航天事业

人造天堂
2008-12-22 看过
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远古时代人类就长久地仰望星空。20世纪以来,航天事业起飞,实现诸多的光荣与梦想。探索充满不确定,投入巨大的资源,特别是汇聚精英通力协作,因此并非单纯发展技术,还有复杂的组织和战略活动。

继20世纪初的若干个人先驱,纳粹德国最早有组织地研究火箭。二战后期定型量产著名的V2,用以空袭英国。但受制导技术限制,杀伤人数甚至低于V2生产中死亡的集中营劳工。当时所有的防空武器都不能克制其超音速,因此造成巨大的心理冲击,但也不能扭转败局。科技史上这不是个案,技术的先进与效能不成正比。即使企业最强调绩效,研发部门也经常忽视市场的适用性。

尽管如此,美国充分意识到火箭技术的潜力。派遣突击队抢占V2的基地佩内明德(Peenemunde),转移大批人员和成品,按雅尔塔协定(Yalta Accord)该地应由苏联占领。英苏随后只得到一些边角料。此前罗斯福的科学顾问亚历山大•萨克斯(Alexander Sachs)以拿破仑未能采用装甲汽船击败英国的历史,说服总统批准曼哈顿工程(Manhattan Project)。都显示当时美国拥有高效的科学决策体制。

空间竞赛
    
很快美苏展开全面冷战,外层空间成为主战场之一。1957年,苏联发射人类第一颗人造卫星斯普尼克(Sputnik),标志空间竞赛开始。美国朝野震动,遂激增航天的投入,还通过<国防教育法>等一系列配套措施。但此后多年,苏联仍频频领先:1961年第一次将人,1963年第一次将女性送入太空,1964年第一次三人同船升空,1965年第一次太空行走。

其实苏联在技术上从未取得优势,领先是靠技巧。美国始终预告发射计划,苏联相应力争领先,不惜功能甚至安全打折扣。斯普尼克简化到只含一部电台。运载三人的上升号飞船是用设计运载一人的东方号仓促改装,迫于运能和空间,航天员不穿航天服,安全完全依赖舱体的密封,在当时并不完善。

更深层与组织有关。起初美国航天政出多门,斯普尼克冲击后,整合为国家航空航天局(NASA),受总统和国会宏观制约。苏联实行计划经济,苏共中央直接管理军工联合体,不设专职航天主管部门,直到1992年成立俄罗斯航天局,而是一系列项目,调用联合体所有可能的资源。NASA体制适合战略发展,联合体的战略涵盖整个军事工业,但在航天层面更适合短期冲刺。不过后来的历史显示,利弊也不是绝对的。

当美国提出更具战略性的登月计划,苏联就再也冲不上去。两个社会分别以多元和集权著称,但美国专注阿波罗工程(Apollo Project),苏联并行两个项目:科罗廖夫(Sergey Korolyov)的联盟号飞船-N1火箭和切洛梅(Vladimir Chelomei)的质子火箭,分散了资源。而且美国投入更大,技术已经领先。

这是因为领导人赫鲁晓夫(Nikita Khrushchev)信任切洛梅,1964年赫氏倒台也断送了切洛梅的航天事业,再一次从另一面,显示苏联体制的不稳定。还可能苏联技术缺口太大,不能确定发展方向。N1火箭试验连续失败。苏联最终只抢先发射无人探测器,1969年7月21日,阿波罗11号登月成功,一般认为空间竞赛至此以美国的胜利结束。

争议却没有停止。阿姆斯特朗(Neil A . Armstrong)踏上月球时宣告:“这是一个人的一小步,却是人类的一大步”。这一步花费了1969年的254亿美元,折合2005年的1350亿。技术成就虽大,登月本身只有象征意义,并无实际的战略和经济收益,后来还有人质疑登月是彻头彻尾的骗局,今天仍然是科学迷的热点。更重要地是没有下一步。短期内不能建立月球基地。NASA继而游说登陆火星,当局反应消极。除了技术和经费的新高,战略上只是把问题延后,再下一步呢?

耐人寻味,双方都是政治挂帅,竞争导向,因而注重直观的成就。而科技自有发展规律,深层的知识积累难以量化。长远而言,空间竞赛损害了航天事业。但反过来,航天至今没有商业化,政府作为唯一投资人,世上没有免费的午餐,如果偏离政治诉求,或者当时国际形势缓和,也许投入小地多,机会成本更大。个人、组织和国家都要在自身战略与利益相关者、竞争对手间保持微妙的平衡。

后空间竞赛

空间竞赛时如影随形,此后却分道扬镳。

美国侧重发展航天飞机。相对一次性的飞船,航天飞机的设计理念是重复使用。Space Shuttle的Shuttle除了梭子的本义外,还指各种定期往返的交通工具。复用性是工程和商业开发的常见思路,能显著降低成本,提升规模效益。在不同应用中还被阐述为共享、兼容、整合、标准化、平台化、规模定制等理念,催生福特流水线、IBM S360等众多伟大的产品和产业。

