馬斯克的第一性原理是如何實現在Space X上?

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「系統性地懷疑你可能懷疑的一切事物,直到你獲得無可置疑的真相」。

法國哲學家和科學家勒內·笛卡爾(René Descartes)

你不應把現狀視作絕對不變的,而是應該敢於大刀闊斧地改變它。你不應讓其他人的願景塑造你前進的道路,而應該放棄對這些願景的所有忠誠。你要破解現有的假設,直至找出基本組成部分,就好像你在叢林中砍出一條道路那樣。除此以外的一切都是可以商量的。

第一性原理即「認知事物的第一基礎」。

亞里士多德

第一性原理思維方式讓你能夠看到隱藏在每個人眼皮子底下、看似顯而易見的真知灼見。哲學家亞瑟·叔本華(Arthur Schopenhauer)有言:「能者達人所不達,智者達人所未見。」

當你運用第一性原理思考時,就會從一個演奏別人歌曲的翻唱樂隊轉變為一名藝術家,從事艱苦的創造性工作。你從作家詹姆斯·卡爾斯(James Carse)所謂不敢逾越邊界的「有限玩家」,變成跨越邊界的「無限玩家」。

在俄羅斯瘋狂「血拼」後空手而歸的馬斯克頓時醒悟了。他意識到,購買別國火箭的做法猶如扮演翻唱樂隊的角色,他只是一名「有限玩家」。在回國的航班上,馬斯克對陪同他前往俄羅斯的航空航天顧問吉姆·坎特雷爾(Jim Cantrell)說:「我覺得我們可以自己造一枚火箭。」馬斯克給坎特雷爾看了一張電子錶格,上面有他一直在計算的數字。坎特雷爾回憶道:「我看著表格,說:‘這也太誇張了吧!’原來這就是他一直向我借閱火箭科技方面書籍的原因。

「我喜歡從物理學的角度來看待事物。」

馬斯克

馬斯克在後來的一次訪談中解釋說,「物理學教會你根據第一性原理做出推理,而不是通過類比進行推理。」類比式推理就是幾乎絲毫不差地模仿或模擬他人。

對於馬斯克來說,運用第一性原理意味著從物理定律開始,問自己需要哪些條件才能把火箭送入太空。他把火箭拆分成最小的子部件,也就是它的基礎原材料。

「火箭是用什麼做的?」他問自己,「航空航天級鋁合金,加上一些鈦、銅和碳纖維。」然後他又問自己:「這些材料在大宗商品市場上值多少錢?」結果證明,火箭的材料成本約為通行價格的2%左右,這個比例太令人震驚了。

這種價格差異是航天工業的外包文化造成的(至少部分如此)。航空航天企業將原材料採購外包給分包商,分包商再層層外包。馬斯克解釋說:「你得往下走四五層,才能找到真正做實事的人,比如切割金屬、聚合零件等。

於是,馬斯克決定自己切割金屬,從零開始建造下一代火箭。穿過SpaceX的工廠走廊,你會注意到工人在做著從焊接鈦合金到組裝飛行控制電腦等所有事情。在SpaceX,大約80%的火箭組件是由內部製造的,這使公司能夠更嚴格地控製成本、質量和進度。

由於外部供應商數量很少,SpaceX可以以創紀錄的速度將想法付諸實施。下面我們講一個例子,證明自主生產的好處。SpaceX的推進動力部負責人湯姆·穆勒曾要求一家供應商製造發動機氣門。「他們報價25萬美元,且需要花1年時間。」穆勒回憶道。他回復供應商:「不,今年夏天我們需要它,並且價格要很低很低。」供應商說了句「祝你好運」就走了。

於是,穆勒的團隊自行製造氣門,成本只有供應商報價的若干分之一。到了夏天,那家供應商打電話給穆勒,詢問SpaceX是否還需要氣門,穆勒回答說:「我們已經製造出了合格產品,正準備試飛。」SpaceX負責與NASA聯絡的員工邁克·霍卡恰克(Mike Horkachuck)驚訝地發現,穆勒這種做法在整個公司里都很普遍。他說:「這種方法別具一格,因為我幾乎沒聽說過NASA的工程師在外包設計和決定設計方案時談論過零部件的成本。」

SpaceX在原材料採購方面也很有創意。

公司一名員工在eBay上以2.5萬美元的價格購買了一台二手經緯儀——一種用來追蹤和校准火箭的設備,因為他發現全新的經緯儀價格實在太高了。另一名員工從工業廢品場採購了一塊巨大的金屬,用來做保護火箭的前椎體整流罩。經過測試合格之後,廉價的二手部件也能像昂貴的新部件那樣發揮作用。

SpaceX還借用了其他行業的零部件。它沒有使用昂貴的設備來製造艙門把手,而是採用了浴室隔間的門閂部件;它沒有設計昂貴的定製版宇航員安全帶,而是採用賽車安全帶,後者更舒適也更便宜。SpaceX的第一枚火箭用自動取款機的同類計算機取代專業航天計算機,前者僅需5000美元,而後者高達100萬美元。與宇宙飛船的總體成本相比,這些削減下來的成本似乎並不多,「當你把它們全部加起來的時候,成本就相差很大了。」馬斯克說道。

