馬斯克如何顛覆航天？ 1/5385成本，c++和python編程！

5月31日，經歷了重重困難，馬斯克的SpaceX載人飛船成功發射，這是美國自2011年以來首次發射載人航天飛船，也是美國進入由商業主導太空探索的歷史性時刻，更是全人類在載人航空領域邁出的重要一步。

可以說SpaceX的成功離不開這種自下而上的商業發展模式。SpaceX成立于2002年，SpaceX成立之初的目標就是把航天發射的成本降到美國政府經營所需費用的十分之一，以及將太空運送物資和人員的風險也同步減少至以往的十分之一。SpaceX開發了可部分重復使用的獵鷹1號和獵鷹9號運載火箭，大大降低了運載成本，且同時開發Dragon系列的航天器已通過獵鷹9號發射到軌道。

這也正說明了，任何政府主持的宇航探索項目，沒有市場的支持和分攤成本，對于底層的內在模式而言，都缺乏真正的競爭力。

自上而下的商業發展模式給了SpaceX源源不斷的動力，而數字孿生技術卻強有力支持了航空發展不斷取得新突破。

近幾年，數字孿生的熱度不斷攀升，頻繁出現在各大峰會論壇的演講主題之中，備受行業內外的關注。

數字孿生，顧名思義，就是“數字雙胞胎”。根據國際統一的定義，數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。簡單來說，數字孿生就是在一個設備或系統的基礎上，創造一個數字版的“克隆體”。

數字孿生的概念是在2002年由密歇根大學教授邁克爾·格里夫斯提出的，邁克爾·格里夫斯教授在產品全生命周期管理課程上提出了“與物理產品等價的虛擬數字化表達”的概念：一個或一組特定裝置的數字復制品，能夠抽象表達真實裝置并可以此為基礎進行真實條件或模擬條件下的測試。該概念源于對裝置的信息和數據進行更清晰地表達的期望，希望能夠將所有的信息放在一起進行更高層次的分析。

而大家關注的SpaceX發射成功龍飛船正是數字孿生體的現實運用，從一定意義上看，這也代表了一個新時代的開啟。

馬斯克對于NASA的數字孿生體2027計劃非常感興趣，他從NASA和美國國防部籠絡了一批數字孿生體頂級人才，其中就涉及到Edward Glaessgen，曾多次給SpaceX公司提供咨詢服務。當然，他自己也親自學習數字孿生體相關的關鍵技術。馬斯克把數字孿生體的潛力用到了極點，充分利用數據驅動的特點，盡量簡化人與設備的機械交互方式。例如，這次發射龍飛船，跟飛船中宇航員交互的視頻顯示，內部人機交互已經采用了觸摸屏方式，這將發揮數字孿生制造的潛力，并提高設備的可用性。

回顧2010年NASA提出數字孿生體2027計劃，當時考慮的是利用NASA自身官僚體系來完成相關工作。但金融危機的逐步深化，提出了降低成本的要求，也給馬斯克介入NASA業務提供了機會。原計劃需要17年才可以完成的計劃，馬斯克只用了10年時間就完成了，這就是機制變革帶來的奇跡。

馬斯克和他的Space用18年向證明了“成功是一個概率事件，而非偶然，絕非偶然”。有夢想，有毅力，仰望星空，腳踏實地的干不一定會成功。但失去夢想，沒有毅力，不能為夢想而付諸于行動，顯然一定難以實現夢想。
不過，肯定不敢相信，在SpaceX成功發射的背后，馬斯克竟然只用了2.6萬人民幣、幾十萬行C++和Python代碼就完成了這個動輒上億的項目。
接下來，和文摘菌一起看看馬斯克如何在SpaceX上做到省錢干大事的~
宇航級，用不起
在航天圈里，有一種器件如貴族般存在：宇航級器件。

一個二極管只要上天驗證成功，就可以從一個工業級十八線小明星躍升為宇航級一線大明星，身價可以倍增上百倍甚至上萬倍！

以現有載人飛船搭載的星載計算機和控制器舉例，單個控制器價格為500萬人民幣左右，一共14個系統，為了追求高可靠性，每個系統1+1備份，一共28個控制器，成本總計約1.4億人民幣！

而SpaceX的龍飛船主控系統的芯片組，僅用了2.6萬人民幣，成本相差5384倍！

Elon Musk到底是如何做到的？

看以下幾條重要的知識點：

· SpaceX 獵鷹九號和龍飛船用的都是Intel雙核的x86處理器；

· 操作系統用的是Linux，還有LabView和Matlab；

· 軟件工程用的是C++，有些時候也用Python；

· 整個主控程序只有幾十萬行代碼。

工業級器件小屌絲的困境：粒子翻轉

航天器所有的器件要經歷很苛刻很苛刻的環境。

首先發射時要禁得住劇烈的抖動和很高的溫度，才能走出地球。

而真正的煉獄在入軌后才剛剛開始，面對太陽面的時候，溫度迅速提升，最高到120°C；背離太陽面的時候，溫度驟減，最低到-150°C。

就這樣90分鐘一圈又一圈，周而復始，每圈都是270°C的溫差。

而對于電子器件來說，溫度不是最難熬的，最難熬的是太空中的輻射：

· 這些輻射有來自地球的召喚：地球磁場

· 也有來自太陽的問候：高能粒子

· 還可能有來自三體文明的問候：其他太陽系以外的粒子

而這些粒子，將引發電子器件的神經紊亂，專業名詞是：粒子翻轉。

將很Surprise地告訴星載計算機和星載存儲器：

“下面將是見證奇跡發生的一刻！”

