■ 廖忠權(quán)/中國航發(fā)研究院

這個世界所有的思想、范式、規(guī)條和經(jīng)驗都是人創(chuàng)造出來的。而那些固有的思想、范式、規(guī)條和經(jīng)驗存在的意義或許就是用來被突破的。美國太空探索技術(shù)公司便是這樣一個擅長突破的創(chuàng)新者。

美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭于2月7日，在美國佛羅里達州卡拉維拉爾角肯尼迪航天中心發(fā)射平臺發(fā)射升空。該火箭是世界上現(xiàn)役火箭中運力最強的，其近地軌道運載能力63.8 t，地球同步軌道運載能力26.7 t，火星軌道運載能力16.8 t，冥王星軌道運載能力3.5 t；而且還是“可回收”的重型運載火箭，3個芯級并聯(lián)的第一級火箭助推器實現(xiàn)了回收，其中兩個側(cè)芯能再次使用，但中心芯級受到損壞；“獵鷹重型”火箭的目標(biāo)是能夠成為人類前往月球或火星的主要手段。

“獵鷹重型”火箭的巨大成功引發(fā)了全球熱議。這不是SpaceX公司第一次吸引全球的目光，自2002年公司創(chuàng)建以來，就持續(xù)引發(fā)著全球的關(guān)注。

SpaceX是第一家涉足載人航天，為國際空間站提供天地貨物運輸?shù)乃綘I公司，其目標(biāo)是以低成本火箭發(fā)射與由國家主導(dǎo)的航天機構(gòu)競爭，獲取并拓展航天商業(yè)發(fā)射市場。2012年5月，SpaceX公司用其“獵鷹”9火箭成功發(fā)射“龍”飛船，為國際空間站運送貨物，這是全球首次商業(yè)飛船與空間站對接；2013年12月，SpaceX公司用其“獵鷹”9火箭成功發(fā)射了一顆通信衛(wèi)星，這是公司首次進行商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射活動。自此之后，公司啟動了“開掛”模式。

“獵鷹重型”火箭矗立在發(fā)射臺上

國家為后盾

SpaceX的成功固然是私營商業(yè)航天服務(wù)商改變游戲規(guī)則的重大成功，但其實處處離不開政府的支持。事實上，由國家把控的大型航天項目如果沒有政府的支持和放手，私營商業(yè)航天發(fā)射企業(yè)根本不會有生存的空間。

美國鼓勵商業(yè)航天發(fā)展由來已久。1984年，國會通過《商業(yè)航天發(fā)射法案》，允許私人發(fā)射火箭。同一年，美國國家航空航天局（NASA）修訂憲章文件《政策與宗旨》新增了一項：美國的總體福祉要求NASA盡最大可能尋找和鼓勵商業(yè)航天的發(fā)展。1994年，NASA又推出了“技術(shù)轉(zhuǎn)移計劃”，并將每年預(yù)算的20%用來支持商業(yè)合作伙伴協(xié)助研發(fā)新技術(shù)，其中包括可重復(fù)使用的航天器方案，降低進入太空的成本，同時也開創(chuàng)出了商業(yè)航天這一新市場。

在政策的允準(zhǔn)和支持下，美國誕生了聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（由波音和洛克希德-馬丁公司合資）、SpaceX公司、軌道科學(xué)公司、藍源公司等一批商業(yè)航天服務(wù)商。2015年11月10日，美國國會通過《美國商業(yè)太空發(fā)射競爭法案》，25日奧巴馬簽字同意，法案正式生效。法案規(guī)定，未來8年政府將陸續(xù)給國內(nèi)商業(yè)航天公司派發(fā)執(zhí)照，允許私營航天企業(yè)進入外太空探索，以便促進商業(yè)航天發(fā)展、開發(fā)新能源，對自己帶回來的礦物質(zhì)將保留所有權(quán)和使用權(quán)。法案提出了很多“重商” 措施，例如，增加了保護私營航天公司“免受有害干擾” 的原則，保護他們的探測行動免于美國政府、其他國家或其他競爭對手的監(jiān)控或惡性干擾等。正是在這些政策的護航下，美國商業(yè)航天企業(yè)得以放開手腳，創(chuàng)造出一個個奇跡。這其中，SpaceX當(dāng)然也是美國國家政策支持的受益者。