這些廉價的部件中,有很多其實更加可靠,例如SpaceX火箭所使用的噴油嘴。絕大多數火箭引擎採用蓮蓬頭設計,靠多個噴嘴將燃料噴射到火箭的燃燒室,而SpaceX採用所謂的樞軸引擎,即只有一個噴嘴,看起來像花園裡澆花用的軟管噴嘴。這種噴嘴成本較低,也不太可能造成燃燒不穩定。要知道,燃燒不穩定可能會導致火箭科學家所稱的「意外快速解體」,也就是大眾所說的「爆炸」。

第一性原理思維方式促使SpaceX對火箭科學領域另一個根深蒂固的假設提出質疑。

幾十年來,絕大多數將宇宙飛船送入外層空間的火箭都無法重復使用。當它們將飛船送入軌道之後,就會墜入大海或在大氣層燃燒,後續發射又要造一枚全新的火箭。這就相當於每次飛往宇宙的商業航班結束後,都將飛機燒掉。現代火箭的製造價格與波音737差不多,但乘坐737飛機要便宜得多,因為噴氣式飛機可以反復執行飛行任務。

顯然,該問題的解決方案就是讓火箭也能同樣反復使用。正因為如此,NASA的航天飛機零件是可以重復使用的。將航天飛機送入軌道的固體火箭助推器會從航天飛機分離,利用降落傘降落到大西洋,然後被回收並翻新。載有宇航員的軌道飛行器也在每次任務結束後飛回地球,重新用於執行未來的飛行任務。

為了使火箭具有可再用性,產生更大的經濟效益,必須盡可能達到「快速」和「完整」這兩個要求。「快速」意味著完成任務後的調查和翻修時間保持在最短水平。經過快速檢查和加油之後,火箭應該能夠馬上起飛,就像飛機在一趟飛行結束後檢查和加油一樣。完整的可再用性則是指航天飛機所有零部件是可重復使用的,任何硬件都不會被丟棄。

但對於航天飛機來說,可再用性既不快速,也不完整,檢查和翻修費用高得驚人,尤其考慮到航天飛機的飛行頻率不高。航天飛機的檢查、翻修和加油需要經過「120多萬道不同流程」,花上好幾個月的時間,而且成本超過建造一艘新的航天飛機。

如果用類比法進行推理,你會得出一個結論:重復使用航天飛機的想法是不可行的,它不適用於NASA,所以我們也用不上。但這種推理存在缺陷——反對重新使用航天飛機的理由源自單一的案例研究對象,即航天飛機本身。然而問題在於航天飛機本身,而非所有可重復使用的航天器。

火箭是分級的,多級火箭互相疊加在一起。SpaceX的「獵鷹9」號火箭共有兩級。第一級是一段14層樓高的箭體,上面安裝了9台引擎。第一級火箭使航天器脫離地心引力,從發射台升空,進入太空。然後,第一級箭體分離並脫落,第二級火箭接管飛行。第二級火箭只有一台引擎,它點火後繼續推動航天器升空。第一級火箭是「獵鷹9」號最昂貴的部件,約佔整個發射任務成本的70%,所以即使只有第一級火箭得以回收和有效再利用,也能節省大量資金。

但是,火箭的回收和再利用可不是一件容易的事情。第一級火箭必須與航天器分離,做一個直體後空翻,其中3台引擎點火以減緩速度,找到通往地球著陸點的路徑,然後輕輕地把它的巨大箭體竪立在地面上。借用SpaceX一份新聞稿里的話,這一過程就像「在風暴中心讓一根橡膠掃帚在你手上保持平衡」。

2015年12月,「獵鷹9」號一級火箭將航天器送入軌道後,成功完成了在堅硬地面上直立著陸的壯舉。貝佐斯旗下的私營航天公司藍色起源公司(Blue Origin)將它的「新謝潑德」號(New Shepard)火箭送入太空後,其可重復使用的助推級箭體也成功返回地球。從那時起,這兩家公司都翻新和重復使用了許多回收後的火箭級,然後把它們重新送回太空,這些火箭級就像被授予合格證書的二手汽車。曾經的瘋狂實驗正在變成例行程序。

第一性原理思維方式所產生的創新,使藍色起源和SpaceX大大降低了太空飛行成本。

舉個例子:SpaceX開始把NASA的宇航員送到國際空間站的時候,每次飛行要花費納稅人1.33億美元,而過去發射航天飛機的成本為4.5億美元,前者還不到後者的三分之一。

SpaceX和藍色起源處於這樣一種狀態——他們是這個行業的新來者。新來者的優勢在於可以揮灑創意,內部既不存在固有思想,也不存在確立已久的做法和遺留的傳統。沒有過去的束縛,他們可以把第一性原理作為火箭設計的驅動力。

我們絕大多數人享受不到這種優勢,無可避免地會受到自身已知事物和先驅者經驗的影響。逃避自己的設想是一件棘手的事,尤其是在我們無法察覺它們的情況下。

本文節錄自『像火箭科學家一樣思考』

像火箭科學家一樣思考電子書,分類依據歐贊.瓦羅(Ozan Varol) - 3219861373065 | Rakuten Kobo 台灣

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