但服役的表现并不理想。维护费用超支、飞行次数锐减,事故频发,共生产五架,就有两架失事。开始迷信其可靠性,后来难以作大幅改造,因而没有逃生装备。设计仍垂直发射,外挂两枚可回收的火箭和一个不可回收的燃料箱,两机失事据查都和外挂有关。返回大气层后没有动力,只是一架硕大的滑翔机,只有一次着陆机会。这些都和复用性、经济型存在差距。

苏联侧重空间站。加上俄罗斯运行过八个空间站,积累了丰富的经验,并将联盟飞船发展成经济可靠的运载工具,向空间站运输人员给养。苏联后来也开发航天飞机。只有第一架暴雪号升空。随着苏联解体,航天事业也不能幸免,航天飞机项目中止。2001年和平号空间站也被迫坠毁于太平洋。

美国也曾经立项天空试验室和自由两个空间站,前者为航天飞机让路。后者一度停顿,冷战结束后重启,就是今天的国际空间站,由美俄等五国及欧盟共同建设。空间站需要高效运载工具。从这个角度,美苏的最终目标相同。不同的是路径:美国先发展新型载具航天飞机,苏联改良传统载具飞船,先发展空间站。

但美国先发后至,航天飞机多次停飞,期间国际站完全依赖联盟飞船补给。经费和工期也远远超支。遭到激烈批评,花去上千亿美元和一代人时间,本可以做更多更有意义的事。祸不单行。美国国会2000年通过<防止向伊朗扩散法>,禁止购买俄罗斯航天技术与服务。

苏联解体后,美俄有过短暂的蜜月,国际空间站就是那时的产物,寄托了世界大同的美好愿望,因而得名。现实是惨淡的,近年来西方与俄罗斯多有磨擦,学者指出双方历史和地缘的深层对立,冷战只是一个阶段。这些都会影响国际站的合作与运维。

鉴于上述情况,NASA正研发更经济可靠的猎户座(Orion)飞船,有观点称为阿波罗飞船2.0版。预定2010年启用,承担国际站补给及未来的月球火星任务。同时退役全部航天飞机。转了一圈又回到起点。飞船和航天飞机是两个独立的技术系统。反复跳跃会使人员流失,知识退化。

在空间竞赛后,为什么双方选择了各自的路,没有趋同或互换?都完成全部载具-空间站系统,显然不存在技术和经费的局限。从公开和秘密渠道也清楚对方动向。特别是美方,国力更强大,这一阶段开始时处于领先地位,天空试验室比苏联的礼炮站与和平站都大。反而NASA的战略缺乏连续性和平衡性。

也许美国的技术优势激发了过度的雄心,以致力不能及。但先上空间站同样可以好大喜功。或者归功(咎)于具体决策者,但美国的专业人员拥有较大授权,决策具有广泛的参与性,前面分析,机构适合战略发展。苏联的体制反而被认为独断专行,更容易犯错。我们猜测还是和组织有关。

短短十余年,NASA历经激烈的空间竞赛,特别是宏大的阿波罗工程,形成一种扩张的创新文化。每个项目都比前一个规模更大、技术更难。火星又比月球遥远。当火星计划夭折,航天飞机成为替代。NASA肯定评估过该项目的难度,这正是他们想要的。但并非全是。

相关的业务能力可以分成两种:创新和运维,创新是无中生有,运维是周而复始。对应两种文化。创新顾名思义重视创意,逻辑缜密,绩效上奖励突破性的成果,宽容失败。运维重视经验,某种程度是模糊科学,问题常出在技术以外。奖励长期的卓越表现,对失败严厉。倾向采用最成熟而不是最先进的技术。新技术需要繁复地测试和改良。技术型企业都清楚,从试验室到市场的路有多长。

具体到这个案例,航天飞机的目标是高度可维护性,但前期需要完成一系列重大创新。相比之下,空间站的全部技术模块都已经成形,尽管还需要解决大量琐碎的问题,主要考验运维能力,保证空间站人员7x24不间断的生活工作流。

NASA的文化与且只与项目创新的部分合拍,所以选择航天飞机。也意味着该项目一开始就偏离重心。后来的跛足,不只是甚至就不是因为技术缺陷,还有组织文化与运维任务冲突。国际空间站举步维艰,可能也不只是载具的问题。

1986年挑战者号失事后。负责调查的罗杰斯委员会(the Rogers Commission)在报告中写道:“航空航天局始终怀有我们无所不能的信念,尽管这是必要的,但乐观的同时,必须认识到它并非无所不能。”

曾有几位工程人员对航天飞机的设计持保留意见,包括导致挑战者号失事的部件。其中之一告诉委员会:“因为我在飞行预备会议上使用‘我觉得、我认为’这样的语言受到惩处。我的意见完全被否决。他们认为这不是一份正确的报告,因为‘我觉得、我认为’不是基于工程的论述,而只不过是判断罢了。因此如果没有一套完整、全面论述并且可以证实的数据,没有人会(提出异议)。”

