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陈蓝:日中美火箭相继失利,归零、试错孰优孰劣?
最后更新: 2024-03-18 21:01:42再来看中国。
中国此次发射的DRO-A/B两颗卫星计划部署于地月DRO(远距逆行轨道,简称远逆轨道)。这条围绕月球的近椭圆形轨道是限制性三体问题少数稳定解之一,长期运行可大幅降低轨道维持费用,是我国未来的月球通信导航遥感一体化星座考虑采用的轨道。
早在2022年,我国“嫦娥5号”轨道器就曾进入远逆轨道,我国成为第一个向远逆轨道发射卫星的国家。美国“阿尔特弥斯一号”无人月球飞船是全球第二。很不幸,此次DRO-A/B部署没有成功,否则它们就能和今年2月3日发射至地球低轨的DRO-L卫星一起,开展世界上首次月球导航星座组网测试。
地月空间DRO导航系统示意图(图源:中国科学院空间应用工程与技术中心)
DRO-A/B发射采用的是中国航天史上服役时间最长,也是最成熟的长二丙火箭。不出所料。火箭表现良好,一二级均圆满完成任务。但远征一号S上面级出了问题。虽然理论上卫星可能还有挽救余地,但对上面级来说,失败是无可否认的。
远征一号S上面级是远征一号的一个商业简化版,工作时间从六七小时降为一小时,卫星分离即点火,可节省热防护和很多不必要的冗余,以减少成本。这个上面级已经成功飞行7次,目前还不能下定论是简化导致了问题,但不能排除这个可能性。相比之下,远征一号已经连续成功15次,成功率高一倍。
不过,中国航天自上世纪以来就有归零传统。在彻底查清问题原因、采取改进措施并通过仿真模拟确认之前,绝不会让火箭带着隐患上天。当然,如果问题属于重大设计缺陷,需要做重大改动,所需的时间也会比较长。所幸的是,中国航天最近几十年中虽然也遇到过很多挫折,但很少有重大设计问题,因此归零总能很快解决问题,再次出现相同故障的情况极少。希望这次也是如此。
DRO-A/B卫星火箭虽然都是国家队的任务,但远征一号S上面级却是按商业思维研制的。这说明商业航天崛起已经潜移默化地对国有航天产生了影响,国家队也在有意识地让产品符合商业需求。但一味追求低成本对可靠性的负面影响也需要重视,远征一号S是不是有这方面的因素,还有待调查结果。
最后看看SpaceX的星舰。
星舰第三次轨道发射又一次演示了马斯克快速试错的迭代开发模式。这次试飞,不仅一级超重表现稳定,33台发动机继第二次飞行后再次全程无故障工作,二级星舰飞船则首次完成半圈轨道飞行,并在飞行中试验了舱门开启。星舰再入初期也很惊艳,实时传回的高清视频让我们第一次看到包围飞船异常美丽的等离子体。
然而,星舰终究没有闯过再入这一关。从再入视频看,星舰的姿态并不是很稳定,防热瓦也有脱落。星舰再入和航天飞机有一定相似性。但它体型更庞大,空重却更小,而翼展远小于航天飞机,导致更大的飞控难度。星舰再入仰角远大于航天飞机,本来就承受了巨大的气动力,不稳定的姿态会进一步加大受力,可能造成防热瓦脱落乃至脆弱的超薄不锈钢舰体结构破坏。当然,真正原因还有待于SpaceX的官方报告。
星舰再入飞行剖面(图源:SpaceX)
星舰是历史上最大尺寸的再入航天器。美苏两国的大型航天飞机长度也只有36-37米,而星舰飞船长达50米,直径9米。如此巨大的飞行器再入大气层难度之高可想而知。SpaceX采用的是快速试错迭代的开发方式。从这个角度说,第一次再入测试,既没有任何经验,也没有一次成功的预期,试出错误、拿到数据就是成功。
然而,如果星舰的再入设计存在根本性问题,那么就将付出巨大代价。假定星舰的气动外形和飞控系统真的需要推倒重来,不仅进度上会大大推迟,成本也会飞涨上去。以前建造的星舰二级所有原型很大程度上都浪费了。低空和着陆试验还得重头做一遍。
