[原创]全面展望SpaceX的2017:那些有可能改变航天工业的创新和发射!

2016年终于喧嚣落幕了,然而作为美国航天发射领域“半壁江山”的SpaceX却又一次流年不利,再次遭遇重大挫折。在2016年的最后一天,让我们全面展望一下SpaceX的2017年。如果你想知道“钢铁侠”马斯克能否带领这家已经14岁的私营航天公司在新的一年“再创奇迹”,我相信,这篇文章应该就足够了!

01-webp设计台词:哇哦,看他们在新的一年在干嘛(图来自南方公园)

有兴趣的话,大家可以收藏下这篇文章,因为我们已经基本把SpaceX在2017年的绝大部分看点尽收囊中。等到2017年的这个时候,我们再来看老马在新一年计划表中,究竟勾上了多少个对号!总的来说,本文既是对2017年的一次全面展望,也是对2016年的一次系统回顾,希望大家会喜欢!

猎鹰9火箭恢复发射

实现可能:★★★★★  炫酷指数:★★☆☆☆

目标时间:暂定北京时间2017年1月9日

2016年9月1日Amos-6任务的静态点火过程中的惊天一炸彻底击碎了SpaceX高密度发射的美梦,各种负面新闻见诸报端,包括海事卫星和一大批立方星在内的客户集体叛逃,俨然一副大厦将倾的态势。

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面对这场创立14年来最匪夷所思的爆炸事故,仅仅用时四个月,SpaceX的事故调查就已经接近尾声,恢复发射用的火箭已准备妥当,同时恢复发射的载荷卫星也已经扣上整流罩。做为二代铱星的首次发射,此次发射的十颗卫星连同载荷支架共9.6吨,这也是猎鹰9火箭截至目前载荷最重的一次发射。而SpaceX究竟能否顺利的再再再次爬出失败的阴影,并将回收和创新进行到底,让我们2017年1月,拭目以待。具体有关此次发射,详情参见本号往期文章:SpaceX即将恢复发射,助力人类规模最大卫星星座升空(作者:本号特约作者Flying_Pencil)

03-webp恢复发射所使用的火箭已经在范登堡的库房内放的要长毛了

04-webp十颗二代铱星已经扣罩,铱星老总已经急得像热锅上的蚂蚁一样了,几乎一天一条推特,倒逼FAA放行发射

意义:如果不恢复发射,本文下面所写一切皆为虚妄,意义神马的还需要解释么。

重型猎鹰火箭的首次发射

实现可能:★★★☆☆  炫酷指数:★★★★★

目标时间:暂定2017年中期

05-webp这是重型猎鹰火箭数年来第一张由官方公布的实物图,个中意义不言自明

前天,SpaceX公司正式曝光了一张重型猎鹰火箭(Falcon Heavy,下文简称FH)的级间段实物照片,该部件位于火箭芯级和二级的中间(下图红圈处);至此,推迟数年的27发并联“怪物”火箭终于露出真身,该火箭高70米,宽12.2米,起飞重量1420吨(作为对比,长征五号为879吨),采用简单粗暴的“推力不够数量凑”思路设计而成,由两枚基于猎鹰9火箭一级的助推器和芯级组成,起飞时多达27台梅林-1D+发动机(Merlin-1D+)将同时工作,可以提供高达2280多吨的起飞推力。

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重型猎鹰火箭不仅能够向火星发射红龙无人探测飞船(不回收状态的地火转移运力高达13.6吨),而且将有望搭配未来的二代龙飞船货运版为特朗普“重返月球”架构中的近月空间站提供货物输送服务。火箭全箭使用了27+1共28台发动机,其中27台可以回收,将部分回收的比率提升到了一个全新的高度。并在未来换装基于新一代猛禽发动机的上面级的情况下,高轨道发射的一次性运力甚至有可能染指SLS(太空发射系统)的基本构型,而公开发射报价仅9000万美元一次,相对于SLS几乎下降了一个数量级。不废话,上视频!


