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以科学家思维造火箭
发布日期:2021-11-18 07:19    点击次数:134

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北京呼风唤雨文化传媒有限公司

NASA的TR-106项目,是由科学家提出来的。马斯克之所以能够做到频繁发射、低成本发射,其技术基础就是“灰背隼”型号发动机。

以科学家思维造火箭

文 | 宇宙人

火箭是科学与技术相结合的产物。但在具体实践中,科学与技术,以及由此生发的科学思维与技术思维,科学家与工程师,却在不同的层面对火箭的发展产生着巨大的甚至是决定性的影响。

长期以来,火箭发展一直面临着路线选择的纠结。例如,是为了成功率而选择保守路线,还是为了创新而不惜冒一定的风险?其实,如果转换视角,从一个科学家的角度去看待火箭,用科学思维去思考火箭,为科学的目标去研发火箭,不仅仅不会有这样的纠结,或许还会产生全新的认知。

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一、为什么要在火箭发展的历史转折点强调科学家的火箭?

商业航天的大发展,让运载火箭再次受到人们的高度关注。长期以来,火箭被全世界理所当然地视为昂贵的一次性用品,直到马斯克和猎鹰九号火箭的出现,让频繁发射和低价发射忽然有了新的希望,从而为火箭发展带来了具有颠覆意义的历史转折点。马斯克为什么能做到这些?除了商业创新和工程管理能力,技术上的基础就是“灰背隼”发动机。这个型号始于NASA的TR-106项目,正是由科学家提出来的。

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“灰背隼”发动机

01科学家与工程师:目标与手段的统一

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在中文语境中,“科学技术”常被当作一个整体词汇。其实如果深究语义,“科学”和“技术”是两个不同的概念。

中国工程院院士朱高峰在《论科学与技术的区别———建立创新型国家中的一个重要问题》中指出:

“科学是人类探索自然(后来也包括社会和人本身)寻求规律(真理)的过程和结果,其过程为科学研究活动,其结果为科学理论体系;而技术是人类为满足生活需要(由简单的衣食住行到后来复杂的社会需要)而改造自然的方法和手段,其方法即为技艺,其手段即为工具。原则上说,如冯·卡门所说的科学是探索已有的事物,技术是创造还没有的事物(大意),或者说科学追求的是发现,而技术追求的是发明。”

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虽然概念上截然不同,但在具体实践中,在同一个人的身上,可以同时存在科学家和工程师的思维。现代科学的创始人、意大利科学家伽利略就是一个典型代表。伽利略不但为现代科学的思想和研究方法奠定了基础,还亲自研发了科学仪器——望远镜。随着现代科学的发展,出现了“科学工程”的理念,需要集中科学家和工程师,为科学研究建造超级仪器,包括超级计算机、大型加速器、核反应堆,当然也包括火箭与卫星。

如果把火箭当作一种科学仪器,人们或许会对科学与技术的关系有另外一种视角。如果我们依然身处近代科学的时期,一个人同时充当科学家和工程师,自己为自己研制科学仪器,或许还是可以做到的。但是到了现代科学的语境下,需要把仪器发射到宇宙当中去寻求自然的真理,就不可能单打独斗。火箭研制的负责人还要身兼项目管理和经营者的角色,这就让科学与技术的彼此促进,让“知行合一”不再是个人修行范畴内的理念,要扩展到团队和企业。如何寻找产业实体的“知行合一”呢?

把工程实践与科学目标充分融合,在为科学服务的过程中,融入科学家的成果、思维方式,将会影响和推动工程师采用全新的方式来设计和试验自己的型号,在大大小小的方面寻求突破。最终取得科学与技术的双赢。

02工程师思维与科学家思维:山穷水尽时,柳暗花明处

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一般情况下,工程师会为了实现某个工程而努力。他们的基础,是当前具备技术基础,或者近期内可以实现的技术。但有的时候,技术的发展会跟不上人类的需求,包括政府层次上的需求和消费层次上的需求。在这种情况下,工程师思维往往无法彻底解决问题。

那么,该怎么办呢?

