62年历史的NASA,现在为何要靠初创企业“翻身”?

硅谷洞察 2020-05-14 12:24

编者按:本文来源于硅谷洞察(ID:guigudiyixian),创业邦经授权转载。

4月底,美国国家航空航天局(NASA)正式宣布将与三家民间私营企业签署总金额达9.67亿美元合约,其中分别包含亚马逊创办人杰夫·贝佐斯所创立的蓝色起源(Blue Origin),以及马斯克所创办的SpaceX,另外则包含位于美国阿拉巴马州的Dynetics。这消息的放出代表着NASA的重返月球计划已经正式进入了最后的阶段。

距离人类首次登陆月球已经超过 50 年时间,美国已经宣布重启登月计划,将人类宇航员再一次送上月球表面。经过一再延期,美国国家航空航天局(NASA)最终将登月时间点定在了 2024 年。与50年前的阿波罗登月项目不同的是,NASA此次计划长期驻扎月球,并且要将曾经在月球上丢弃的96袋排泄物找到,然后用于研究微生物在月球上的生存情况。这96袋排泄物是在阿波罗计划当中,6次成功登上月球排泄之后的垃圾,就被抛弃在月球上。这次登月计划将被作为前往火星的跳板。

阿波罗登月计划资料图,图片来自网络

由于NASA的航天飞机在2011年全部退役,直接导致了美国丧失载人航天技术,但又不甘心让出其太空霸主地位。所以在过去十年中,NASA一直在花费大量的金钱资助那些民间的私人航天公司,以求能够借助它们的力量制造出满足登月需求的重型火箭和载人飞船。

我们都知道,美国作为太空竞赛的胜利者,其航空航天技术一直都领先全球,而NASA作为美国航天航空的“总指挥”,更是有数不清的预算和庞大的技术储备。那美国当初为何要选择将航天飞机全部退役呢?这近二十年,到底是NASA没有备选方案导致的技术断层;还是转型所需要的过渡时期?NASA和这些商业公司之间是什么样的关系?

NASA为何放弃航天飞机?

要谈NASA的故事,有一个对象始终绕不开:航天飞机。

美国的航天飞机,是目前人类最早研发出的可以重复使用的载人航天器。自从1981年4月12日开始使用至今,30年内美国共建造6架航天飞机,除了样机“企业”号,投入使用的5架工作机包括“阿特兰蒂斯”号,“挑战者”号,“哥伦比亚”号,“发现”号以及“奋进”号。

挑战者号航天飞机发射瞬间,图片来自网络

服役30年来,航天飞机为美国乃至全人类的太空探索做出了巨大贡献,其在而立之年被“勒令退役”,原因是多方面的。

航天飞机的出现为人类带来了许多科学技术进步,这是不可否认的。但是,前NASA局长迈克尔·格里芬(Michael Griffin)在2005年就曾公开批评过航天飞机计划,时任NASA局长的他认为这项计划不值得美国政府和民众付出过多的生命和金钱成本,甚至是那些措施的太空战略机会。

在最初设计之时,工程师希望制造一个能够像火箭一样发射,飞机一样着陆的“杂交体”。这样它就既能将宇航员送入太空又能像卡车一样运送太空物资。

然而,这种多功能性也意味着它既需要十分可靠的安全性;又需要足够大的空间和动力燃料以保证能运送空间站组件和太空望远镜等物资。而这就导致了航天飞机的成本一直居高不下。

1958-2017年,NASA预算占美国整体财政预算比例,图表来自维基百科

每架航天飞机有3500多个分系统、250多万个部件,每次仅发射费用就为5亿美元,还不计入分摊的设计制造成本。美国政府起初对航天飞机计划的预算为430亿美元(换算为2011年的美元价格),每次发射费用预计为5400万美元,但由于航天飞机系统过于复杂(机身超过250万个零件),技术和系统维护需要大量的人力物力,这一计划远远超出预算。根据NASA的统计,截至2010财年,航天飞机的准备和发射成本平均为7.75亿美元。奋进号航天飞机的建造成本约为17亿美元,航天飞机计划共花费1137亿美元。