可以说FH发射的可观赏性在当今运载火箭领域无出其右,仅三发同时回收这一壮观景象就值得大书特书。但与官方宣传视频中有所不同的是,由于FH已经暂时取消了交叉燃料输送技术,转而采用类似重型德尔塔4火箭的芯级节流方案。因此目前主要的发射-回收模式将为助推级返回发射场,芯级着船。因为芯级节流,导致分离高度远高于现有猎鹰9火箭,返场运力损失很大,因此全部返场并不划算;另一方面考虑到SpaceX在东海岸仅有一艘回收驳船,因此全部着船回收短期也不现实。有兴趣可以参见往期文章:

SpaceX那些年吹过的牛——浅析重型猎鹰火箭的推进剂交叉输送技术

(作者:冰箭,中国运载火箭技术研究院某运载型号主任设计师)

此外值得一提的是,FH首次发射中一枚助推器将由已回收的猎鹰9火箭一级翻修而来,其中最主要的改动就是需要替换已有猎鹰9火箭的发动机承力结构OctaWeb,并添加箭体上部的承力点和气动头锥。可以说,虽然FH是全新火箭首射,但其实这是一枚半二手火箭!FH首飞既要挑战火箭本身的设计水平,又要考验SpaceX的火箭复用能力,风险之大可见一斑。

06-webp-1之前网上非官方曝光的FH助推级气动头锥实物照片

意义:如果首射成功,该火箭将一举夺下“现役运载火箭之王”的桂冠,凭借54吨的LEO运力(很多人对官方公布的这个运力存疑,我们暂且信其为真)将现役最大低地轨道运力纪录直接翻倍。该纪录有望保持到2018年SLS首射之前。当然最关键的是,如果FH的27发并联模式成功,N1火箭30发并联设计下4射4炸导致的多发并联不可靠的设计定式将有望被打破。也为SpaceX未来ITS(行星际运输系统)起飞级42发并联的可行性提供了信心。

载人龙飞船首次无人演示飞行

实现可能:★★☆☆☆  炫酷指数:★★★★★

目标时间:暂定2017年末

载人龙飞船现阶段是在NASA的CCP(Commercial Crew Program,商业载人航天计划)架构资助下开展的飞船研发项目。CCP合同由大名鼎鼎的波音公司和SpaceX共同中标,独立研发相关飞船并搭配各自火箭来为国家空间站输送宇航员。

07-webp未来美国载人航天的三驾马车,最右的猎户座已经因为严重超支和进度拖沓引起公愤,差点被特朗普一刀砍掉

其中SpaceX的载人龙飞船是第二代龙飞船的载人版,同时还有用来执行CRS-2货运补给任务的货运版,两个版本设计基本一致,最主要区别就是舱内是否布置座位。二代龙飞船基于已经成功飞行9次的一代货运龙飞船改进而成,与波音的CST-100飞船(现命名为星际线StarLiner飞船,上图左边那个)共同竞逐人类首个具备独立载人航天能力的私营企业的桂冠。但根据NASA最新的CCP计划年度总结,SpaceX在进度上已经遥遥领先于曾经被认为财大气粗、实力强劲的波音公司。虽然已经历经数次推迟,但是在2017年末依旧有望执行一次无人测试飞行(称之为DEMO1)。同时为一改以往宇航服的如米其林吉祥物一般的糟糕外观,马斯克聘请了著名设计师自行研发了全新的舱内航天服,并已经于近日通过NASA的审查。现处于保密状态,应当是留待载人龙正式发射时候才放出,有兴趣可以参见下面的视频。


由于腾讯限制一篇文章中只能有三个视频,所以我找了一个集锦视频,来自牧夫天文论坛,集锦做的很棒,在此感谢他们的劳动

不同于猎户座飞船在14年末那次有钱没处花的测试发射,载人龙的DEMO发射内容相当丰富,基本上除了不载人之外,与实际的载人发射完全一致,不仅要自主与国际空间站对接(无需机械臂捕获),还要在轨维持一段时间,然后返回地球。初期将采用与货运龙飞船类似的伞降回收方式,通过四个降落伞构成(上面视频的三伞是早期视频,最近又补做了四伞空投试验)的冗余群伞系统软着陆海上并打捞回收,冗余设计保证了该飞船在单伞失效前提下依旧能够安全返回而2014年发布会中反推着陆的炫酷返回方式将在CRS-2合同架构下的货运任务中先行试验,证明其成熟和安全后再应用在载人任务中。此外考虑到红龙火星任务的技术要求,明年悬停试验也将更高强度的进行。

