喷管裂缝？那就剪短6英寸！这还不是马斯克干过最疯狂的事

　　上次，我们讲到了马斯克他们的猎鹰9号火箭在第一次发射的时候遇到了雷雨，第二级的无线电信号非常的微弱，火箭进水导致电子设备出了故障。到底是把火箭拉回厂房检修呢？还是更换火箭的电子设备？最后大家商量了半天，决定用烘干机把设备里的水蒸汽烘干了就行了。

　　说实话，这一招跟无线电修理铺对付半导体收音机的办法差不多。即便是到现在，修理手机的也会准备电吹风之类的装备。有时候是真好使啊。

　　猎鹰9号第二级的电子设备烘干了以后，继续原样装好，用硅胶密封。信号虽然没有设计的那么强，也算是够用了，火箭照常发射。把龙飞船送进了太空里。马斯克的要求其实很低，保证不把卡纳维拉尔角的40号发射台炸掉就行了。从这个及格线来看，猎鹰9号的第一次发射还是很圆满的。

　　你可能觉得马斯克手下的团队有点夸张，过去都认为，火箭是来不得一丝一毫马虎的。怎么能这么凑合呢？说实话，这是和火箭的设计思路有关系，马斯克从一开始就强调便宜，强调可靠，冗余度还是很高的，即便是打点折扣也都能凑合上天，这个习惯和俄国人有点像。

　　火箭静态测试

　　但是，马斯克该不凑合的地方是一点都不凑合，人家在猎鹰火箭发射之前都要做好几次全箭测试。火箭灌满燃料，但是不点火，这叫“湿测试”。如果是做戏做全套，不但灌满燃料，还要在发射架上点火，这叫静态测试。为啥就叫静态测试？对啊，火箭是被牢牢固定在地面上的，发动机一般只开3~7秒，记录下各种数据也就够了。

　　从冯·布劳恩开始，他就喜欢在发射前搞静态测试，等于是一场模拟真实环境的“热身赛”，毕竟火箭太复杂了，简直是个混沌系统，各种不可能的误差全都凑到一起，你也不知道会出啥毛病，你只有全箭点火测一下，才能有把握。后来呢，这么干的人少了，毕竟是麻烦嘛。不过马斯克是坚持要搞的。

　　当然啦，火箭即便搞静态点火测试，也只能测一级火箭，二级火箭可不能随便点火玩儿。猎鹰9号的第二次发射，恰恰是二级火箭发现了问题。猎鹰9号的第二级用的是真空板的梅林发动机，其实就是把喷管放大了一号。这个喷嘴是一种特殊的铌锆合金制造的，是一个相当坚固的材料。一直到12月初，都快要发射了，大家才发现这个喷管有裂纹。

　　这个裂纹怎么来的呢？在发射前大约一个月，SpaceX收到了NASA的要求，在两级火箭之间的部分添加更多的氮气。因此，SpaceX的技术人员在底部插入了一条1英寸的管线，并吹入了氮气。这股额外的气流导致梅林发动机喷嘴振动，导致了最终破裂。

　　如果喷管裂缝了，那是肯定没办法发射的。如果要换一个喷嘴的话，工厂远在加州。从加州弄一个好的喷管，然后千里迢迢运到佛罗里达，安装在火箭上，这来回一折腾，可能要多花一个月的时间。马斯克当然是不乐意的，这不是瞎耽误工夫嘛。

　　所以，马斯克马上给远在加州的王牌技术员马蒂·安德森打了个电话。马斯克啥意思呢？就是让这个安德森带着大剪刀爬进喷管内，把喷管剪短6英寸，下边开裂的这部分咱不要了行吧，剪短点接着用。

　　一边打电话，一边马斯克的私人公务机就做好准备了。几个小时以后，安德森拎着包坐上这架私人飞机就直飞卡纳维拉尔角。到了地方以后，爱德森一看，火箭还竖着呢，足有50多米高。先坐电梯上去，然后再乘坐起重机到达两级火箭之间。慢慢爬过去，用大剪刀硬是把火箭的喷管剪短了6英寸。

