美国航天强大在什么地方?洞穴之外


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导读

美国航天的强大,是因为美国系统工程的强大。本文总结了美国航天系统工程的累累硕果,提出了系统工程需要艰苦卓绝的付出,需要认识到事物普遍规律,做好布局,需要摆好人的位置等论点。

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美国是当今世界一流航天强国,表现在:

 

一是领域广、门类齐全。50年前,阿姆斯特朗和奥林德林在广寒宫上留下了人类的足迹;40年前,旅行者1号携带着人类的信息,目前抵达了太阳系的边缘;30年前,哈勃望远镜抵达一层不染的地球轨道,从此拨开乌云凝望着星空。而这些,除了美国外,尚没有其它任何一个国家做到过。如果说关于地球的知识由大航海时代的英国人普及,美国人则在向全世界普及着宇宙,并呼唤着大航天时代的荣光。

 

二是底蕴深厚,有战略备胎。我们惊叹于美国层出不穷的飞行器,以火箭为例,当大力神卸下了穿越冰火的盔甲被封印,宇宙神用双肩支起了苍天,当北欧的雷神加入了三角洲特种部队,不惊防闯入了邻家的猎鹰,但与之相比,我们更惊叹于太空梭划过天际,奏响了行星组曲。在今天,美国如想重返月球,大推力液体/固体火箭发动机、大直径贮箱等,一应俱全,技术上的底蕴比起我们要强太多太多。

 



注:1)大力神(Titan)是希腊神话中被宙斯为首的奥林匹斯神族推翻并取代,曾是美国装备服役的液体战略导弹,后改造为“双子座”计划运载火箭用于载人发射,2005年退役;

2)宇宙神(Atlas)是希腊神话中的擎天巨神,曾作为导弹发展开创了增压式贮箱先河,现AtlasV为联合发射联盟主力火箭之一;

3)雷神(Thor)是北欧神话中的雷霆与力量之神,德尔塔(Delta)也是美三角洲特种部队的称呼,德尔塔系列火箭是在雷神中程导弹基础上发展起来的火箭,现Delta4为联合发射联盟主力火箭之一;

4)法尔肯(Falcon)意思为猎鹰,是商业航天SpaceX主力火箭;

5)太空梭(Space Shuttle),也称为航天飞机,现代工程皇冠上的明珠,后因两次事故和高昂的维护成本,于2011年退役;

6)土星V(Saturn V),美国载人登月火箭。霍尔斯特的行星组曲中,第五乐章是组曲中最精彩的篇章之一,这里,有对人生的思考,也有美好的回顾。正如土星V,是美苏争霸产物,从预算上达到了美国航天上前无古人后无来者的顶峰。


三是性能指标超前,技术先进。最大的力士,却有着最精细的设计。50年前的土星V号,至今仍是全世界最大火箭,而且其运载系数(运载能力与起飞重量之比)达到0.04以上,是世界最高水平(Falcon重型所报指标更高一点,但未被最终证实);土星V二子级结构系数达到0.93,Merlin发动机推重比达到180,超出第二名NK-33 50%以上。

 

四是全世界广泛合作。GPS为美国产品,但被所有国家应用,既具有战略意义,同时又赢得软实力的大幅提升。美国宇宙神5火箭使用了俄罗斯RD-180发动机,在我们为自主可控所困扰的今天,展现的却是美国的战略布局和自信心,因为有德尔塔4的布局,不怕俄罗斯断供,同时美国也有足够的自信,认为俄罗斯不会或不敢断供。

 

美国航天为什么如此强大?笔者认为,美国航天的强大,是因为美国系统工程的强大

 

系统工程是什么?

 

百度百科:系统工程是为了最好地实现系统的目的,对系统的组成要素、组织结构、信息流、控制机构等进行分析研究的科学方法。它运用各种组织管理技术,使系统的整体与局部之间的关系协调和相互配合,实现总体的最优运行。

 

说真的,看不懂。

 

系统工程意味着什么?是项目管理?如人员管理、进度管理、成本管理、合同管理、质量管理、风险管理、沟通管理?还是霍尔三维结构?如方案、初样、试样的时间维,需求分析、系统设计、综合优化的逻辑维,专业知识的知识维?