08-webp纵观在研的新一代载人飞船,载人龙的设计最为激进,挤压循环的液体逃逸发动机、推式逃逸、超大尺寸触控操作界面、自主对接、反推着陆再加上可复用设计;很孤独,几乎没有任何跟随者

无人DEMO测试之后紧接着应该是发射中逃逸实验,也就是in-flight abort test,该试验将与已经完成的发射台逃逸实验共同证明载人龙飞船具备发布会上所宣称的“全程逃逸能力”,在逃逸实验全部完成后,将执行首次载人发射任务,搭载两名NASA推选的试飞宇航员(就是“小白鼠”比较清新脱俗的叫法),但这次试验因为进度一推再推,已经被安排到了2018年5月,而且不仅如此,无人DEMO能否在2017年内成行也相当让人怀疑。

首先与我国具有载人发射专用的长征2F火箭不同,猎鹰9火箭并无宰人专用版,因此考虑到猎鹰9不那么“良好”的安全记录,尤其是Amos-6的爆炸事故发生在燃料加注期间,而在原定的载人发射过程中,爆炸发生时宇航员有可能正在进入飞船,这就对猎鹰9火箭的可靠性提出了严峻的考验。而NASA最初要求的40次无人发射才能载人发射的要求已经难以达到,所以明年的发射压力之大可见一斑。

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载人龙发射的CG图,发射台为“钦定”的肯尼迪航天中心LC-39A

意义:“全世界能够把人类送入太空的有中国、美国、俄罗斯,还有我——伊隆·马斯克”。(这B装的我给满分。。。)至此,美国自2011年航天飞机退役后整整六年,终于恢复了载人航天能力!

10-webp“嗨,兄弟,交给你了!”   “没问题,放心吧!”

(国外网友有爱绘制)

猎鹰9火箭的重复使用发射

实现可能:★★★★★  炫酷指数:★★★☆☆

目标时间:暂定2017年一季度

这是一次“平凡”的发射,由猎鹰9火箭为卢森堡SES公司发射一颗重5.3吨的通讯卫星,卫星具有50个ku转发器,混电升轨,目标轨道为标准GTO或Sub GTO,没有任何看起来值得一书的地方。但这又是一次不平凡的发射,一次有可能改变人类航天发展方向的发射,因为这次发射中的猎鹰9火箭一级是一枚已经发射过的二手火箭。火箭一级回收自2016年4月10日的CRS-8任务,当时这枚一级火箭在完成其向国际空间站发射货运龙飞船的任务后,沿着预先规划的回收弹道飞回海面,并稳稳着陆在SpaceX预先准备的回收驳船上,该箭体非官方编号023。

CRS-8发射回收瞬间的直播画面,可以听到如潮水般的欢呼声

“重复使用”四个字,这几乎是SpaceX创立14年来最大的梦想,笔者也认为是从根本上降低天地往返费用的终极解决办法,虽然不能说SpaceX的道路一定会最终成功,但是SpaceX却一直在这条道路上不断前行,历经数不清的挑战、嘲笑和失败,却仍然初心不改。或许这才是这家公司之所以能够如此引人注目和备受推崇的原因,或许可回收的运载火箭只是和航天飞机一样,是另一个成功而又失败的伟大尝试。但是任何人都不能否认,当这枚二手火箭在2017年的某一天再次执行完自己的使命并顺利分离后,谁能不说仿佛看到了人类登上月球以后另一个航天新时代的曙光?