如果按照中国航天的归零思维,那么星舰发射之前肯定应该将所有不确定因素逐一排除。对再入这个极端重要的关键环节,必定会用计算流体力学软件反复模拟,同时在高超音速风洞中不断试验和优化。很遗憾,美国在高超音速风洞方面大大落后于中国,马斯克更没有这样的风洞。他只能用真实飞行进行迭代测试,如果运气好,问题很快就能解决;但如果是重大缺陷,那就只能应了“欲速则不达”这句话了。当然,祝星舰好运。
总结一下三家不同的失利性质和后续影响:
日本Space One小固体火箭采用的是成熟技术,但火箭本身需要可靠性增长过程。首发失利不足为奇,以IHI的丰富经验,后续发射成功应无悬念。但在日本商业环境下,小固体火箭如何实现低成本高竞争力将是一大挑战。
中国远征一号S上面级也是成熟技术,且已连续7次成功,偶发质量问题的概率较高。商业化版本简化导致可靠性降低是否是原因之一,还有待确认。按照中国航天的归零传统,问题应该能很快解决。不用等太久,我们就能看到DRO-A/B替补星的发射。
星舰再入属颠覆性创新,风险极大,首次试验失败也非常正常。激进的试错迭代开发模式SpaceX屡试不爽,是它取得一系列成功的法宝之一。但一旦发现根本性问题,试错付出的代价也很大。如果最后证明星舰再入失败是气动和飞控设计的重大失误,那么SpaceX和NASA的后续任务全都会被殃及,负面影响巨大。
那么,试错迭代和归零思维究竟孰优孰劣?
所谓试错,其实就是对认识不足的问题,通过实践来找到答案。很多情况下,这是最简单、最直接、最有效、成本最低的方法,非常适合商业公司。试错迭代原来是IT行业的开发模式,是马斯克将它带到了航天业并且获得了一系列的成功,也带来了大批追随者。
归零思维不允许火箭带着隐患,即认识不足的问题上天。全面细致的分析、模拟、试验等当然会使得节奏放慢、成本提高。但对国家队来说,安全和稳妥是第一位的。所以,这不仅是中国航天的传统,其他国家的政府航天部门,乃至传统航天承包商或多或少也是这样的思维。
我们不能因马斯克目前的成绩对他盲目迷信而走到另一个极端。马斯克不是神,他也会犯错误。前文已经分析了,如果试错到后期才发现重大缺陷,那么就得不偿失了。
将两种方式有机结合,取长补短,可能更为合适。商业航天追求效率,在资金充足、技术相对成熟的情况下以试错迭代作为主要方式是合理的,可以达到以金钱换时间的目的。但对颠覆性创新,还是应该对科学规律有所敬畏。此时采用归零思维,在充分认识基础上稳步推进,比冒险试错可能更靠谱。
中美日三国大环境差异巨大,商业航天走的是不同的发展路径,每个企业的背景和基因也不同,企业家个性差异更大。试错和归零如何选择,又或如何有机结合,其实没有标准答案,适合自身情况的选择就是最好的选择。
既然说到不同的发展路径,不妨再展望一下三国商业航天的未来格局。
美国的情况是,商业航天SpaceX一枝独秀,其他参与者不成气候,以NASA为主的政府航天在逐步弱化和退出。这从去年SpaceX全年98次发射,NASA及传统承包商全年4次发射可以清楚地看出来。SpaceX形成垄断的前景已经呼之欲出。
中国的情况是,国家队和民营企业同场角逐商业航天,实力相当。相互间既有竞争又有合作,比如人才和技术从国家队向民企的流动,零部件、发动机、试验能力的市场化等。近来中国商业航天发展迅猛,预计民企将拿下半壁江山,但国家队依然会占据主导地位。
日本商业航天刚刚起步。现有最强民营航天公司依然是大机构背景,草根公司生存艰难。日本缺乏创新氛围,公司文化固守成规,决策者缺乏远见,经常点错科技树,再加上市场、技术积累、资金、政策等制约,日本商业航天前景并不明朗。
今天,我们已处在大航天时代的前夜。中美商业航天竞争将主导人类走向星辰大海的进程,定会精彩纷呈。不过,失败和挫折恐怕也是未来常态,相信大家都能用平常心看待。
失利不是问题,失利暴露出来的问题才是问题。
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- 责任编辑: 李泠 
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