我们来看看“阿波罗计划”方案确定的过程,了解一下科学家思维如何影响了冯·布劳恩领导的工程师团队。

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冯·布劳恩,德国火箭专家,二十世纪航天事业的先驱之一,美国“阿波罗计划”的重要功臣。

很多人可能会注意到,嫦娥五号采用的轨道方案和50多年前登月的阿波罗11飞船几乎是一样的。按中国航天专家的说法,这在很大程度上是为了给载人登月做技术准备。阿波罗计划最终采用的是被称为“月球轨道对接”的方案,这是冯·布劳恩领衔设计的,唯有这种方案,才能确保只用一枚重型火箭,就能在比较短的时间内完成载人登月和返回过程。

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阿波罗计划流程示意

有趣的是,这种方案一开始并不在冯·布劳恩及团队的考虑中。当时有两种方案备选。一种是直接登月,就是把飞船直接着陆到月球上,再整体起飞返回地球;第二种是地球轨道对接,也就是先发射一个装满燃料的推进舱到地球轨道上,然后再发射月球飞船,两者在地球轨道上对接起来之后奔向月球,着陆完成科学考察后再整体起飞返回地球。

这两个方案都有一个缺陷——从月球上起飞的联合体重量太大、所需要的推力太大。土星五号虽然已经是一种超级火箭,它所能送进奔月轨道的质量,未必能够容纳这样重的联合体。

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划时代的火箭代表之一——土星五号

其实冯·布劳恩一开始比较倾向于地球轨道对接。但是在1961年下半年,一位叫做约翰·哈伯特的科学家在会议上指出了地球轨道对接方案的缺点,并且提出了月球轨道对接方案的想法。负责月球起飞方案的设计师法盖特当场就坐不住了,他指责哈伯特说:“他画的图是在扯谎!”

冯·布劳恩也在场,但是当时没有表态。因为从工程角度来说,月球轨道对接方案的飞船结构太复杂了,几乎每个模块都要设计独立的电源系统、姿态和轨道控制系统、热控制系统……等等。所以,哈伯特的方案被无视了。

随后,冯·布劳恩很快就认识到,哈伯特是对的。虽然这意味着整个设计工作的重心要从火箭转向飞船,但只有这样才能保证登月成功。于是,冯·布劳恩重新计算了整个系统架构和飞行过程,然后一次次说服NASA高层和政府高层。

1962年4月16日,在NASA的马歇尔飞行中心召开了一次冗长的会议,冯·布劳恩做了一场充分的讲解,说服了所有科学家和NASA高层,接受了月球轨道对接方案。6月7日的又一次高层会议中,冯·布劳恩再次强调,月球轨道对接方案只需要一枚火箭就可以完成整个登月活动,比地球轨道对接方案的成本更低、成功概率更高。于是,阿波罗方案就这样定下来了。

事实证明,冯·布劳恩是对的,无论直接返回方案还是地球轨道对接方案,所需要的大推力月球起飞技术一直没能突破。哈伯特作为科学家的思维,和冯·布劳恩作为工程师的实现,是阿波罗计划得以成功的一个关键要素。

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二、猎鹰九号:科学家催生的火箭

在很大程度上,这一轮商业航天热潮,并不是商人或者工程师发起的,而是NASA的科学家群体。没有他们对于科学目标的追求,以及对科研成果的分享,是不会催生出马斯克、贝索斯、太空探索技术公司和蓝色起源公司的。而且需要知道的是,马斯克的安身立命之本——也就是他的“灰背隼”发动机——其实来源于NASA科学家们的创意。

01为什么会有太空探索技术公司?

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NASA是一个科学家组成的群体,他们的目标,就是把各种各样的探测器——有人的和无人的——送到宇宙里去,执行探索、发现的任务。但是由于火箭本身并不是廉价易得的东西,相当多科学家只能苦苦等待发射的机会。怎么才能让火箭更便宜?让更多的科学实验能够进入轨道?