我们将可回收运载火箭从诞生到最终实用化分为三个阶段:

  1. 证明VTVL方式回收火箭是可行的(已完成)
  2. 证明回收火箭的再次发射从技术上是可行的
  3. 证明复用火箭能够从根本上降低航天发射的费用

如果说2015年12月的首次回收证明了回收的可行性,那么这次发射就是第二阶段完成的最佳证明。当然最困难的就是第三步,航天飞机就是倒在了第三步上,虽然实现了复用,但成本却反而一路飙升,同时在安全设计上的缺陷一再显现,最终黯然落幕。因此,对于SpaceX而言,第三步可能至少需要五年,甚至可能需要十年或更久。然而,我们可以看到,SpaceX依旧在不断改进和完善自己的可回收火箭,并预计于2017年推出可复用的全新改型——猎鹰9 Block5。因为航天飞机的前车之鉴,在这条路上,SpaceX如此孤独,全世界主流发射承包商无一跟随,只有亚马逊创始人贝索斯的蓝色起源“新格伦”火箭采用了类似思路。

但是,历史告诉我们,先驱者从来都是孤独的。

对于我们来说,还是那句老话——耐心,是一种美德。

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希望他们能够再次点火起飞,重返蓝天

有关此次复用发射,详见往期文章:

  1. 火箭复用之梦终于成真,SES公司正式成为SpaceX首个”二手火箭“客户!
  2. SpaceX复用火箭的新挑战——折扣、保险和竞争对手

新版猎鹰9 Block5型发射

实现可能:★★☆☆☆  炫酷指数:★★★☆☆

目标时间:2017年下半年

航天飞机集中了阿波罗时代航天人的奇思狂想和勇敢的冒险精神,但几十年的飞行历程和后继无人的惨淡结局也同时也体现了现有美国航空航天体制的一个积弊,那就是但凡哪种新的技术应用中稍有不顺,国会老爷们就会下意识一枪毙掉,不留活口,而非思考和着手如何改进与完善一种技术。最典型的一个例子就是小布什总统时期提出的“重返月球”和“战神”计划,奥巴马上台后由于政党轮替和利益集团更替,新政府大刀一挥直接砍死,然后面对缺乏载人旗舰项目的NASA和航天飞机退役的就业压力,只能无奈上马换汤不换药的太空发射系统(SLS)。既没有对战神计划已有成果的继承(猎户座除外),也没有对航天飞机改进和革新的想法,蹉跎了整整8年。直到特朗普携参众两院带领“共和党”重新举起月球这面大旗的时候,大家才发现,之前的这么多年都特么白折腾了。

12-webp如果不是奥巴马乱挥屠刀,估计特朗普上台时,NASA已经重返月球了,毕竟阿波罗登月白手起家也才用了不到十年

但是对于SpaceX这种私营企业,就不会受到这种摇摆政策的影响,SpaceX一路改进和践行自己的“复用观”,面对2016年多次成功回收火箭在复用面前面对的种种问题。马斯克第一个想到的不是放弃,而是继续大刀阔斧的改进自己的火箭和回收复用体系,面对猎鹰9火箭在反推回收中的恶劣工况和受损程度。在著名SpaceX粉丝聚集地Reddit举行的一次问答活动上,马斯克本人亲自提及了将于2017年首飞全新的猎鹰9 Block5型火箭,该型主要改进了以下三个方面:

  1. 继续增加发动机推力,将猎鹰9火箭的一次性运力真正推上22.8吨的水平。
  2. 更换一次性使用的着陆支腿,换用可重复使用的着陆缓冲机构。
  3. 改进火箭的防热设计,减小回收中的气流冲蚀和高温损伤。

现有的着陆支腿在每次回收后都需要手动拆除,并进行替换,因为目前采用的缓冲机构是源自阿波罗时期登月舱的蜂窝铝一次性溃缩材料,有点儿懵是么?上图。

13-webp这是猎鹰9的着陆支腿实物

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这就是一次性的蜂窝铝溃缩材料,它的好处是结构简单可靠,成本低廉,同时回弹效应很小,防止火箭着陆冲击过大,反弹到海里

但是再好也还是一次性的,为了尽可能的复用,这种设计很可能在Block5型上消失不见。此外对于加强的防热设计,坊间传闻SpaceX很可能会祭出龙飞船所采用的PICA-X防热材料,在箭体受损严重的部位进行补强和改进。

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PICA-X(Phenolic Impregnated Carbon Ablator),酚醛浸渍碳烧蚀体,X代表是SpaceX版本,最初来自于NASA埃姆斯研究中心,曾用于好奇号火星车进入火星大气的防热结构,可以称得上是世界上最好的防热材料之一