鑒于載人航天工程耗資巨大，讓美國政府頭疼不已，經(jīng)過反復(fù)研究和論證，美國最終決定在其航天飛機退役之后，采用商業(yè)軌道運輸?shù)哪Ｊ酵瓿蓢H空間站的天地往返任務(wù)，而NASA則采用“打的”租用模式進行天地往返，以降低天地運輸成本。具體到SpaceX，NASA在對其授予天地往返運輸項目合同的同時，還對其提供技術(shù)、資金和發(fā)射場等各方面的支持，這無處不體現(xiàn)政府對私營服務(wù)商的支持。

馬斯克之“野望”

SpaceX創(chuàng)立的目標(biāo)就是要實現(xiàn)人類低成本進入太空，為此，公司采取了一系列創(chuàng)新的思維和理念，進而采用了諸多創(chuàng)新的設(shè)計、技術(shù)和管理方式，并廣納賢才?？傊?，SpaceX本身就是從無到有，不被各種條條框框所束縛，很有擊穿各種下限的傾向，以創(chuàng)新貫徹始終。

技術(shù)創(chuàng)新

SpaceX技術(shù)上的創(chuàng)新，主要是圍繞低成本、高可靠和快速響應(yīng)這三方面展開。低成本是SpaceX公司始終孜孜追求的技術(shù)目標(biāo)。“獵鷹”系列火箭的經(jīng)濟性極為突出。對SpaceX而言，低成本的原則很簡單，其中之一就是：盡可能在內(nèi)部一個綜合廠房中，采用現(xiàn)代化的設(shè)施完成大部分組件的生產(chǎn)，以避免冗繁的供應(yīng)鏈，比如傳統(tǒng)設(shè)計商、承包商和“成本加成”計費等。

SpaceX為降低成本，可謂不遺余力。當(dāng)公司發(fā)現(xiàn)用賽車安全帶來綁定航天員要比專門定制的高價繃帶更舒適更便宜時，馬斯克便讓真人進入到太空艙模型中進行測試，以確保航天員可以在艙內(nèi)移動，而沒有采用計算機模擬的方式?！矮C鷹”火箭采用了高可靠性工業(yè)執(zhí)行元件，而沒有采用成本高5倍的航天級元件。又如，使用與自動提款機類型相同、價格僅5000美元的計算機，而不是選擇總價可能高達100萬美元的專用計算機。NASA官員邁克·霍克恰克（Mike Horkachuck）說：“SpaceX的工程師會討論成本問題，一個價值5萬美元的部件，他們會覺得太貴，會在自己的工廠里用2000美元生產(chǎn)這個產(chǎn)品；而在NASA，我?guī)缀鯊膩頉]有聽到過哪個工程師會關(guān)心零件的成本?！?/p>

此外，SpaceX沒有采用舊有的研制方式，而是一切從頭開始，完全自主研制了“獵鷹”系列火箭和“龍”飛船。而且SpaceX的團隊還在全世界率先突破了“腦洞大開”的火箭回收技術(shù)，讓以往發(fā)射后就拋棄的造價極為昂貴的火箭能夠定向回收并再次利用，從而顛覆性地解決了火箭發(fā)射最主要的成本問題。

SpaceX公司的“獵鷹”9火箭

不僅如此，公司的“龍”飛船同樣采用了創(chuàng)新設(shè)計和技術(shù)。“龍”飛船分載貨型和載客型兩種，除了乘員艙的逃逸系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)和允許利用飛行計算機控制太空艙的船載控制系統(tǒng)外，其乘員艙和貨運艙的結(jié)構(gòu)幾乎完全相同，因此可以很快在兩種功能間快速切換，實現(xiàn)客貨兩用。而且，“龍”飛船也是可以重復(fù)使用的，不像其他公司的飛船只能使用一次。

SpaceX一直把自己看作是一家科技公司，不斷迭代優(yōu)化設(shè)計，不斷通過測試來改進原型。而傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式則要制訂一個強大的計劃來執(zhí)行，免不了要龐大的開支。SpaceX的工程師大衛(wèi)·吉格（David Giger）說：“我們不會坐在那里分析某個產(chǎn)品分析好幾年，SpaceX是建立在測試基礎(chǔ)上的。我們邊飛行邊測試。”

