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以科學家思維造火箭


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NASA的TR-106項目,是由科學家提出來的。馬斯克之所以能夠做到頻繁發射、低成本發射,其技術基礎就是“灰背隼”型号發動機。


以科學家思維造火箭

文 | 宇宙人

火箭是科學與技術相結合的産物。但在具體實踐中,科學與技術,以及由此生發的科學思維與技術思維,科學家與工程師,卻在不同的層面對火箭的發展産生着巨大的甚至是決定性的影響。

長期以來,火箭發展一直面臨着路線選擇的糾結。例如,是為了成功率而選擇保守路線,還是為了創新而不惜冒一定的風險?其實,如果轉換視角,從一個科學家的角度去看待火箭,用科學思維去思考火箭,為科學的目标去研發火箭,不僅僅不會有這樣的糾結,或許還會産生全新的認知。

一、為什麼要在火箭發展的曆史轉折點強調科學家的火箭?

商業航天的大發展,讓運載火箭再次受到人們的高度關注。長期以來,火箭被全世界理所當然地視為昂貴的一次性用品,直到馬斯克和獵鷹九号火箭的出現,讓頻繁發射和低價發射忽然有了新的希望,從而為火箭發展帶來了具有颠覆意義的曆史轉折點。馬斯克為什麼能做到這些?除了商業創新和工程管理能力,技術上的基礎就是“灰背隼”發動機。這個型号始于NASA的TR-106項目,正是由科學家提出來的。

“灰背隼”發動機

0 1 科學家與工程師:目标與手段的統一

在中文語境中,“科學技術”常被當作一個整體詞彙。其實如果深究語義,“科學”和“技術”是兩個不同的概念。

中國工程院院士朱高峰在《論科學與技術的區别———建立創新型國家中的一個重要問題》中指出:

“科學是人類探索自然(後來也包括社會和人本身)尋求規律(真理)的過程和結果,其過程為科學研究活動,其結果為科學理論體系;而技術是人類為滿足生活需要(由簡單的衣食住行到後來複雜的社會需要)而改造自然的方法和手段,其方法即為技藝,其手段即為工具。原則上說,如馮·卡門所說的科學是探索已有的事物,技術是創造還沒有的事物(大意),或者說科學追求的是發現,而技術追求的是發明。”

雖然概念上截然不同,但在具體實踐中,在同一個人的身上,可以同時存在科學家和工程師的思維。現代科學的創始人、意大利科學家伽利略就是一個典型代表。伽利略不但為現代科學的思想和研究方法奠定了基礎,還親自研發了科學儀器——望遠鏡。随着現代科學的發展,出現了“科學工程”的理念,需要集中科學家和工程師,為科學研究建造超級儀器,包括超級計算機、大型加速器、核反應堆,當然也包括火箭與衛星。

如果把火箭當作一種科學儀器,人們或許會對科學與技術的關系有另外一種視角。如果我們依然身處近代科學的時期,一個人同時充當科學家和工程師,自己為自己研制科學儀器,或許還是可以做到的。但是到了現代科學的語境下,需要把儀器發射到宇宙當中去尋求自然的真理,就不可能單打獨鬥。火箭研制的負責人還要身兼項目管理和經營者的角色,這就讓科學與技術的彼此促進,讓“知行合一”不再是個人修行範疇内的理念,要擴展到團隊和企業。如何尋找産業實體的“知行合一”呢?

把工程實踐與科學目标充分融合,在為科學服務的過程中,融入科學家的成果、思維方式,将會影響和推動工程師采用全新的方式來設計和試驗自己的型号,在大大小小的方面尋求突破。最終取得科學與技術的雙赢。


0 2 工程師思維與科學家思維:山窮水盡時,柳暗花明處

一般情況下,工程師會為了實現某個工程而努力。他們的基礎,是當前具備技術基礎,或者近期内可以實現的技術。但有的時候,技術的發展會跟不上人類的需求,包括政府層次上的需求和消費層次上的需求。在這種情況下,工程師思維往往無法徹底解決問題。

那麼,該怎麼辦呢?