于是,NASA根据自己对火箭发动机内部燃烧和流体的理解,提出了所谓的针栓式引射器理念,可以通过一个比较简单的机构,把氧化剂和燃烧剂有效混合在一起,喷射到发动机燃烧室里。通过针栓的调节,可以实现不同的喷流形状和方向,当然也能控制流量。这省去了传统的复杂引射机构,还能实现更好的引射效果。

我们可以发现,NASA科学家们已经完成了用科学走向技术的第一步,剩下的事情,是需要一家制造企业来把它产品化。接到这个任务的是美国TRW公司,研制出了TR-106验证机。不过因为市场萎缩、竞标失利,TRW把自己卖给诺斯罗普-格鲁曼公司,从此江湖除名。TRW负责TR-106的副总裁汤姆·穆勒不愿意就此放弃自己的火箭生涯,几经辗转之后,他结识了马斯克。由此催生了太空探索技术公司和猎鹰九号火箭。

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巧合的是,本文发布前不久的2020年12月1日,汤姆斯·穆勒在推特中宣布,从SpaceX“光荣退休”,并感谢一起创造业界辉煌的马斯克

从某种程度上说,太空探索技术公司是NASA科学家们成果转移的产物。没有NASA的科学研究,也就不会有太空探索技术公司和马斯克的传奇。

其实,如果翻看NASA每年的研究项目,会发现非常多脑洞大开的研究。很多项目完成之后,就尘封在档案之中,等待着有缘人的发现。还有些项目并不能像TR-106/“灰背隼”发动机那样幸运,在实现的过程中被意外打断。例如NASA发明的TransHub充气式空间站,在尘封20多年之后,被旅馆业大亨比格罗发现和重视,成立了比格罗航天公司投入实际生产。然而新冠疫情导致美国旅馆业一落千丈,比格罗再也没有钱支撑自己的商业航天之梦。充气式空间站也只好黯然退场,等待下一个有识之士的投资了。

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太空冒险家、土豪比格罗(Robert Bigelow)和他的BEAM充气太空舱

02马斯克:有科学家灵魂的创业者

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NASA每年转让出去的科学和技术成果很多,但并不是每一项转移都能让一个企业发展壮大。马斯克能够得益于NASA科学家们的成果,并不是没有原因的。在很大程度上,马斯克本人也是一个有科学家思维的人。

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按照朱高峰院士的说法:“科学的目的是探索客观世界的各种事物,寻求其规律。因此,人们从事科学活动的基本动力是人类探索真理的欲望”。

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我们可以发现,马斯克也不仅仅是为了满足NASA的科学工程需求而创办公司、研发火箭,在很多方面,马斯克甚至比NASA走得更远。是马斯克让“多星球种族”这个理念深入人心,他为之设想的火星城市已经远远超过了NASA最大胆的计划。在这个过程中,马斯克很少像通常的火箭设计师那样,讨论运力、运载比等参数,他的重点放在新的火箭能够做些什么,能够如何改变人们认识宇宙和利用宇宙的方式。特别是至今还在研制中的“星船”超级火箭。

如果不是具备一定科学家思维方式的人,是不会梦想这种超出用户需求的“科学仪器”的。

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三、中国的火箭产业呼唤科学家思维01工程师思维的火箭之路已面临天花板

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工程师思维,是根据现有的科学理论、科学发现与技术成果,构建实用化的方案来解决实际问题。有些场景下,人们会过渡局限于“现有”这两个字。这就会给工程实践带来很大的局限性。这个问题在中国和外国都广泛存在。

最典型的案例,就是俄罗斯的“联盟”火箭,这种成熟可靠、发射了数百名宇航员的火箭,其基本设计居然可以追溯到第二次世界大战时期冯·布劳恩为V-2导弹提出的设计方案。这是因为,主持“联盟”火箭的科罗廖夫虽然一直被人们当作航天科学家来定位,实际上他的思维更偏向于工程师。

当然,当苏联的月球计划启动之后,科罗廖夫也发现过去的保守方案不可能满足科学目标,因此尝试着提出了N-1超级火箭。但心脏病带走了这位天才工程师,也带走了他突破自己的机会。

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科罗缪夫领导研发了第一个洲际弹道导弹R-7,此后R-7不断被改进衍生出多型运载火箭,包括联盟。第一颗人造卫星、第一次将人类送入太空、第一次太空行走……苏联航天事业一个又一个巅峰,都是依靠科罗廖夫和他的R-7系列火箭得以实现的。(图为科罗缪夫和加加林)