 

说真的,没有切身体会时,看这些文字都是干巴巴的。

 

那就从例子来考虑问题:

 

  • 传说明朝正德年间,易开占是长城嘉峪关段的施工负责人,他计算了嘉峪关建设需用的方砖数量,最终完工时仅多了一块。

  • 1959年,美国“北极星”潜射导弹即将研制成功,装备批量生产时,大家突然发现,与“北极星”配套的潜艇还没有制造。不得已,将正在制造的“鲣鱼”级核潜艇拦腰截断,在中间加焊了一段约40米的圆柱形舱体,用于放置和发射导弹。

 

从这两个案例,笔者简单地从两个维度理解系统工程,一是空间维,二是时间维,系统工程方法即实现如下两个目标所采用的方法。

 

  • 空间上,需要的时候,需要的东西应该出现。即各场景在空间上有所属;

  • 时间上,为了达到空间上的目标开展的布局。即各要素在时间上有所依。

 

而在这两个维度的牵引下,发韧于曼哈顿工程,沿着阿波罗时代走来,美国的系统工程能力一直走在人类前沿。表现在:

美国系统工程硕果累累

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上世纪60年代,美国阿波罗登月计划成功地运用了系统工程方法,第一次把人送到了月球,以此为转机,系统工程受到了世界各国的高度重视,获得迅速发展。

 

阿波罗工程某种程度代表了系统工程的巅峰。50年来,在科学领域再难遇到阿波罗工程这样异常创新、异常复杂,同时进度异常紧张的工程,仅可参照的是软件行业。

 

曾几何时,软件产品质量不高,生产效率低下,导致了“软件危机”产生。自1970年,软件开发进入了软件工程阶段,形成了各种软件开发的技术手段和管理手段,包括了用分阶段的生命周期计划严格管理,坚持进行阶段评审,实行严格的产品控制,采用现代程序设计方法,结果应能清楚地审查等原理,无一不与航天系统工程方法相对应。

 

美国代表了当今计算机软件行业的最高水平,输出了涵盖操作系统、数据库软件、程序开发软件、科学建模和计算软件、办公应用软件等超大型、基础和应用类软件产品。

 

以操作系统为例,操作系统内核分为多个模块,模块的划分、协调要考虑有效性、效率、可扩展性、可维护性,系统异常复杂。Windows Vista操作系统代码达到5000万行,以平均没人每天开发200行代码计算,需要700个人持续工作1年。商业周刊曾经对vista的开发费用进行估算,预计所花费费用超过200亿美元。这个数额与阿波罗工程耗费的255亿美元从数字上相当(未考虑不同年代换算)。如此复杂软件的成功开发,靠的是软件工程方法,也就是落地于软件行业的系统工程方法。 

系统工程最根本的是预测性,没有思考力,就总是在干急活

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系统工程,意味着对所属的各个环节进行面面俱到的研究,任何环节的缺失,最后的系统都无法运行。为了达到空间上有所属,必须提前布局。没有思考力,就总是在干急活,如载人登月竞赛时的苏联。

 

阿波罗飞船和土星V号火箭最终将阿姆斯特朗和奥尔德林送上了月球,但这远不是阿波罗计划的全部。美国人从系统工程角度,对概念和需求进行了相关的提炼,为登月飞行布局了4项体系的辅助计划,为载人登月工程铺平了道路:

 

  • 徘徊者号探测器计划(1961—1965年):主要目的是为了研究整个月球的外观,测量月球附近的辐射和星际等离子体等,评估月球环境对载人飞船着陆任务的影响,以便为阿波罗登月作准备。

  • 勘测者号探测器计划(1966—1968年):主要任务是进行月面软着陆试验,探测月球并为“阿波罗”号飞船载人登月选择着陆点。

  • 月球轨道环行器计划(1966—1967年):主要任务是在绕月轨道飞行时拍摄月球正面和背面的详细地形照片,绘制0.5米口径的火山口或其他细微部分的月面图,并且为“阿波罗”号载人登月飞船选择着陆点。

