95%的材料浪费能想象么？火箭外壳加工的时候，通常情况下有高达 95% 的材料在加工中浪费了。南非人埃隆·马斯克觉得这太不可思议了，他要求大幅改进工艺，并将其应用到了Model Y的制造上。
1. 惊人的浪费
在将航天工程推向极限的过程中，马一龙同志并不满足于采用一些业内通用多年的做法，而是对其进行了大刀阔斧或者异想天开的改革，让它在功能不变的情况下，变得既便宜又易于翻新。比如说火箭箭体的处理上，就把这个想法用到了极致。
上面这种等网格结构，在许多运载火箭和卫星的壳体设计中经常会见到。我们知道，火箭的轻量化决定了其运载能力，是研发新型火箭时必不可少的一环。在早期的火箭研发中，为了让火箭足够轻，会把火箭死重中的圆柱形外壳做得很薄，就像一个可乐铝罐，一不小心就会被压扁（壳体屈曲应力不足）。比如下面这枚阿特拉斯火箭，壳过薄了导致其在自身重量下倒塌了。
那怎么才能在保证强度的同时减轻火箭质量呢？上世纪太空竞赛的那个年代，有限的技术和制造水平，加上没有高效的计算机的加持，只能先通过增加大量不必要的重量来换发射的稳定性。 [1]
后来通过不断的实践，终于摸索出了『等网格』这种能提高材料的强度与重量比（比强度）的消减质量方法，让火箭变得比以前更轻。这突然让我联想到了英格兰古老的莱斯特城中的一处15世纪建筑里的拱顶：
（好想再引申写一下哥特。。算了，此处省略一万字）
理论上NC铣床可以把铝板变薄到只有1毫米 [2] 。联合发射联盟（SpaceX的竞争对手之一）的两员主将：宇宙神和三角洲火箭就是采用的这种等格设计。
具体怎么实现的呢？说来也简单，就是在圆柱型的金属厚内壁上，打磨出一个挨一个的几英寸边长的三角形。最早是人工一个个铣出来（人工费相当贵），现在一般用数控机床。
每个三角形虽小，但数以万计的三角形网格，就会明显消减火箭的重量的同时，还能最低限度的保证火箭结构稳定。它能够承受惊人的压缩和弯曲载荷，但是缺点也很明显，那就是制造成本非常昂贵。磨掉金属废料的质量相当惊人，最高能占到原金属质量的95%，这个工序即耗时，又耗钱。
火箭最初因为是为了保家卫国而设计的（宇宙神和三角洲火箭都是发射核导弹起家的），要求是如此之高，以至于在设计标准中，成本并不是最优先考虑的一项。无论加工多么困难和昂贵，只要能够完成任务，就可能会被选中。然而，随着太空商业化的推进和每年发射次数的增长，私人公司的火箭发射不得不考虑成本问题。因此，第一性原理思想指导下的SpaceX公司，并没有延续使用这种典型的等网格结构，而是使用另外一种技术来达到类似的效果。嗯，商人连材料加工的剩余价值都要榨干。
2.从减法到加法
第一性原理告诉我们，要看透事物的本质， 回归到事物本源去思考解决方案 。
「 我们绝大多数时候都是类推地思考问题，也就是模仿别人做的事情并加以微幅更改。但当你想要做一些新的东西时，必须要运用第一性原理来思考 。」---马一龙在加强火箭壁比强度这件事上，为什么不直接把网状结构直接做出来然后焊在壳上呢？
因为传统的焊接技术达不到要求。就拿氩弧焊来说，不论是引弧的电流过大引发的烧穿、还是焊接导致的膨胀收缩变形、氧化等缺陷，都无法在极薄材料上满足机械性能要求。其它技术比如电子束焊技术倒是完全可以做到，焊接变形小，精确度也更高，但要求在真空环境作业，成本也是下不来。
马一龙最终采用的是 搅拌摩擦焊接技术（ 这个技术是波音公司最早应用在火箭制造领域的）。从2008年猎鹰9号（世界上第一个全面应用高强2195铝锂合金的火箭）第一级贮箱箱体焊接开始，SpaceX就一直在一断使用并改进这个工艺。这是一种革命性的新技术。简单的说，就是用一个高速旋转的搅拌头使劲压在待焊截缝上，通过大力出神奇让两块材料像黄油一样挤压搅拌到一起，形成致密的你中有我、我中有你的固相连接。这种方法材料及能源耗费更少，成本效益更高，材料可以更薄（小于1 mm） [3] ，更重要的是，焊接过程既不需要气体保护，也不会产生有毒气体，因此对工人和环境都更安全(不过以后是不是用机器人就不好说了)。除此之外，速度快、易于自动化、还能焊接不同材料（例如塑料与合金），焊缝更牢、更滑、更轻量，抗疲劳性和抗拉强度更高，制成的贮箱扭曲变形更小 [4] ，焊后材料性能可与未焊材料性能相媲美 [5] 。优点简直多多的，连密封核废料时都会用到它。
这种加工方法的改进，可以让加工效率提高一倍，而成本会降低一半。
马一龙认识到， 搅拌摩擦焊 这个技术省时高效相当完美，更少的零件和更少的组装时间意味着更低的成本。本着物尽其用的原则，已经给Model Y配上了。对于一体化车身的Model Y来说，这个技术可以维持车体铝件的强度，确保各部件结合处的可靠性的同时，零部件也不会因为焊接而变脆，没有火花星，也没有难闻又有毒的气味 [6] 。另外，焊接时部件的非焊接部分不会承受不必要的应力，对焊缝造成的残余应力也小于标准的熔焊，从而可以延长其寿命，提升电动车热管理的有效性 [7] 。