苏联的另外一种火箭,却是被科学家所挽救的。和科罗廖夫“宫斗”了半辈子的苏联天才火箭设计师切洛梅同样有志于月球探索。他利用自己和赫鲁晓夫的良好私人关系,强行启动了“质子”火箭的研制。相比于“联盟”,这是个完全颠覆性的型号,真正摆脱了V-2导弹的桎梏。但是当赫鲁晓夫下台之后,极其厌恶切洛梅的苏共中央部分领导人打算立刻把“质子”下马。这时候站出来维护“质子”的,是苏联科学院院长克尔德什院士。他认为,一种可靠的大推力运载火箭对科学探测活动是必要的。克尔德什在国际科学界有崇高声誉,对苏共中央也有着很大的影响力。于是,切洛梅的设计局和他的“质子”火箭被保下来了。

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俄罗斯质子-M火箭

克尔德什的举措有着深远的影响力。“质子”成了苏联后期乃至俄罗斯唯一可以频繁飞行的业务化重型运载火箭。当俄罗斯开始承揽国际发射服务业务的时候,唱主角的也是“质子”。在马斯克的猎鹰九号出现之前,“质子”占据了国际大型商业通信卫星发射市场的大多数份额,今天依然是猎鹰九号最有力的竞争对手。

缺乏科学家的思维,往往会让工程部门在火箭研制上不能够积极地采用更先进、更具有颠覆性的技术。哪怕是一些在国外火箭上已经比较成熟的技术,如果客户和相关管理部门严格要求保成功,那么这些技术的开发和采用也是步履艰难的。例如,我们有时候会从国有火箭研制单位的新闻宣传中看到一些技术进展,然而,相关技术在从事消费产品制造和大众服务的企业当中,早已经是成熟和广泛应用的。传统火箭研制单位到了2021年的今天,刚刚掌握甚至尚未掌握类似的技术和管理手段,不得不说是严重落后了。由此带来的结果自然是火箭型号在技术上的不足。

02更多地让科学家思维发挥作用

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这样的落后,一定程度上是受到市场的影响。考虑到航天产品价值高、风险大,用户往往不敢冒着风险去尝试新技术,特别是那些颠覆性的技术。这并不是不合理的想法,长征五号第二次飞行的失败,就证明了颠覆性技术的风险确实非常高。因此,想要快速、有效突破,就必须找到一个风险容忍度更高、更倾向于采用颠覆性技术的群体。这就是科学家。

科学家生活在一个探索未知、探究本质的世界里,和工程师“合理够用”的逻辑有着显著的不同。因此,当工程师思维无法在某个领域形成颠覆的时候,就需要引入科学家的思维,用科学工程来引导技术突破。科学工程的需求,可以对火箭这样的大科学仪器产生“推”和“拉”两种效果。对科学探测的需求,推动着科学仪器去超越极限,正如长征三号向长征五号的跨越;科学理论的成果也可以直接指导突破性的科学仪器建造,例如相对论创立之后推动了核反应堆的建设。

传统火箭的诸多落后,要靠科学家思维来创新和颠覆。能够承担这种历史性责任的,绝不仅仅是某个学科领域内的学术权威,而是要超脱自己的专业,进入科学战略乃至人类文明前瞻的境界。正如齐奥尔科夫斯基、钱学森这样的人所起到的作用。

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四、率先突破的地方会是哪里?01中科院:科学家的大本营,科学思维的策源地

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在中国,科学家的大本营就是中国科学院,它也是科学思维的策源地。这个世界知名的科研机构下设大量不同专业的研究所,不但在国内科学领域扮演着头等主力的角色,在世界上也引领着很多领域的科学进步。

这一点,对航天和火箭事业也是适用的。几十年来,中科院不但为火箭和航天事业贡献了大量科学成果,还成建制地贡献了一大批航天科研单位。如今活跃在航天工业当中的很多研究所、制造厂,都是从中科院直接分离出来的。

中科院各个研究单位当中,与火箭事业渊源最深的,当属钱学森先生亲手创办的力学研究所。这家研究所的定位是“坚持工程科学思想,聚焦制约国家重大任务的关键共性技术和核心科学问题,推动力学与相关学科的深度交叉,实现原始创新、系统集成、平台建设和人才培养的有机结合,建设国际一流、科教融合的工程科学研究基地。”