SpaceX的降本增效措施成效顯著?！矮C鷹重型”火箭的單次發(fā)射費用為9000萬美元，比之前的“獵鷹”9運載能力提高了2.8倍，但成本只增加了45%，而SpaceX的競爭對手——聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟——的單次發(fā)射成本則高達4.22億美元?！矮C鷹”系列火箭的經(jīng)濟性是其他種種火箭都不能比擬的。

在高可靠性方面，SpaceX將每一階段的產(chǎn)品均送到田納西州進行系統(tǒng)級試驗。此外，快速反應(yīng)能力也是公司關(guān)注的重點之一?！矮C鷹”1、“獵鷹”9火箭的發(fā)射周期為兩周，而其他公司的火箭準(zhǔn)備周期則是2～4個月，而且“獵鷹”火箭能夠滿足各種發(fā)射任務(wù)之所需。

文化和管理創(chuàng)新

載貨型“龍”飛船

馬斯克認(rèn)為，傳統(tǒng)航天工業(yè)的低效率是導(dǎo)致航天成本高昂的主要原因。他認(rèn)為通過重新開始、回歸基礎(chǔ)，進入太空可以被更加低廉地實現(xiàn)。此外，公司還有一個特點是組建由優(yōu)秀成員構(gòu)成的精英團隊，馬斯克認(rèn)為發(fā)展高薪、精英成員組成的小型團隊更為有效率。整個團隊被安置在生產(chǎn)場地的同一層或至少安置在同一場所，通過這種方法有效地促進了相互協(xié)調(diào)。SpaceX打造了一支極具凝聚力的團隊，并負(fù)有交叉培訓(xùn)和多種功能性職責(zé)，團隊中每個人都可以更多地參與開發(fā)過程。公司采用的理念也很“別致”，除了采用扁平化管理結(jié)構(gòu)以壓縮管理層級、提高效率外，企業(yè)還實現(xiàn)了高度一體化，有意識地模糊部門的界限以促進信息交流，員工經(jīng)常在工作場所進行小范圍交流討論。

廣納賢才

SpaceX作為一家私營航天企業(yè)，最開始并不被認(rèn)可和看好，很難招募到優(yōu)秀人才。馬斯克2017年9月在澳大利亞的國際航空航天大會（IAC）上說，“我們最開始只有幾個人，并不知道怎么制造火箭……我最終成為首席工程師或首席設(shè)計師的原因并不是我想這么做，而是因為我招不到人，優(yōu)秀的人都不愿意加入，所以我只能親自來做”。而今，SpaceX發(fā)展到擁有幾千人的規(guī)模，得益于其隨著企業(yè)的不斷壯大而四處招攬賢才。

今天，除馬斯克外，SpaceX公司的主要負(fù)責(zé)人主要來自NASA、洛克希德-馬丁、波音、諾斯羅普-格魯門等航空航天機構(gòu)和企業(yè)，他們都是有著豐富行業(yè)經(jīng)驗的精英人才。例如，SpaceX公司的聯(lián)合創(chuàng)始人、梅林發(fā)動機的設(shè)計師湯姆·穆勒（Tom Mueller）， 原 本 是NASA一 家 供 應(yīng)商——美國天合（TRW）公司——研制氫氧發(fā)動機的資深專家，曾在TRW公司工作15年，后因故被解聘。穆勒還是美國最大的業(yè)余火箭俱樂部的成員。該俱樂部成員多來自附近的航天公司，他們在洛杉磯定期聚會研制火箭。2001—2002年，穆勒在一位朋友的倉庫研制出世界最大的液體燃料火箭發(fā)動機，設(shè)計和動手能力可謂極強。2002年，穆勒和馬斯克在朋友的倉庫相遇，馬斯克看著穆勒的火箭發(fā)動機，問穆勒一個簡單的問題：“你能造更大的東西嗎？” 然后，穆勒接受了SpaceX的聘任。這只是馬斯克四處延攬、不拘一格降人才的一個典型案例。事實上，SpaceX從NASA和美國的各大航空航天企業(yè)都吸收了不少頂尖人才。

“獵鷹重型”一級的27臺發(fā)動機

SpaceX之“倔強”