  • 双子星座号飞船计划(1965—1966年):主要目的是试验轨道机动、交会和对接能力及让航天员在轨出舱,为“阿波罗”号飞船载人登月飞行作技术准备。

遇到困难时下定决心往前走,没有执行力,就无法取得最后的胜利

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在新兴技术面前,预料到所有事情是难以达到的理想状态,甚至可以说不出问题是不可能的。在遇到问题时,一般有两种选项,一种是直面问题冲过去,一种是换个方案从头来。人之常情是,先直面问题,但感觉是在冲不过去时,选第二种选项,在耗费大量时间后,发现又碰到了问题,仍然冲不过去,这时回过头来尝试原来的方案,如此反复循环。

 

也许工程和科学或管理不同,工程上只有原理可行,就没有解决不了的问题。更多时候需要的是下定决心,咬定青山不放松。这意味着需要强大的执行力,没有执行力,就无法取得最后的胜利。

 

双子座计划采用了美国空军正在研发的大力神II导弹,但1962年3月导弹首飞时,出现了10~13赫兹,30秒左右的振动,振幅达到2.5g,超过了NASA载人0.25g的要求。经过20多发次飞行试验,几乎每发都在改,终于有在1963年10月,振幅达到0.11g。

 

当土星V的F-1发动机在测试中,燃烧不稳定性逐渐暴露出来,并可能导致灾难性事故。攻克这个技术难题的工作最初进展十分缓慢,因为这种故障的发生是不可预知的。最终,工程师们想出了解决办法,他们将少量的爆轰炸药放在燃烧室中,并在发动机运转时引爆炸药,以此测试燃烧室在压力变化时将作何反应。设计师随后测试了几种不同的燃料喷射器,并得到了最佳匹配方案,耗时2年最终解决了此问题。

 

今天,大家都说SpaceX快速迭代是对系统工程的颠覆,或者再创新。在笔者看来,它还是原来的哪个系统工程,只是因为有着超强的执行力,以及将设计、生产环节闭环到SpaceX公司内,大幅降低了协调成本,技术迭代速度大为加快,从而在很短时间内完成数年的工作。

系统工程需要艰苦卓绝的付出,浮躁的时代孕育不出精品

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现代科技复杂程度日益增高,在具备强大功能的同时,脆弱性和敏感性也随之增加。运载火箭可将数百吨的载荷送上太空,却可能因为一个螺丝钉掉落地面;运载火箭可将人类送上月球,却可能因为缺少一个数据而充满风险。自然从来不飞跃,浮躁的时代孕育不出精品,跟跑和并跑也无法修成真正的系统工程。

 

美国为探讨减少火箭发动机维修而开展了一系列发动机工况监控技术方面的研究工作,因为各种准则的制定是一个相当慎重的问题。此方面洛克达因公司付出了卓绝的努力,它从交付的7种(MA-3、MA-5、RS-27、F-1、H-1、J-2和SSME)共2500台进行过1000次飞行的发动机中统计出85000次故障,对这些故障记录进行评定、筛选、归类,将其缩减到1771次故障,并将其归结为螺栓松动、冷却剂管道裂纹、接头泄露、高温气体集合器导管破裂、高扭力、涡轮叶片裂纹、软管故障、电插头松动、轴承损坏、管子断裂、涡轮泵面密封泄露、润滑压力异常、活门未能工作、活门内部泄露、调节器偏差、液压控制装置有杂质,共16种故障模式。通过对故障分析,提出了现有或需要研制的8种监控手段,在大量工作基础上完成了研究。 