我們來看看“阿波羅計劃”方案确定的過程,了解一下科學家思維如何影響了馮·布勞恩領導的工程師團隊。

馮·布勞恩,德國火箭專家,二十世紀航天事業的先驅之一,美國“阿波羅計劃”的重要功臣。

很多人可能會注意到,嫦娥五号采用的軌道方案和50多年前登月的阿波羅11飛船幾乎是一樣的。按中國航天專家的說法,這在很大程度上是為了給載人登月做技術準備。阿波羅計劃最終采用的是被稱為“月球軌道對接”的方案,這是馮·布勞恩領銜設計的,唯有這種方案,才能确保隻用一枚重型火箭,就能在比較短的時間内完成載人登月和返回過程。

阿波羅計劃流程示意

有趣的是,這種方案一開始并不在馮·布勞恩及團隊的考慮中。當時有兩種方案備選。一種是直接登月,就是把飛船直接着陸到月球上,再整體起飛返回地球;第二種是地球軌道對接,也就是先發射一個裝滿燃料的推進艙到地球軌道上,然後再發射月球飛船,兩者在地球軌道上對接起來之後奔向月球,着陸完成科學考察後再整體起飛返回地球。

這兩個方案都有一個缺陷——從月球上起飛的聯合體重量太大、所需要的推力太大。土星五号雖然已經是一種超級火箭,它所能送進奔月軌道的質量,未必能夠容納這樣重的聯合體。

劃時代的火箭代表之一——土星五号

其實馮·布勞恩一開始比較傾向于地球軌道對接。但是在1961年下半年,一位叫做約翰·哈伯特的科學家在會議上指出了地球軌道對接方案的缺點,并且提出了月球軌道對接方案的想法。負責月球起飛方案的設計師法蓋特當場就坐不住了,他指責哈伯特說:“他畫的圖是在扯謊!”

馮·布勞恩也在場,但是當時沒有表态。因為從工程角度來說,月球軌道對接方案的飛船結構太複雜了,幾乎每個模塊都要設計獨立的電源系統、姿态和軌道控制系統、熱控制系統……等等。所以,哈伯特的方案被無視了。

随後,馮·布勞恩很快就認識到,哈伯特是對的。雖然這意味着整個設計工作的重心要從火箭轉向飛船,但隻有這樣才能保證登月成功。于是,馮·布勞恩重新計算了整個系統架構和飛行過程,然後一次次說服NASA高層和政府高層。

1962年4月16日,在NASA的馬歇爾飛行中心召開了一次冗長的會議,馮·布勞恩做了一場充分的講解,說服了所有科學家和NASA高層,接受了月球軌道對接方案。6月7日的又一次高層會議中,馮·布勞恩再次強調,月球軌道對接方案隻需要一枚火箭就可以完成整個登月活動,比地球軌道對接方案的成本更低、成功概率更高。于是,阿波羅方案就這樣定下來了。

事實證明,馮·布勞恩是對的,無論直接返回方案還是地球軌道對接方案,所需要的大推力月球起飛技術一直沒能突破。哈伯特作為科學家的思維,和馮·布勞恩作為工程師的實現,是阿波羅計劃得以成功的一個關鍵要素。

二、獵鷹九号:科學家催生的火箭

在很大程度上,這一輪商業航天熱潮,并不是商人或者工程師發起的,而是NASA的科學家群體。沒有他們對于科學目标的追求,以及對科研成果的分享,是不會催生出馬斯克、貝索斯、太空探索技術公司和藍色起源公司的。而且需要知道的是,馬斯克的安身立命之本——也就是他的“灰背隼”發動機——其實來源于NASA科學家們的創意。

0 1 為什麼會有太空探索技術公司?

NASA是一個科學家組成的群體,他們的目标,就是把各種各樣的探測器——有人的和無人的——送到宇宙裡去,執行探索、發現的任務。但是由于火箭本身并不是廉價易得的東西,相當多科學家隻能苦苦等待發射的機會。怎麼才能讓火箭更便宜?讓更多的科學實驗能夠進入軌道?