在“獵鷹重型”火箭成功的道路上，SpaceX公司付出不少失敗的代價。在過去的十多年里，SpaceX的“獵鷹”多次發(fā)射失敗，但公司都堅持了下來?！矮C鷹重型”火箭采用芯級并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，芯一級采用27臺發(fā)動機，這相當(dāng)于18架波音747飛機的動力。而這種芯級并聯(lián)形式，曾被蘇聯(lián)采用過。蘇聯(lián)時期研發(fā)的N-1火箭，芯一級采用30臺發(fā)動機，但4次發(fā)射均告失敗。因此，長期以來火箭行業(yè)皆不主張采用“蜂窩”式發(fā)動機構(gòu)筑大推力系統(tǒng)，因為這樣的結(jié)構(gòu)對發(fā)動機可靠性提出了極高的要求，即使是一臺發(fā)動機出現(xiàn)故障，都會對火箭的成功發(fā)射構(gòu)成嚴(yán)重威脅。而“獵鷹重型”火箭恰恰采用這種結(jié)構(gòu)形式并最終成功，這是SpaceX長久堅持和勇于創(chuàng)新的成果。

“獵鷹重型”的成功很大程度上得益于其梅林發(fā)動機，而梅林發(fā)動機的設(shè)計也是劍走偏鋒，另辟蹊徑。梅林發(fā)動機結(jié)構(gòu)非常簡單，比其競爭對手聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的德爾它IV型火箭的發(fā)動機要簡單得多，自身具有高度可靠性，進而大幅增加了總體可靠性。此外，梅林發(fā)動機推力可以在大范圍內(nèi)調(diào)整。 “獵鷹”9火箭的9臺發(fā)動機即便發(fā)射時一臺發(fā)動機出現(xiàn)故障，其他幾臺發(fā)動機也可以自動增加推力補償；在度過了發(fā)射初期的最關(guān)鍵時刻后，哪怕有兩臺發(fā)動機失效也無妨。所以，即便其一級安裝了多達9臺發(fā)動機，“獵鷹”9仍然保持了較高的可靠性。2012年10月，“獵鷹”9火箭發(fā)射“龍”飛船向國際空間站運送貨物時，其第一級的9臺發(fā)動機就曾有一臺發(fā)動機因故障停機，而其他8臺發(fā)動機補償了推力損失，并精準(zhǔn)地將“龍”飛船送到了預(yù)定軌道。

“獵鷹重型”由“獵鷹”9火箭發(fā)展而來，一級使用3個芯級并聯(lián)組成，并都可回收利用；二級使用相同的梅林發(fā)動機，結(jié)構(gòu)材料相同?！矮C鷹重型”也像“獵鷹”9一樣，可以允許在數(shù)臺發(fā)動機出現(xiàn)故障的情況下完成發(fā)射任務(wù)，可謂是重大的創(chuàng)新，完美地解決了一臺發(fā)動機失效就可能導(dǎo)致發(fā)射失敗的難題。而且，“獵鷹重型”是世界上首個由兩側(cè)助推器或側(cè)芯對中心芯級進行交叉推進劑供應(yīng)的火箭，這可使中心芯級在兩側(cè)助推器分離后仍攜帶大量燃料，從而使火箭的性能能與3級火箭相媲美。

過去10多年來，SpaceX的團隊都在努力做好的一件事：不斷完善梅林發(fā)動機以及圍繞該發(fā)動機所打造的核心產(chǎn)品 “獵鷹”火箭，并隨著技術(shù)的成熟而不斷降低成本?？梢哉f，“獵鷹”系列火箭及梅林發(fā)動機處處想人所不能想，但實際證明又確實可行，讓人耳目一新。而這一切與SpaceX的技術(shù)自信、長久堅持和勇于探索密不可分。

啟示

SpaceX迄今取得的成功極大程度上歸功于深厚的美國航空航天技術(shù)積淀和國家的大力支持，這是其生存發(fā)展的重要支柱。但更要看到的是SpaceX團隊的特有的不屈不撓、創(chuàng)新開拓的精神，這種創(chuàng)新是人類積極開拓太空的一種重要精神品質(zhì)。具體到發(fā)動機上，其實SpaceX的梅林發(fā)動機就其技術(shù)而言，并不是當(dāng)今最先進的，但SpaceX卻將其性能發(fā)揮到極致，創(chuàng)造出別樣的奇跡。這是值得世界航空航天行業(yè)學(xué)習(xí)和借鑒的。智慧的中國人從來不缺乏開拓進取的品質(zhì)和勇于創(chuàng)新的精神，相信未來中國的航空航天工業(yè)也會有自己的獨到展現(xiàn)。