LC-39A发射台的首次发射

实现可能:★★★★★  炫酷指数:★★☆☆☆

目标时间:2017年1月

自Amos-6事故炸毁LC-40发射台后,LC-39A令人抓狂的改建进度确实已经几乎耗尽了爱好者们的耐心,好在终于曙光乍现。SpaceX已经钦定2017年1月从这里发射EchoStar 23卫星,做为东海岸发射场的开门红。此外,做为SpaceX的载人发射台,载人龙的登船用摇臂已经制造完成,等待明年有机会时进行安装。同时面对未来的军用载荷发射,LC-39A有可能还会继续改建。但是不管怎么说,这里终于不再那么寂静了。

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一转眼,SpaceX已经租下这座发射台3年了

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虽然改建已经接近尾声,但是还有不少工人正在忙活(摄于12月初)

意义:做为阿波罗11号任务和航天飞机首射的发射台,LC-39A已经承载了太多传奇;做为SpaceX的载人发射台和重型猎鹰发射台,传奇能否继续,让我们拭目以待。

LC-40发射台的恢复发射

实现可能:★★★★★  炫酷指数:★☆☆☆☆

目标时间:2017年上半年

Amos-6事故后,SpaceX官方评估了LC-40的损毁情况,表示有希望于2017年上半年恢复发射台的运作。做为SpaceX最主力的发射台,猎鹰9至今共28次发射中的26次都是从这里升空的。虽然LC-39A马上就将顶替上场,但我们还是希望能够尽快看到猎鹰9火箭能够再次从这里腾空而起。此外,由于39A未来将承担具有特殊载荷整备要求的军用发射和载人发射,还有FH发射,需要进一步的改建。LC-40有必要与39A协同分工,在39A改建期间保证发射持续。有关这次事故,详见我们的往期文章:

  1. 如何按SpaceX的风格引爆一枚火箭——恢复发射前你应该知道的真相(本号特约作者Flying_Pencil)
  2. [分析]屋漏偏逢连夜雨—SpaceX的第三次低谷
  3. [囧]刚写完的发射预报完全用不上了。。。

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笔者很喜欢这张照片,但是不喜欢这个事件

意义:当LC-40发射台恢复后,SpaceX将在历史上首次具备两座东射向发射台,也就极大的减轻了LEO和GTO发射任务的周转压力,算是SpaceX真正实现高密度发射的又一基石

货运龙的复用发射

实现可能:★★★★★  炫酷指数:★★☆☆☆

目标时间:2017年二季度

虽然SpaceX是一家已经有用5000多名员工的“航天巨头”,之所以叫“巨头”,是因为财大气粗实力强劲的老大哥ULA在经过减员增效后员工总数也仅仅是维持在3000人上下。但事实上并不能这么对比,因为SpaceX是一家垂直整合程度相当高的企业,大量分包商和供应商的职责均被其自己揽入麾下,因此实际分配到货运龙飞船上的人手和设备都相对有限,为了能够腾出生产线和人员全力保障和推进载人龙项目的进度,SpaceX只能无奈祭出“无敌复用大法”,开始翻修从海上回收的货运龙飞船。虽然货运龙飞船最初就是可复用设计,而且初期甚至出现过防热大底设计过厚的现象(后经过适当减薄),但众所周知的是——海水对航天设备是非常非常麻烦的一种介质,经过海水浸泡的龙飞船如何拆换翻修才能维持其一如既往的稳定可靠是一个巨大的挑战。SpaceX公司预计将从CRS-11任务开始采用翻修的二手货运龙飞船,也就是说暂定二月份的CRS-10任务将采用最后一艘全新的货运龙飞船。

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我跟你说这玩意要重新上天你什么表情?