　　说实话，猎鹰9号的运载能力有冗余，即便是二级火箭的喷管短了一截，也能完成任务，马斯克当时是有把握的。

　　但是，SpaceX是给NASA打工的，人家NASA是甲方，马斯克这么三下五除二，剪掉了一圈喷管，NASA乐意吗？NASA的人听说这个消息以后，差点惊掉了下巴。这帮人都是野路子出身吗？这都是什么招数啊？马斯克还得给人解释，尽管喷口短了一大截，但是，推力仍然是够用，是能够完成这次龙飞船的发射任务的。

　　你想啊，NASA的人能信吗？SpaceX的发射总监布扎以及公司的副总裁克尼斯曼，以及发动机设计师穆勒都来劝NASA关于商业发射项目的总负责人迈克·霍卡丘克和艾伦·林登莫耶，这二位听得云里雾里的，一晃脑袋，就是听不懂。

　　所以，技术人员之间的交流才是最重要的，跟外行说是很难说清楚的。NASA也有工程师啊，和SpaceX的工程师们一起解决了所有的技术疑问。火箭和卫星是不一样的，卫星要在太空工作很久，但是火箭只要工作几分钟就够了，这就是火箭最特殊的地方，对喷管的修剪可能会损坏表面的抗氧化涂层，但是，只要熬过几分钟不就万事大吉了嘛！

　　他们整整折腾了24小时，最后写了报告，提交给了NASA负责载人航天的格斯滕迈尔，他拥有最终拍板权。

　　没办法，只能等着，一直到发射前一天的凌晨2点钟，格斯滕迈尔总算是批了，发射照常进行。这一次，猎鹰9号的发射非常顺利。火箭把龙飞船送进了太空，然后龙飞船脱离返回。火箭第二级2次点火，把8颗小卫星送进了轨道。火箭的第二级运转良好，尽管喷管短了一截。

　　至此，SpaceX的工程师们心里一块石头落了地，火箭有了，飞船也有了，完成NASA的合同应该问题不大，这下研发资金算是不用发愁了。猎鹰9号要经历更大幅度的升级。

　　其实猎鹰9号的1.0版本只用了5次，三次是拿来发射龙飞船的测试版。龙飞船在第3次发射的时候和国际空间站完成了对接，这是航天飞机退役以后第一次有美国飞船来对接，也是第一艘和国际空间站对接的商业飞船。后来嘛，龙飞船经常光顾国际空间站，隔三差五就溜达一趟。这时候的猎鹰9号用的还是梅林1C发动机，推力48吨。

　　当时的梅林发动机还是比较拉跨的，推力也不大，比冲也不算高，推重比还算不错，但是其他指标都比较平庸。但是，马斯克是想尽办法的减轻火箭的重量，火箭轻一斤，运载的货物就多一斤。所以，他在火箭的结构上是非常激进的。我国的火箭普遍都用铝合金，但是马斯克的火箭是用铝锂合金的。

　　铝是一种比较轻的金属，因此航空业和航天业是离不开铝合金的，比铝还轻的金属基本上没有几种，锂就是其中之一。锂元素可以说是最轻的一种金属了，如今锂元素是战略金属，因为到处都要用到锂电池。没有这东西，特斯拉电动车就趴窝了。电动轿车根本不可能实用化。可惜锂元素太活泼，不能用单一的金属锂来造火箭，只能和铝组成合金来使用。

　　如果用铝锂合金来制造火箭的燃料箱，重量可以减轻10%，强度可以增加40%，这种材料可以说是非常适合马斯克的胃口。猎鹰9号的燃料储箱就是铝锂合金造的。美国在铝锂合金方面已经研发到了第三代，我们相对落后一点，现在也能生产一部分第三代铝锂合金，C919大飞机的蒙皮用的就是铝锂合金的。

　　为了榨干重量上的油水，猎鹰9号用的是共底储箱。也就是说，储箱长得像个胶囊，一半装煤油一半装液氧。中间有隔板分开。我们的长征火箭很少用到共底储箱，而是分成两个胶囊，包裹在火箭的内部。这样的话，重量就大了。