于是,NASA根據自己對火箭發動機内部燃燒和流體的理解,提出了所謂的針栓式引射器理念,可以通過一個比較簡單的機構,把氧化劑和燃燒劑有效混合在一起,噴射到發動機燃燒室裡。通過針栓的調節,可以實現不同的噴流形狀和方向,當然也能控制流量。這省去了傳統的複雜引射機構,還能實現更好的引射效果。

我們可以發現,NASA科學家們已經完成了用科學走向技術的第一步,剩下的事情,是需要一家制造企業來把它産品化。接到這個任務的是美國TRW公司,研制出了TR-106驗證機。不過因為市場萎縮、競标失利,TRW把自己賣給諾斯羅普-格魯曼公司,從此江湖除名。TRW負責TR-106的副總裁湯姆·穆勒不願意就此放棄自己的火箭生涯,幾經輾轉之後,他結識了馬斯克。由此催生了太空探索技術公司和獵鷹九号火箭。

巧合的是,本文發布前不久的2020年12月1日,湯姆斯·穆勒在推特中宣布,從SpaceX“光榮退休”,并感謝一起創造業界輝煌的馬斯克

從某種程度上說,太空探索技術公司是NASA科學家們成果轉移的産物。沒有NASA的科學研究,也就不會有太空探索技術公司和馬斯克的傳奇。

其實,如果翻看NASA每年的研究項目,會發現非常多腦洞大開的研究。很多項目完成之後,就塵封在檔案之中,等待着有緣人的發現。還有些項目并不能像TR-106/“灰背隼”發動機那樣幸運,在實現的過程中被意外打斷。例如NASA發明的TransHub充氣式空間站,在塵封20多年之後,被旅館業大亨比格羅發現和重視,成立了比格羅航天公司投入實際生産。然而新冠疫情導緻美國旅館業一落千丈,比格羅再也沒有錢支撐自己的商業航天之夢。充氣式空間站也隻好黯然退場,等待下一個有識之士的投資了。

太空冒險家、土豪比格羅(Robert Bigelow)和他的BEAM充氣太空艙

0 2 馬斯克:有科學家靈魂的創業者

NASA每年轉讓出去的科學和技術成果很多,但并不是每一項轉移都能讓一個企業發展壯大。馬斯克能夠得益于NASA科學家們的成果,并不是沒有原因的。在很大程度上,馬斯克本人也是一個有科學家思維的人。

按照朱高峰院士的說法:“科學的目的是探索客觀世界的各種事物,尋求其規律。因此,人們從事科學活動的基本動力是人類探索真理的欲望”。

我們可以發現,馬斯克也不僅僅是為了滿足NASA的科學工程需求而創辦公司、研發火箭,在很多方面,馬斯克甚至比NASA走得更遠。是馬斯克讓“多星球種族”這個理念深入人心,他為之設想的火星城市已經遠遠超過了NASA最大膽的計劃。在這個過程中,馬斯克很少像通常的火箭設計師那樣,讨論運力、運載比等參數,他的重點放在新的火箭能夠做些什麼,能夠如何改變人們認識宇宙和利用宇宙的方式。特别是至今還在研制中的“星船”超級火箭。

如果不是具備一定科學家思維方式的人,是不會夢想這種超出用戶需求的“科學儀器”的。

三、中國的火箭産業呼喚科學家思維
0 1 工程師思維的火箭之路已面臨天花闆

工程師思維,是根據現有的科學理論、科學發現與技術成果,構建實用化的方案來解決實際問題。有些場景下,人們會過渡局限于“現有”這兩個字。這就會給工程實踐帶來很大的局限性。這個問題在中國和外國都廣泛存在。

最典型的案例,就是俄羅斯的“聯盟”火箭,這種成熟可靠、發射了數百名宇航員的火箭,其基本設計居然可以追溯到第二次世界大戰時期馮·布勞恩為V-2導彈提出的設計方案。這是因為,主持“聯盟”火箭的科羅廖夫雖然一直被人們當作航天科學家來定位,實際上他的思維更偏向于工程師。

當然,當蘇聯的月球計劃啟動之後,科羅廖夫也發現過去的保守方案不可能滿足科學目标,因此嘗試着提出了N-1超級火箭。但心髒病帶走了這位天才工程師,也帶走了他突破自己的機會。

科羅缪夫領導研發了第一個洲際彈道導彈R-7,此後R-7不斷被改進衍生出多型運載火箭,包括聯盟。第一顆人造衛星、第一次将人類送入太空、第一次太空行走……蘇聯航天事業一個又一個巅峰,都是依靠科羅廖夫和他的R-7系列火箭得以實現的。(圖為科羅缪夫和加加林)

