯麄円渤浞纸柚鷶?shù)值計(jì)算和仿真，可以在很短的周期和資金下完成設(shè)計(jì)改變，同時(shí)也提供充分的冗余度，保證個(gè)別系統(tǒng)的失靈，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)飛船的失靈，比如主計(jì)算機(jī)單元，同時(shí)使用三臺(tái)一樣的芯片，再比如說(shuō)超重助推器返回的時(shí)候啟動(dòng)中央三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，但實(shí)際上任意兩臺(tái)能夠啟動(dòng)就可以正常返回。

當(dāng)然他們還有很夸張的腦洞和敢為天下先不怕失敗的精神。這一點(diǎn)最好的例子是之前的一次獵鷹火箭的發(fā)射。在那一次發(fā)射中，人們發(fā)現(xiàn)二級(jí)火箭的尾噴管上有一個(gè)裂縫。尾噴管的作用在于使氣體膨脹、加速、降壓，盡可能貼近外界的氣壓以保證氣體盡可能筆直向后噴出，因此尾噴管如果失效或者不夠長(zhǎng)，將意味著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法達(dá)到規(guī)定的效率。

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通常情況下，噴管出現(xiàn)裂縫意味著需要更換整個(gè)尾噴管或者更換整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，但spacex開了一把腦洞：他們發(fā)現(xiàn)尾噴管裂縫的位置在噴管很靠后的一段，于是就計(jì)算了把這一節(jié)噴管截掉的影響：這會(huì)意味著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)效率變低，但重量也會(huì)變低。無(wú)論如何，他們計(jì)算出來(lái)的結(jié)果是即使截掉這一段也足夠完成任務(wù)，于是他們就真的把這一節(jié)噴管截掉了，最終也如愿達(dá)成任務(wù)。這種事之前從來(lái)沒(méi)有人做過(guò)，顯然也沒(méi)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐他們，只有一些計(jì)算和模擬的結(jié)果，但他們就敢這樣做，而且我也確實(shí)想象不到其他人敢這樣做。

這樣的特點(diǎn)就帶來(lái)了一個(gè)好處：他們迭代更新的速度非?？?。迄今為止，星艦總共飛了十一次，但已經(jīng)有了整整三代甚至4代的計(jì)劃。馬斯克的野心顯然隨著星艦的成功水漲船高，現(xiàn)在的星艦120多米高，已經(jīng)是世界上最大的火箭，但接下來(lái)要推出的第3代星艦整整142米高，飛船部分被很大的延長(zhǎng)了。同時(shí)還有第4代的計(jì)劃，預(yù)計(jì)還會(huì)繼續(xù)延長(zhǎng)。通常情況下，在這個(gè)階段正常的團(tuán)隊(duì)會(huì)要求盡可能的凍結(jié)掉設(shè)計(jì)，而他們不但沒(méi)有動(dòng)結(jié)，反而越改越多，但是他們一直如此，也沒(méi)有搞出什么亂子，這也是他們的最大的優(yōu)勢(shì)。

凡此種種，星艦的第十一飛或許從表面上看起來(lái)和之前的飛行差不多，但實(shí)際上更深刻的體現(xiàn)了星艦的特點(diǎn)和能力。更進(jìn)一步的還是建議大家看一看我在第10飛時(shí)寫的那篇文章，那篇文章更多地介紹了這家公司的歷史和其他的特點(diǎn)。我們會(huì)持續(xù)關(guān)注星艦，解讀他們的各種各樣的技術(shù)更新，希望大家持續(xù)關(guān)注。

作者：海北尬生，因其嘗求學(xué)于北海之北，每不顧環(huán)境而放尬言，故起此名也。喜航天，愛(ài)讀書，本學(xué)理工，愛(ài)好文學(xué)。

~the end~