最初设计航天飞机的“卖点”是它每周都能发射,前往太空将非常安全且便宜。但自1981年投入运行以来,美国航天飞机每年最多飞行9次,远低于当初设想的每年飞行50次。

航天飞机的加入,让本就昂贵的太空游戏成本变得更加高昂。但即便美国倾尽国力的投入,所制造出来的航天飞机依然难言安全。

挑战者号航天飞机七位机组人员全部遇难,图片来自网络

但早在格里芬公开表达自己的不满之前,航天飞机就已经出现了两次非常严重的事故。1986年的挑战者号和2003年的哥伦比亚号灾难导致14名优秀的宇航员死亡,这让全世界都为之惋惜。美国服役的5架航天飞机目前只剩下3架,共飞行了134次,发生事故2次,相当于每67次飞行就有一次失事。如果按单位里程的死亡率,航天飞机比喷气式飞机高约138倍。

哥伦比亚号航天飞机的部分机组人员接受太空采访,图片来自Gizmodo

专家认为,航天飞机没有逃逸系统,实行人货混运,既复杂又昂贵,“挑战者”号和“哥伦比亚”号的失事证明,其安全性和可靠性都远低于相对简单的载人飞船。由于设计先天不足,航天飞机所做的改进只能是工艺上的,无法解决根本问题。

此外,奥巴马出任美国总统后,开始将太空探索的目光投向火星,对于服务于近地轨道的航天飞机来说已经没用武之地,与此同时航天飞机投入使用后并未达到原先预想的目的。因此2010年,由16个国家的科学家参与的国际空间站基本建成时,美国决定放弃“航天飞机”计划。

失去航天飞机的NASA选择另辟蹊径

2011 年航天飞机退役之后,美国突然发现自己已经丧失了载人进入太空的能力,不得不仰仗俄罗斯的载人飞船前往国际空间站,但面对每位乘客 7600 万美元的天价,即便是财大气粗的美国也稍显吃不消。

而在美国国内,由航空巨头波音和洛克希德马丁合资成立的发射公司联合发射联盟(United Launch Alliance)却趁机“哄抬物价”,单次的发射任务的成本竟高达 4 亿美元。NASA当时的处境用“内忧外患”来形容也不为过,好在经过近十年的探索和半个多世纪的航天技术储备,NASA也在夹缝之中开辟了一条看起来不错的道路:全球最著名高科技产业区-硅谷。

NASA硅谷研究所,图片来自网络

于是,在资金和技术的支持下,以 SpaceX、Blue Origin 为代表的一批新兴航天创业公司在 2000 年以后开始逐步崛起。它们凭借着创新的技术优势和管理理念,不仅冲击了以波音公司为首的巨头们的市场份额,同时还肩负起了重振美国载人航天、重返月球以及登陆火星等众多重任。

载人航天商业化似乎已经是不可逆的趋势,商业航天公司可以为美国政府提供廉价可靠的基础航天服务。太空产业有一个不成文的规矩:谁能够大幅降低每次发射的成本,并定期进行发射,那么他就能获得一个全新的市场。

以SpaceX为例,大约每月发射一次火箭,为某个公司或某个国家运载卫星,或为国际空间站补充供给,它以每次发射 6000 万美元的低价打败了这些老牌竞争对手们,而这样低廉的发射成本主要得益于SpaceX的火箭90%都是由自家工厂制造完成。

一枚崭新的猎鹰9号(Falcon 9)火箭报价在5500-6200万美元之间,远低于同类的宇宙神5(Atlas-5)和德尔塔4(Delta-4)1-4亿美元不等的报价。经过维修后的“二手火箭”再次登场时,售价降低的同时运力却几乎没有改变。

猎鹰九号运载火箭海上发射与回收,图片来自网络

除了低廉的成本外,Space X 还能如期的进行既定任务的发射,在2019年,Space X总共进行了13次发射,在上个月space X还进行了星链计划的第8次发射。

而时任NASA科研主管的格伦斯菲尔德在2015年表示:SpaceX在决策时非常灵活。SpaceX可以倾全公司之力去冒险,而更大的风险将带来更大的回报。如果他们取得成功,而我们也希望他们取得成功,那么在这一巨大的投资之后,他们未来将可以实现低成本的太空旅行。这样既便宜又可靠的公司很难不得到NASA的青睐。

