在不久以前,ULA、波音和洛马这三家企业,基本垄断了美国航空航天业。三家企业组成的联盟甚至一度成为NASA的唯一发射商。

唯一就意味着垄断,完全是卖方市场。NASA也因此吃了很多亏,于是向Space X转移了大量“过时”、成熟的技术。希望马斯克能带着Space X,为NASA提供物美价廉的发射服务。

按照正常的思路,要想在航天领域做到物美价廉,是一件“绝对”不可能的事。因为在航天领域里,哪怕是一个螺丝钉,都有着最高的要求,高要求就意味着“贵”。更不用说那些宇航级电子元器件。

无论是我们用的电脑,还是马斯克用的火箭,都需要大量的元器件。

以一个二极管为例,普通的二极管,在网上只要几毛钱甚至几分钱,而一个二极管要想上太空,是需要经过技术验证的,一旦验证成功,它就可以从一个工业级十八线小明星,一举跃升为宇航级一线大明星,身价自然也倍增上百倍甚至上万倍。

以现有载人飞船搭载的星载计算机和控制器举例,为了应对宇宙中的高低温度、辐射以及方方面面的影响,宇航级器件注定成本高昂:

单个控制器的价格为500万人民币左右,一共14个系统,为了追求高可靠性,每个系统至少得有个备份,一共28个控制器,成本总计约1.4亿人民币!

通常情况下大幅降低器件成本是一件几乎不可能的事,毕竟一分价钱一分货。然而SpaceX却做到了,大幅降低元器件的采购成本。

他将成本成功降低到了原来的1/5384。以SpaceX的龙飞船为例,它主控系统芯片组,只用了2.7万人民币。


SpaceX到底是如何做到的?

为了解释清楚SpaceX的思路,首先要和大家讲一讲宇航级器件为什么那么贵。最关键的原因是:它们能经受很苛刻的环境。

首先发射时,要禁得住剧烈的抖动和很高的温度,才能走出地球

而真正的炼狱在入轨后才刚刚开始,面对太阳面的时候,温度迅速提升,最高到120°C。

背离太阳面的时候,温度骤减,最低到-150°C。

就这样90分钟一圈又一圈,周而复始,每圈都是270°C的温差。

而对于电子器件来说,温度不是最难熬的,最难熬的是太空中的辐射。这些辐射有的来自地球磁场,也有的来自太阳的高能粒子,还有可能来自其他星系的粒子和宇宙射线。而这些粒子会引发电子器件的失常。这种症状有个专业名词:单粒子翻转 SEU(Single-Event Upsets)。虽然SEU不会造成器件的物理性损伤,但是她的影响也是很恐怖的。

我们都知道计算机都是用的二进制

0000=0,0001=1,0010=2,0011=3,0100=4,0101=5

如果原来的0因为SEU变成了1,比如0100突然变成了0101,那么代表的含义就从“4”变成了“5”。

如果指令4是向上爬升,指令5是停止推进,那么SEU的后果难以想象。整个飞行器的错误运算结果会导致非常大的灾难。

在1996年,阿丽亚娜-5运载火箭虽然没有粒子翻转,但是系统试图将一个64位的数字放到一个16位的地址里面去,随即发生了类似1/0错乱的现象,结果在点火37秒后,火箭开始侧翻,随之自毁装置启动,发生爆炸。因为这个“小”问题,那次发射损失高达3.7亿美金!

SpaceX降低成本的方式

这个方式其实非常简单,既然航天级的元器件太贵,那改用工业、家用级的就好了。

SpaceX没有选择宇航级器件,而是选择了经典的Intel的X86双核处理器。给大家一个参考,一款intel双核处理器,售价仅500元人民币。

据SpaceX前火箭总师John Muratore透露,龙飞船一共有18个系统,每个系统配置了3块X86芯片,龙飞船一共有54块。

所以龙飞船主控芯片的总价约:2.7万人民币,4000美元!

而猎鹰九号一共有9个分立式发动机,每个发动机配置了3块X86芯片,加上主控系统配置了3块,猎鹰九号一共有30块这样的芯片。

猎鹰九号主控芯片的总价约:1.5万人民币,2200美元!

事实上这就是为什么原本要1.4亿人民币的东西,SpaceX只花了2.7万人民币就买来了。(计算有误差和众多未考虑因素,这里只做一个很浅显的比较)

难道SpaceX的工程师团队不知道粒子翻转的恐怖吗?他们当然不可能忽视这种问题。而采用的解决方法,和网络通信中的出错解决方法类似

那就是校验,通过使用Parity Bits来做校验。

既然判断不了一个数是否翻转,那就多放几个一样的设备,通过比较,把不一样的结果给踢出去。

我们前面提到的intel双核处理器,这时候就派上用场了:

SpaceX的技术团队把双核拆成了两个单核,分别计算同样的数据,每个系统配置3块芯片做冗余,也就是6个核做计算。如果其中1个核的数据和其他5个核不同,那么主控系统会告诉这个核重新启动,再把其他5个核的数据拷贝给重启的核,从而达到数据一直同步。周而复始,不让一个核掉队。

另外一方面,从开发角度讲,相比较宇航级芯片程序员的凤毛麟角,Intel X86的优秀程序员更容易寻找。

所以综合下来,无论是器件成本,还是人力成本,还是测试成本,Space X都很有优势,成本低也就合情合理了。

再看特斯拉

不仅是Space X,其实特斯拉也用了同样思路。事实上特斯拉的技术和传统车企相比,并没有各位想象的大幅领先。

例如各大媒体都在吹捧的BMS技术,其实同为美国车企的通用,也并不比特斯拉差多少。

以通用的Volt为例,它的电池热管理技术也十分先进。冬天的时候,可以用废热给电池加热;而夏天的时候,还可以用空调给电池冷却。再加上更先进的电池均衡技术,以及充放电控制技术,这些可以让这款车的电池组内部温度差控制在2℃以内。而一个更加稳定的温度,可以延长汽车动力电池的寿命。

不仅如此,工程团队为了节省成本,还将特斯拉的部分元件由汽车级更换成了商业级,最典型的的例子还是芯片。

特斯拉使用的多是IT行业的芯片,例如DPS、ARM、FPGA等。

而通用则完全使用各种我们叫不出名字的汽车级芯片。

特斯拉的这种思路,虽然在传统车企看来过于激进,但确实让特斯拉节省了很多成本,并获得了不错的表现。

虽然通用的技术并不差,但人们更多记住的依然是特斯拉。原因大家也都知道。

特斯拉给人带来了耳目一新的感觉:
  • 电动车可以这么酷
  • 电动车起步可以这么快
  • 电动车续航可以跑这么远