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1959年,钱学森在中国科学院筹建了力学研究所

我们可以注意到其中的一个词汇“工程科学”。这意味着力学所不仅仅是为理论研究而存在,更是为了应用研究。实际上,这也正是钱老在1958年就确定的力学所研究方向“上天、入地、下海为工农业生产服务”。

在建立以来的60多年中,力学所为两弹一星和载人航天工程做出了重要的贡献。特别是在东方红一号卫星任务中,力学所的科学家团队起到了决定性的作用。进入21世纪之后,力学所持续在宇航领域取得重要成果,包括“力星一号”、“太极计划”等科学项目取得了世界领先成果。2019年,中科院筹组空天飞行科技中心,机构挂靠在力学所,为力学所和航天、火箭之间建立了更加紧密的关系。2019年9月,空天飞行科技中心完成了当时国内最大整体装药220吨推力固体发动机与大功率伺服机构联合试车,目前还完成了3D打印先进小型液体发动机的总体设计和小比例发动机热试车工作。

02中科宇航的尝试:以科学家思维造火箭

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那么,力学所会成为下一个体制内的火箭研制单位吗?不,他们不想。力学所秉承了中科院的一贯原则,致力于推动科学服务于应用。当一批工程科学的研究成果具有了实用化、产品化、商业化的条件,就会启动另外一种机制:创业。这就有了北京中科宇航探索技术有限公司(简称“中科宇航”)。

按照中科宇航董事长杨毅强的说法,力学所和空天飞行科技中心并不打算追求火箭型号的国家立项。实际上,在中心成立之初,内部就对于机构定位展开了一场讨论——这个中心定位在中科院模式的研究院,还是中国航天传统模式的设计院?讨论的结果,是跳出传统的桎梏,做一个跨界机构,在技术科学和工程科学之间实现突破,引领学科与行业的发展。这样的模式,在一个科学为引领的环境下更容易实现,在传统军工的环境下,却是船大难掉头。而科学突破向应用领域的桥梁,由中科宇航来承担。

就像NASA“催生了”马斯克;而我们,也期待着中国科学家的大本营中科院,也调度力量,“催生出”中国的大火箭公司。据了解,中国科学院对中科宇航的期望和要求,也不是产值或者政绩,而是“三性”:创新性、先进性、经济性。最受重视的是,能不能促进行业的发展与升级,如果做不到,这个机构的存在就失去了意义。中科宇航也因此而确立了自己的宗旨:创新、成功。把创新放在成功之前,而不是传统航天的“保成功”,也解释了中科宇航在商业航天发展的未来中,包括未来自己的历史作用和定位。

在“创新”、“成功”的思想指导下,中科宇航大胆尝试了一些传统航天不曾进入型号研制的创新思路,包括球形发动机、级间冷分离、箭上无线网、整箭航电系统等等。在中科宇航公布的火箭型谱中,人们已经能看到上述思路的部分实践。其中,作为公司的首个型号,中科一号甲(ZK-1A)火箭将于2021年首飞,开启验证系列新技术的大幕,2021年的商业航天也因此而让我们充满期待。

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ZK-1A固体运载火箭示意图及相关参数

03科学家思维造火箭的带动作用

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在世界范围内,火箭科学的创新正在持续进行,包括大量采用3D打印的“电子”号,也包括用不锈钢在露天建造的“星船”。这些创新不但是为了满足商业市场的迫切需求,也是为了满足全球科学界对于科学探索和研究的需要。因此可以说,火箭创新在很大程度上是科学家推动和实现的。在空间探索和载人探索的大背景下,科学家能为火箭做的事情会更多。

而火箭产业将迎来自己的新时代,一个颠覆过往、迈向大航天时代的机遇。就像冯·布劳恩为载人登月而主持土星五号的研制,为人类打开了全新的、关于宇宙科学的视野。我们的火箭科学和火箭产业,同样需要一群具有战略思维的科学家来推动和主持。他们不但需要对于科学研究本身具有责任感和突破能力,更要对学科乃至国家命运、人类文明的前途有着先行的勇气。

这一切,或许将从一枚与众不同的火箭开始。

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中科宇航发布的主题海报

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