3.管中窥豹
上面讲到的工艺只是火箭制造控制成本的很小的一个细节，很多大厂都在用，并不是马一龙一家独享的技术。但千千万万个微创新合在一起，就能从量变到质变，大幅降低成本。比如猎鹰9号火箭底部的九个发动机阵列载荷架，之前都是用焊接工艺，现在反而全改成用螺栓连接，因为这样可以让翻新变得更容易、更快，变相的降低了再利用的成本。
另外就是大家都知道的关于不锈钢的使用。以前用碳纤维复合材料时，原材料成本大概是每千克135美元，废品率约35%，最终部件的实际材料成本为每千克200美元左右。SpaceX的理想是让发射火箭和开飞机一样便宜，太贵的材料是不行的，那就直接用不锈钢吧，虽然密度高，但导热系数只有传统铝锂合金的四分之一（有利于低温燃料的保温，将箱体结构和隔热板部件集成化），降落火星时还能降低对热屏蔽的要求，最关键的是采购价仅为每公斤3美元，成本降低了近两个数量级。
再说一个大家都不敢相信的。如果你有机会去加州霍桑的SpaceX工厂参观，记得去总部一楼的咖啡馆点杯咖啡，然后看一下就在旁边的助推器组装大厅。如果正好是在组装燃料箱的话，你有机会能看到有工人在用研磨机粗糙地打磨燃料箱罐体外表面，磨完的表面相当丑陋和不高科技。和业内普遍都打磨火箭外壳相比，打磨燃料箱成本更低，耗时更短，也就是用更少的投入获得更大的回报，典型的商人思维。
但想要真正的大幅成本缩减，必须将火箭发射商业化，也就是走飞机运营的路：没有谁会坐一架飞机从纽约飞到上海后把飞机扔到海里的。火箭、太空舱、整流罩的重复利用,可以省掉火箭发射最花钱的部分———制造。猎鹰9号的最终目标是将发射成本从每公斤5000美元降到每公斤200美元（请自行代入体重）。猎鹰9号将来的每次发射费用也就几百万美元（现在是6000万美元），也就是上海市区几套房子的价格罢了。因为火箭和相关硬件占了成本中的绝大部分，燃料成本只有20万美元（其它还有检查和翻新所需的时间成本）。
4.理念
和苏联人「能用就凑合用到底」的航天理念不同，SpaceX遵循着「不断寻找更好的替代方案」的理念，如果一个改进方案能提供更卓越可靠的性能、或者更低的成本，马一龙会毫不犹豫地实施彻底的设计升级。他并不把火箭发射当成科研项目来看，而是一门生意，所以工厂注重的是批量生产，而不是生产最高精尖的设备。所有的东西足够好用，但是绝对不会超过这个标准（相信如果你开过特斯拉的Model 3，你就更理解我在说什么了）。
与其说SpaceX是下一个苹果，不如说它更像17世纪的东印度贸易公司。
完美不是它的代名词，资本回报才是。
一更
有人问如何将格栅网状的金属通过搅拌摩擦焊技术焊到壳体上？上面那个演示只有平面连接嘛。
嗯，准确的说，这是商业机密，因为spaceX在TWI公司（发明搅拌摩擦焊的公司）技术基础上，开发了一套自己的技术。但如果你有机会去到工厂现场参观的话，你会发现基本的实现原理还是TWI初始的那一套。我截了一个内部宣传视频，看一下就明白了。
不过SpaceX用搅拌摩擦焊最多的，还是用在大铝罐子上的，那个就相对容易多了。
另外，再多说一点，关于「加法」的概念。仔细看下面这个DED直接能量沉积成形视频，也许你对等格加工中的「加法」会有新的认识。
客官，都看到这儿了，点我头像加个关注呗！ 我保证会写很多无用的知识给你看的！
参考
- ^http://www.nasa.gov/topics/technology/features/buckling2.html
- ^https://archive.is/saWnK#
- ^ M. Ashby, 「Material and process charts」, The CES EduPack Resource Booklet 2, Cambridge University, Granta Design, 2010.
- ^ T. D. Kim, 「Fabrication and testing of composite isogrid stiffened cylinder」, Composite Structures, Vol. 45(1), p. 1 – 6, 1999.
- ^https://www.energy.gov/sites/prod/files/2015/11/f27/Friction stir additive manufacturing-DOE-AMM-9-29-15.pdf
- ^https://www.comsol.com/blogs/examining-heat-transfer-in-a-friction-stir-welding-process/
- ^http://www.teslarati.com