蘇聯的另外一種火箭,卻是被科學家所挽救的。和科羅廖夫“宮鬥”了半輩子的蘇聯天才火箭設計師切洛梅同樣有志于月球探索。他利用自己和赫魯曉夫的良好私人關系,強行啟動了“質子”火箭的研制。相比于“聯盟”,這是個完全颠覆性的型号,真正擺脫了V-2導彈的桎梏。但是當赫魯曉夫下台之後,極其厭惡切洛梅的蘇共中央部分領導人打算立刻把“質子”下馬。這時候站出來維護“質子”的,是蘇聯科學院院長克爾德什院士。他認為,一種可靠的大推力運載火箭對科學探測活動是必要的。克爾德什在國際科學界有崇高聲譽,對蘇共中央也有着很大的影響力。于是,切洛梅的設計局和他的“質子”火箭被保下來了。

俄羅斯質子-M火箭

克爾德什的舉措有着深遠的影響力。“質子”成了蘇聯後期乃至俄羅斯唯一可以頻繁飛行的業務化重型運載火箭。當俄羅斯開始承攬國際發射服務業務的時候,唱主角的也是“質子”。在馬斯克的獵鷹九号出現之前,“質子”占據了國際大型商業通信衛星發射市場的大多數份額,今天依然是獵鷹九号最有力的競争對手。

缺乏科學家的思維,往往會讓工程部門在火箭研制上不能夠積極地采用更先進、更具有颠覆性的技術。哪怕是一些在國外火箭上已經比較成熟的技術,如果客戶和相關管理部門嚴格要求保成功,那麼這些技術的開發和采用也是步履艱難的。例如,我們有時候會從國有火箭研制單位的新聞宣傳中看到一些技術進展,然而,相關技術在從事消費産品制造和大衆服務的企業當中,早已經是成熟和廣泛應用的。傳統火箭研制單位到了2021年的今天,剛剛掌握甚至尚未掌握類似的技術和管理手段,不得不說是嚴重落後了。由此帶來的結果自然是火箭型号在技術上的不足。

0 2 更多地讓科學家思維發揮作用

這樣的落後,一定程度上是受到市場的影響。考慮到航天産品價值高、風險大,用戶往往不敢冒着風險去嘗試新技術,特别是那些颠覆性的技術。這并不是不合理的想法,長征五号第二次飛行的失敗,就證明了颠覆性技術的風險确實非常高。因此,想要快速、有效突破,就必須找到一個風險容忍度更高、更傾向于采用颠覆性技術的群體。這就是科學家。

科學家生活在一個探索未知、探究本質的世界裡,和工程師“合理夠用”的邏輯有着顯著的不同。因此,當工程師思維無法在某個領域形成颠覆的時候,就需要引入科學家的思維,用科學工程來引導技術突破。科學工程的需求,可以對火箭這樣的大科學儀器産生“推”和“拉”兩種效果。對科學探測的需求,推動着科學儀器去超越極限,正如長征三号向長征五号的跨越;科學理論的成果也可以直接指導突破性的科學儀器建造,例如相對論創立之後推動了核反應堆的建設。

傳統火箭的諸多落後,要靠科學家思維來創新和颠覆。能夠承擔這種曆史性責任的,絕不僅僅是某個學科領域内的學術權威,而是要超脫自己的專業,進入科學戰略乃至人類文明前瞻的境界。正如齊奧爾科夫斯基、錢學森這樣的人所起到的作用。

四、率先突破的地方會是哪裡?
0 1 中科院:科學家的大本營,科學思維的策源地

在中國,科學家的大本營就是中國科學院,它也是科學思維的策源地。這個世界知名的科研機構下設大量不同專業的研究所,不但在國内科學領域扮演着頭等主力的角色,在世界上也引領着很多領域的科學進步。

這一點,對航天和火箭事業也是适用的。幾十年來,中科院不但為火箭和航天事業貢獻了大量科學成果,還成建制地貢獻了一大批航天科研單位。如今活躍在航天工業當中的很多研究所、制造廠,都是從中科院直接分離出來的。

中科院各個研究單位當中,與火箭事業淵源最深的,當屬錢學森先生親手創辦的力學研究所。這家研究所的定位是“堅持工程科學思想,聚焦制約國家重大任務的關鍵共性技術和核心科學問題,推動力學與相關學科的深度交叉,實現原始創新、系統集成、平台建設和人才培養的有機結合,建設國際一流、科教融合的工程科學研究基地。”