“要把1變成0，然后再把0變成1。”

有些人問了，多大點事啊，不就差個1嗎？！

但是在比特界，差一位就可差之千里。

舉個例子：

如果指令20是向上爬升，指令24是停止推進，后果是難以想象的。

所以如果發生了1和0不分的情況，整個飛行器的運算結果曾導致非常大的災難。

在1996年，阿里安501火箭，雖然沒有粒子翻轉，但是系統試圖將一個64位的數字，放到一個16位的地址里面去，隨即發生了1/0錯亂的現象。

結果在點火37秒后，火箭開始側翻，隨之爆炸，因為這個“小”問題，那次發射損失高達3.7億美金！

回到主題，既然粒子翻轉這么恐怖，那SpaceX如何做到發現問題和解決問題的呢？

很簡單：民主決策

技術名詞叫：parity bits

同位位元

既然判斷不了一個是否翻轉，那就多放幾個一樣的設備，通過比較，把不一樣的結果給踢出去。

攢火箭硬件選擇

上文提到，SpaceX沒有選擇用貴族宇航級器件，而是選擇了經典廠牌Intel的X86雙核處理器，京東售價僅478元人民幣（參考價為奔騰系列，賽揚更便宜）：

而SpaceX也沒有用雙核做一件事，而是把雙核拆成了兩個單核，分別計算同樣的數據。

每個系統配置3塊芯片做冗余，也就是6個核做計算。

如果其中1個核的數據和其他5個核不同，那么主控系統會告訴這個核重新啟動，再把其他5個核的數據拷貝給重啟的核，從而達到數據一直同步。

周而復始，不讓一個核掉隊。


據SpaceX前火箭總師John Muratore透露，龍飛船一共有18個系統，每個系統配置了3塊X86芯片，龍飛船一共有54塊。

所以龍飛船主控芯片的總價約：2.6萬人民幣，3600美元！

而獵鷹九號一共有9個分立式發動機，每個發動機配置了3塊X86芯片，加上主控系統配置了3塊，獵鷹九號一共有30塊這樣的芯片。

獵鷹九號主控芯片的總價約：1.4萬人民幣，2000美元！

差點砸了手里的X1，是阻攔了攢火箭的大計！

更讓SpaceX開心的事情，是Intel X86的程序員一抓一大把啊，而專業宇航級器件的程序用的基本都是特定語言，程序員比元器件還難找。

而且硬件工程師壓力也小，X86芯片隨便造，燒壞了？再來1個。不不，再買一打！

可是宇航級器件僅僅是測試費，就都夠再買一車X86芯片的。

攢火箭軟件選擇

SpaceX就用的開源Linux寫的操作系統，而Linux用隨便一臺電腦就可以編寫。

同樣的，SpaceX程序員最愛的還是C++，用開源的GCC或者GDB做火箭的主控程序。

SpaceX還用LabView，一款圖形化編輯語言，對于火箭程序來講，更容易實現可視化和流程化，更容易做復雜的算法設計和數據分析。

SpaceX也用Matlab，在仿真和矩陣計算上，真的很好用。

而且，龍飛船，獵鷹九號，獵鷹重型，分享著同一款代碼，分享著同一類迭代，分享著同一種喜悅，多么的模塊化，多么的互聯網…

大數據監控和測試

2018年，SpaceX一共發射21次，一個公司占全球發射數量約20%，而SpaceX的工程師和分析師，手里有大量的測試數據和實際數據，而且他也被鼓勵用不同的維度，去檢驗飛行器的安全性，形成最新的也最實用的測試程序，從而降低實測成本。

同時，Continuous Integration，持續集成也被應用在了程序測試上。
注：持續集成為了配合敏捷開發（相對于瀑布開發）的速度和效率而產生的一個用于編譯、測試、發布、部署的工具。

通過這種辦法，可以讓團隊每時每刻在持續的基礎上，收到反饋并進行改進，不必等到開發周期后期才尋找和修復缺陷。

而且火箭程序不同于其他，會進行“斷弦式”測試，突然關閉一臺電腦，來看看發動機到底有什么反應。

總結

航天已經經歷了60年的歷史，每一次階躍其實都伴隨著各類器件技術革新，比如：

· 1950年代的晶體管技術；

· 1970年代的微控制器技術；

· 1980年代的數字信號處理技術；

· 1990年代的高性能存儲技術。

現在，芯片工藝從28nm，16nm，10nm到7nm，工藝的提升也增加了芯片在太空中的抗輻射性能，讓商業器件在太空中應用可行性大大提升！

伴隨航天成長的是經典的：摩爾定律。

但是摩爾定律到現在在地面側都快失效了，而在航天側還沒有開始。

比如Greg Wyler在2019年1月6號，Twitter的Oneweb的新型相控陣天線，目標定價15美金。

比如AWS與Lockheed Martin在2018年11月發布的超小型地面站，可降低地面站80%的成本。

北京九天微星正在研制200mW衛星物聯網終端模組，目標定價5美金。

因此，航天缺少的僅僅是大膽的商業器件驗證，缺少的僅僅是采用MVP快速迭代的環境，而逐年降低的發射成本正在迅速降低試驗成本，因此：

屬于航天的摩爾定律才剛剛開始！

屬于航天的互聯網思維才剛剛開始！

屬于航天的大時代才剛剛開始！

總結

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