说句题外话,之所以载人龙任务优先级这么高,是因为一个非常囧的原因——NASA没有购买2019年度的联盟飞船船票,而且补票可能性几乎为0,这就倒逼美国在2019年前必须重新具备稳定可靠的载人航天能力,因此CCP项目架构下的载人龙飞船几乎成为了公司的“天字号第一”在研项目。火星殖民神马的还是先靠边站吧。

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这里是俄罗斯向美国出售联盟飞船载人座位的价目表,大家可以发现在2011年航天飞机退役后,由于联盟形成了事实垄断,价格出现了一次飙涨,之后则更是一路飞升,作为一个曾将人类送上月球的机构,NASA显然已经忍不了了

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看看俄罗斯人的最新报价,要我我也忍不了了

意义:如果货运龙的复用实现,它将成为人类航天史上第一款实际重复使用的飞船。同时我们可以将2017年称之为SpaceX的复用元年,是在航天飞机之后人类在可复用天地往返工具上的又一次勇敢尝试,同时为未来载人龙飞船的复用打下坚实的基础。

“猛禽”发动机的进一步试车

实现可能:★★★☆☆  炫酷指数:★★☆☆☆

如果总结SpaceX的2015年,9月马斯克在国际宇航大会上名为“让人类成为多星球物种”的演讲必须是一件大事儿。但是光有PPT是远远不够的,“诗和火星”还需要真抓实干,于是乎猛禽发动机横空出世,但是在9月初的短暂试车之后,猛禽就陷入了寂静。因此在2017年,我们希望能够看到更多更精彩的试车画面,但是迫于SpaceX现在积压的70多个发射订单,大家也不要过于奢望。

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11月下旬拍摄的猛禽发动机试车台,发动机已经被防尘罩覆盖

篇幅所限,想深入了解的话,推荐阅读我们SpaceX发动机三部曲中的完结篇,近万字大篇幅详细介绍了猛禽发动机:[深度]从闭门羹到猛禽—SpaceX坎坷的发动机之路(完结篇)

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不仅如此,ITS所使用的碳纤维复合材料储箱也有望继续开展试验

意义:不仅作为猎鹰系列火箭的潜在高性能上面级,更是做为宏伟火星计划的基石,猛禽越快的成熟,距离火星就越近。尤其是特朗普团队大踏步重返月球的十年内,马斯克的火星之旅更加孤独。但是正所谓无猛禽,不火星!猛禽加油!

德州新发射场建造进入实质阶段

实现可能:★☆☆☆☆  炫酷指数:★★★☆☆

很多人可能已经忘记了,SpaceX在德州Boca Chica全新兴建了一座发射场,初定于2018年具备发射能力,最近已经安装完成了一套用于载人龙发射测控的二手天线。同时场地平整也已完成,2017年将进入发射场建设的高峰,我们会看到很多的变化。

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为了省钱,SpaceX购买了大量的二手设备,包括这个刚刚安装完成的天线,没办法,不像波音、洛马那么财大气粗,也没有国会的慷慨拨款

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明年的这个时候,这里将拔地而起一座全新的发射台,2018年从这里首次发射

整流罩回收及复用

实现可能:★☆☆☆☆  炫酷指数:★★★☆☆

一对碳纤维复合材料的薄壁大尺寸空间曲面结构件能值多少?阿丽亚娜5的整流罩600万美元的报价可以作为参考。因此在CRS-8任务回收成功后的记者会上,马斯克透露了他们的整流罩回收计划,但是随着后续任务的进行和Amos-6爆炸的发生,这个计划暂时处于搁浅状态。但是随着2017年发射的逐步恢复,我们希望能够见到更多的进步,不过同样不要抱太大希望,毕竟这也不是一个优先级很高的项目。

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整流罩回收概念图

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把底下那两个亮点(整流罩)给我捞回来(摄于SES-9任务),在这次任务中,整流罩在冷分离后疑似进行了RCS喷射实验

意义:省钱嘛,还需要啥意义!

当然还有SpaceX的卫星互联网,这个可是另外一个话题了,2017年能见到的并不多,有机会我们结合FCC的文件再详细聊。

曾经不止一次有网友问我,为什么你们公众号关注SpaceX那么多?其实,我们并不是崇拜某一家公司,而是致敬那些勇敢无畏的创新者。他们不满足于拿着垄断合同攫取利润,或者是做一个尸位素餐的国防承包商,或者一面对竞争就派出国会政客向政府索要补贴。他们勇敢创新,承受风险,屡战屡败却依旧屡败屡战。他们面对航天领域几十年没有根本上技术革新的现状,顶着无数媒体和同行的冷嘲热讽一步步实现心中的狂想。我们要报道的是这样的一群人!我们不希望世界上仅有一个SpaceX,我们希望有千千万万个这样的企业。

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