计划经济从来不是铁板一块,各部门同样游说上级、激烈竞争。曾参与空间竞赛的部门最有发言权,当然希望自己的资产保值增值。空间站跨度较小,运维需求巨大,与联盟飞船互补,都利于争夺资源。长线项目能部分弥补主管机构的缺失。两个系统都属于NASA,而如果苏联先上航天飞机,会让军工联合体其它部门分肥,甚至撇开飞船。至少是原因之一,有害的内耗文化推动了好战略。

中国航天

学我者生,像我者死。中国航天可以借鉴美苏的成败,跨越式发展,同时走自己的路。

中国1970年发射第一颗人造卫星。次年即立项载人航天,代号714工程。不久搁置长达20年。1986年多位著名科学家联名上书促成863计划,涵盖七大领域15个项目。航天领域排名第二,简称863-2,含两个项目:大型运载火箭及天地往返运输系统,代号863-204。载人空间站系统及应用,代号863-205。

1988年夏, 863-204提出六个方案评审,多用途飞船和小型航天飞机方案得分非常接近,分别为83.69和84分。前者强调飞船的成本和安全优势,适应国情,中国当时尚无能力制造支线飞机。后者强调航天飞机代表发展的趋势,重复使用也经济,飞船技术终将淘汰。

又经两年概念研究,意见逐渐倾向飞船。1992年中央批准921工程:第一步发射无人和有人飞船,将航天员安全送入近地轨道并返回。第二步掌握出舱活动技术,完成交会对接试验,建立短期有人空间实验室。第三步建立大型长期有人空间站。1999年发射神舟一号,2003年杨利伟乘神舟五号上太空。2008年神舟七号实现太空行走。至此已完成第二步第一阶段任务。

2003年启动嫦娥工程,预定分绕、落、回三阶段。2007年发射嫦娥一号进入月球轨道,多次变轨完成绕月,落和回分别是无人探测器在月球软着陆及返回。预定分别以2010和2020年为限。该工程又是中国探月工程“大三步”的第一步探月。二三步是有人登月和驻月,尚未立项。

中国航天的技术和战略更多借鉴苏联。发射成功率较高,显示出运维导向的文化。作为一个爱好航天的商业评论员,在此粗浅地探讨下未来。当今世界航天政治已经趋弱,军用日新月异,经济的比重将越来越大,直至出现完全商业运作的航天企业。可持续发展是中国航天的成功经验,也应是今后的原则。

嫦娥工程完成后,是否将紧随其后登月?探月在战略上也可以从属提升运载能力。而登月,参考美国的经验,应与驻月衔接而不是孤立的阶段。第一步像蹲马步,二三步是连环脚。问题就转换成驻月的时间表。而驻月项目本身就需从长计议,战略上还应以长期空间站优先。反推回来,登月应缓行。

长期空间站,也包括月球基地,最大的挑战在于运维,对能力和金钱刚性的消耗。主要是载具。据统计,航天飞机运送一公斤的有效载荷进入地球轨道,要花费1986年的11607美元。中国有一个好的开始,神舟持续优化,将与猎户座和联盟鼎足而三。

但飞船的基本面决定,挖潜是有限的。中国经济虽有所增强,不可能像美苏当年倾国之力争霸太空。近期NASA年预算为160亿美元。空间站的历史还短,尚未遭遇某些小概率灾难,比如太空垃圾撞击。运能应该有一定的冗余。

也许有必要重新评审航天飞机方案。不合1990年的时宜,但今天形势已经变化:有神舟保底,能制造支线飞机,2008年重启大飞机项目。两个项目可以共享资源。现役航天飞机的经验和教训更充分,可惜苏联的暴雪号未能长期飞行。据报道美国正在研制下一代航天飞机,直接从地面起飞。

资源有限,如果上马航天飞机,将延后启动空间站和登月计划,但扩充运能有望加快其进程。未来的跨大气层客机两小时内全球到达,实现运输的地球村。航天飞机亦可列为大飞机的后续项目。

大胆设想,套用著名的波士顿矩阵(BCG Matrix),神舟是现金牛,短中期内作为主要载具。保持稳定地投入,提升可靠性,降低成本。发展衍生类型,参考俄罗斯的进步货运飞船。

如有可能,进入太空旅游市场,目前由俄罗斯独占,中国可以提供更多选择更低价格。如果美方有意愿,也可以考虑向国际空间站出售运输服务,参与试验项目。但不涉及战略合作,美国应该也能够自己解决麻烦。谨记俄罗斯当年的教训,将有限的经费投入国际站,废掉了辉煌的和平站。

空间站是明星业务,代表未来。而航天飞机是问题型业务,高风险高收益。追加资源,并设定期限,在此之前由神舟支持短期空间站项目,短期意味着较大弹性。航天飞机交付后,两种载具共同建设和补给长期空间站。航天具有巨大的规模效益。以更大和运能建设更大的空间站,平均成本更低。月球任务也可以从空间站出发。如未能及时交付,则由神舟独力启动空间站。

这一切,都只是人类探索宇宙的一小步。刘慈欣科幻小说<朝闻道>中,外星高等文明造访地球,给科学家答疑解惑,霍金(Stephen W. Hawking)问:“宇宙的目的是什么?”神人悲哀地说:“我不知道”。

2008.12.22
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竞争战略 竞争战略 8.6分

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