NASA只是一个科研机构

其实,美国的商业航天的历史由来已久。早在上个世纪70年代,也就是航天飞机计划的伊始,美国就正式步入了商业航天的进程之中。事实上,美国所有的航天飞机均由罗克韦尔公司制造,每艘航天飞机都根据具有科学和探索影响力的舰船命名,而土星五号运载火箭则是由波音公司、北美人航空公司、道格拉斯飞行器公司及IBM共同研发制造完成的。

土星五号运载火箭,图片来自网络

也就是说,Blue Origin、SpaceX、Dynetics等一众新兴航天科技公司与NASA的合作方式,与此前的其实并无不同。几乎都是NASA提供资金和计划,而这些商业公司提供硬件制造服务。

NASA本质上是一个科研机构,图片来自网络

那么,既然NASA一直以来都依靠外部企业提供航天硬件服务,那这个美国国家机关的本职工作又是什么呢?其实,NASA本身的定性就是美国联邦政府的一个行政性科研机构,负责制定、实施美国的太空计划,并开展航空科学暨太空科学的研究。

而NASA的航空研究计划中主要是由下面四个方面构成:

1.空气动力:紊流学、超音速飞行等

2.推进技术:燃烧与燃料、噪声及其传播、计算流体力学、涡轮机械部件研究

3.材料与结构:复合材料、高温材料、动态加载与气动弹性、结构分析

4.航空电子学和人素工程:制导导航、航空电子学、飞行管理和模拟技术

当然除了上述领域,空间科学(太阳系探索、火星探索、月球探索、宇宙结构和环境),地球学研究(地球系统学、地球学的应用),生物物理研究领域也在NASA的职责范围之内。

60年来,除了征服月球外,NASA还完成了对太阳系的“初始认知”,利用空间工具造访了太阳系内所有行星和很多矮行星、卫星、小行星和彗星。旅行者1号航天器已进入星际空间、旅行者2号正朝星际空间进发;“卡西尼号”以及哈勃和开普勒望远镜等航天器也向地球发回大量图片。

这些探测活动和照片,改变了人类对宇宙及其形成的理解。NASA还将继续深入探索太阳系。

所以,NASA与这些商业公司的关系更加像是“包工头和施工队”的关系,这些依靠商业合同建立起来的合作关系不仅能为航天事业节省大量的成本,还能够让NASA拥有较高的自由度,选择真正靠谱的公司,将预算花在刀刃上。

目前,各个国家都在大力发展各国的商业航天,各国政府和航天局对于太空探索中不必要的投入大量减少,将市场开放给民间商业公司,同时还能在合作中利用民间商业公司高效的管理模式和制造效率快速论证各大航天局的研究成果。

更重要的是,商业航天一旦发展起来,就能在市场中营造良好的商业竞争环境。由于商业航天门槛较高,大多数初创企业如果没有政府的订单很难存活下来,所以各家商业航天公司一定会使劲浑身解数将提供成本更低质量更好的产品和服务以争取到政府和航天局的订单。只有形成了良好的商业竞争,“发射白菜价、火箭班车化”才能成为以后的常态。这样人类的航天技术才能快速发展,空间探索事业也能越走越远。

参考资料:

https://gizmodo.com/the-space-shuttle-was-a-beautiful-but-terrible-idea-1842732042

https://www.forbes.com/sites/quora/2017/02/02/why-did-nasa-end-the-space-shuttle-program/

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_program

https://spectrum.ieee.org/aerospace/space-flight/six-things-we-lose-with-the-end-of-the-shuttle-program

https://www.vox.com/2014/9/16/6249095/nasa-spacex-boeing-space-shuttle

https://baike.baidu.com/item/%E7%BE%8E%E5%9B%BD%E8%88%AA%E7%A9%BA%E8%88%AA%E5%A4%A9%E5%B1%80/5959612?fromtitle=NASA&fromid=243500&fr=aladdin

https://baike.baidu.com/item/%E5%9C%9F%E6%98%9F5%E5%8F%B7%E8%BF%90%E8%BD%BD%E7%81%AB%E7%AE%AD?fromtitle=%E5%9C%9F%E6%98%9F%E4%BA%94%E5%8F%B7&fromid=7936249

https://baike.baidu.com/item/%E8%88%AA%E5%A4%A9%E9%A3%9E%E6%9C%BA

https://www.sohu.com/a/198381417_361833

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