　　当然，我们也能造大直径的共底储箱，但是还没装到大型火箭上去使用过。美国人这方面的基础还是很雄厚的。

　　反正马斯克一直在尽量榨取火箭的重量，火箭能轻一点就轻一点。所以，他大胆使用激进的加工技术，什么结构能保持足够的结构强度，皮又比较薄呢？那就是在板子的背后做上三角网格加强筋。这种结构很贵的，因为这种结构需要用一块厚金属，用数控CNC加工，在背后挖出一个个的坑，剩下的部分就组成了那些加强筋，95%的金属成了刨花。马斯克哪里舍得这么浪费的，他开发了搅拌摩擦焊技术，背后的那些加强筋，都是焊上去的，这一下就便宜了好多。

　　发动机需要用计算机来控制，航天领域采用的芯片一般不赶时髦，不会用5纳米7纳米的工艺，因为半导体太细了顶不住宇宙射线的袭击。时不时地就要算错，宇航级的集成电路适当粗一点好，65纳米的芯片也比比皆是。而且要做专门的防护设计，留出足够的冗余度。

　　不过在马斯克看来，火箭只要能工作几分钟就够了。可以用商业芯片来代替，毕竟商业芯片速度更快性能更强。为了保证可靠性，可以采用三个芯片来做多保险，也能保证足够的冗余度。

　　梅林1D发动机

　　下一步就是提升梅林发动机的性能了。梅林1D型发动机基本上可以说是一款脱胎换骨的发动机，推力从48吨提高到了67吨。比冲也提高到了282秒，算是燃气发生器发动机的榜首了。发动机的重量没有增加反而还减少了470公斤。推重比大大增加，一下超过了上一代的王者NK33。而且，梅林1D发动机开始利用针栓式喷注器的大幅度节流能力，具备灵活调控有油门的本事了。这就为火箭的回收奠定了基础。

　　猎鹰9号1.0版本曾经做过实验，那就是用降落伞回收一级火箭。但是根本搞不定，降落伞没法控制，不知道飘到哪里去了，因此必须有较大的着陆场。更要命的是，降落伞承受不住巨大的下落速度，都被扯碎了，看来此路不通。

　　没办法，只剩下一条路，那就是1级火箭自己反推降落。反正发动机都是现成的，只要搞定二次点火就行。燃料多带一点就行。当然多带了额外的燃料，运载的载荷就少了呗，运载能力受影响。但是，猎鹰火箭真是榨干了油水，自己本身的重量太轻了，即便是加上返航用的燃料，也没多重，还是有足够的运载能力的。这也是别的火箭玩儿不转回收的一大原因。多带的那点返程燃料会侵占载荷的份额，里外里不划算。

　　DC-X火箭

　　火箭反推回收，其实也有公司搞过。麦道公司的三角快帆就是一个典型。这东西代号叫DC-X，外观有点像瘦长版的金字塔，装了4台氢氧火箭发动机。1993年的8月18号，这个怪模怪样的东西实现了首飞，火箭点火以后，飞到45米高的空中悬停，接下来平移了100米，然后缓缓下降，停在了地上。所以，马斯克也不是凭空想出来火箭垂直回收的，此前已经有过先例了。

　　虽然有过先例，但是SpaceX还没掌握这项技术。他们必须分两条腿走路。首先是在猎鹰9号火箭上装上栅格舵，用来控制火箭的下落。看看能不能利用空气舵来精确控制落点。

　　这一次用的是新的1.1版本的猎鹰9号，发动机从3x3的方形变成了外圈8个环形排列中间放一个。火箭拉长了一大截，可以装更多的燃料。头上的整流罩变大了，可以容纳更大体积的载荷。

　　说实话，马斯克的这个举动又把我吓了一跳。航天业犯忌讳的事儿，他全干了一遍。要知道东风2号其实就是在东风1号的基础上的拉长版本。但是火箭是不能简单拉长的，细长的火箭产生了扁担效应。一边扭动一边飞。结果震坏了导弹上的设备造成导弹失控，一头栽了下来。所以，中国航天界都知道，火箭长径比不能超过15，结果马斯克直接给干到19，你说吓人不吓人？

　　那么马斯克为什么喜欢拉长火箭呢？弄个捆绑式不好吗？下周我继续说道。喜欢我的讲述方式，就关注“科学声音”吧！