系统工程是认识到事物普遍规律,做好布局的布局

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美国善于做规划,也善于做组织构架。美国航天的成功,多半要归功于NASA的组织架构。目前NASA包括1总部、10个中心,形成总部管规划,中心管基础(其中5个中心)的布局,形成了纺锤形组织结构。在研发具体火箭时,总部规划后,向各大军工企业竞标研制,研制中可使用各大中心积累的基础技术。这种组织架构兼顾了基础研究的持续性和产品研制的多样性。SpaceX正是这种组织架构的受益者,它的崛起就建立在NASA强大基础研究的支持下。 而管理层面,后航天飞机时代NASA的经费预算已无法支撑更大规模的航天活动,NASA适时地引入了商业航天力量,这种力量不仅对NASA的1总部10中心体系无冲击,反而可以加强这种体系。

 

做好布局的布局也意味着要随时警醒,走出舒适区。美国1994年规划发展一次性运载火箭(EELV)时,具体要求是:从2003年开始研制,EELV要为美国政府发射有效载荷,全面替代原有的大力神2/4、宇宙神2/3、德尔塔2/3等一次性运载火箭,EELV预期服役到2020年。多年来EELV的宇宙神5和德尔塔4火箭成功率100%,技术状态至今仍不落后,但ULA仍在按预计计划研制新型火神火箭替代。难道就不怕新火箭首飞失败吗?笔者的认识是,不能因为怕就落在舒适区,20年正好为一代人,一代人必须有一代人的火箭。人对于不是自己搞的东西,一是不会太熟悉,会造成人才断层,影响后续的发展,二是对于习惯的事物,然后陷入僵化,没有改进的驱动力和欲望。一片升平中,往往已经隐藏了衰败的基因。

系统工程中,永远摆放好人的位置,系统工程的成功取决于人的创造力、判断力和决策力

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在美2018年核态势评估报告中提出:没有成千上万的美国武装力量人员和非军队编制人员,美国就不可能拥有有效核威慑。这些人将他们的职业生涯全部奉献给摄止战争和保卫国家。这些杰出的男女被要求遵循最严格的标准,为美国核能力与核威慑做出了巨大贡献。参与核威慑任务的军人和非军队编制人员很少得到公开的褒奖或追捧。他们默默无闻地开展着最重要的工作。他们给国家,甚至是全世界,提供了安全、安保和稳定,他们应该得到美国人民的支持。

 

只有人才是获取成功的法宝,尊重每个人,每个人才会愿意发挥他的创造力、判断力和决策力。

 

每个人的想法千差万别,人多了,难免观点相悖。系统工程要求技术民主、决策集中,而不是正好相反。在土星V研制过程中,冯.布劳恩实行“团队工作”、“脏手工程”、“自觉责任”,即大家一起完成工作,每个人都要全面了解他负责领域的各种职责,并且在必要时愿意参加到第一线工作中,这里不存在“我的工作”和“你的工作”,只有“我们的工作”。它赋予了人们参与专业领域之外或其他部门工作的权利,带来了技术的交融。但这种刻意模糊了管理界限可能带来混乱,冯.布劳恩履行了决策集中者职责,他会及时,并且高度一致地回应每个管理者的工作报告,并反馈给全部管理人员。这种方法最终极大地促进了各部门之间的平行交流与互帮互助,有效避免了事不关己高高挂起的情况,后来这一模式被立为典范,并且在美国登月工程中发挥了至关重要的作用。

 

说完了美国说自己,现在中美贸易战,咱能不能不这样“长他人志气,灭自己威风”?笔者认为,“长他人志气,灭自己威风”不是贬义词,自己有什么好威风的?“长自己威风,灭他人志气”才是贬义词,他人的志气是我们喊几句口号就能灭的吗?

 

笔者没去过美国,也不了解美国,所以上面写的是想象的美国。古今,中外,其实应该都是类似的。那为什么想象呢?因为它代表了一种对美好生活的向往,就是说,我们想变成这样


扩展阅读:

中国至今没赶上美国50年前的登月技术,只有一个原因 | 科技袁人Lite第85期
20年后再回首——从零开始的中国载人航天 | 石豪
祸不单行的波音公司,深陷噩梦的美国飞船 | 石豪

背景简介本文2019年5月31日年发表于微信公众号 理念世界的影子 (洞穴之外|美国航天强大在什么地方?),风云之声获授权转载。

责任编辑陈昕悦




文章转载自微信公众号:风云之声

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