1959年,錢學森在中國科學院籌建了力學研究所

我們可以注意到其中的一個詞彙“工程科學”。這意味着力學所不僅僅是為理論研究而存在,更是為了應用研究。實際上,這也正是錢老在1958年就确定的力學所研究方向“上天、入地、下海為工農業生産服務”。

在建立以來的60多年中,力學所為兩彈一星和載人航天工程做出了重要的貢獻。特别是在東方紅一号衛星任務中,力學所的科學家團隊起到了決定性的作用。進入21世紀之後,力學所持續在宇航領域取得重要成果,包括“力星一号”、“太極計劃”等科學項目取得了世界領先成果。2019年,中科院籌組空天飛行科技中心,機構挂靠在力學所,為力學所和航天、火箭之間建立了更加緊密的關系。2019年9月,空天飛行科技中心完成了當時國内最大整體裝藥220噸推力固體發動機與大功率伺服機構聯合試車,目前還完成了3D打印先進小型液體發動機的總體設計和小比例發動機熱試車工作。

0 2 中科宇航的嘗試:以科學家思維造火箭

那麼,力學所會成為下一個體制内的火箭研制單位嗎?不,他們不想。力學所秉承了中科院的一貫原則,緻力于推動科學服務于應用。當一批工程科學的研究成果具有了實用化、産品化、商業化的條件,就會啟動另外一種機制:創業。這就有了北京中科宇航探索技術有限公司(簡稱“中科宇航”)。

按照中科宇航董事長楊毅強的說法,力學所和空天飛行科技中心并不打算追求火箭型号的國家立項。實際上,在中心成立之初,内部就對于機構定位展開了一場讨論——這個中心定位在中科院模式的研究院,還是中國航天傳統模式的設計院?讨論的結果,是跳出傳統的桎梏,做一個跨界機構,在技術科學和工程科學之間實現突破,引領學科與行業的發展。這樣的模式,在一個科學為引領的環境下更容易實現,在傳統軍工的環境下,卻是船大難掉頭。而科學突破向應用領域的橋梁,由中科宇航來承擔。

就像NASA“催生了”馬斯克;而我們,也期待着中國科學家的大本營中科院,也調度力量,“催生出”中國的大火箭公司。據了解,中國科學院對中科宇航的期望和要求,也不是産值或者政績,而是“三性”:創新性、先進性、經濟性。最受重視的是,能不能促進行業的發展與升級,如果做不到,這個機構的存在就失去了意義。中科宇航也因此而确立了自己的宗旨:創新、成功。把創新放在成功之前,而不是傳統航天的“保成功”,也解釋了中科宇航在商業航天發展的未來中,包括未來自己的曆史作用和定位。

在“創新”、“成功”的思想指導下,中科宇航大膽嘗試了一些傳統航天不曾進入型号研制的創新思路,包括球形發動機、級間冷分離、箭上無線網、整箭航電系統等等。在中科宇航公布的火箭型譜中,人們已經能看到上述思路的部分實踐。其中,作為公司的首個型号,中科一号甲(ZK-1A)火箭将于2021年首飛,開啟驗證系列新技術的大幕,2021年的商業航天也因此而讓我們充滿期待。

ZK-1A固體運載火箭示意圖及相關參數

0 3 科學家思維造火箭的帶動作用

在世界範圍内,火箭科學的創新正在持續進行,包括大量采用3D打印的“電子”号,也包括用不鏽鋼在露天建造的“星船”。這些創新不但是為了滿足商業市場的迫切需求,也是為了滿足全球科學界對于科學探索和研究的需要。因此可以說,火箭創新在很大程度上是科學家推動和實現的。在空間探索和載人探索的大背景下,科學家能為火箭做的事情會更多。

而火箭産業将迎來自己的新時代,一個颠覆過往、邁向大航天時代的機遇。就像馮·布勞恩為載人登月而主持土星五号的研制,為人類打開了全新的、關于宇宙科學的視野。我們的火箭科學和火箭産業,同樣需要一群具有戰略思維的科學家來推動和主持。他們不但需要對于科學研究本身具有責任感和突破能力,更要對學科乃至國家命運、人類文明的前途有着先行的勇氣。

這一切,或許将從一枚與衆不同的火箭開始。

中科宇航發布的主題海報

END

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