以科学家思维造火箭

　　NASA的TR-106项目，是由科学家提出来的。马斯克之所以能够做到频繁发射、低成本发射，其技术基础就是＂灰背隼＂型号发动机。
　　以科学家思维造火箭
　　文 | 宇宙人
　　火箭是科学与技术相结合的产物。但在具体实践中，科学与技术，以及由此生发的科学思维与技术思维，科学家与工程师，却在不同的层面对火箭的发展产生着巨大的甚至是决定性的影响。
　　长期以来，火箭发展一直面临着路线选择的纠结。例如，是为了成功率而选择保守路线，还是为了创新而不惜冒一定的风险？其实，如果转换视角，从一个科学家的角度去看待火箭，用科学思维去思考火箭，为科学的目标去研发火箭，不仅仅不会有这样的纠结，或许还会产生全新的认知。
　　一、为什么要在火箭发展的历史转折点强调科学家的火箭？
　　商业航天的大发展，让运载火箭再次受到人们的高度关注。长期以来，火箭被全世界理所当然地视为昂贵的一次性用品，直到马斯克和猎鹰九号火箭的出现，让频繁发射和低价发射忽然有了新的希望，从而为火箭发展带来了具有颠覆意义的历史转折点。马斯克为什么能做到这些？除了商业创新和工程管理能力，技术上的基础就是＂灰背隼＂发动机。这个型号始于NASA的TR-106项目，正是由科学家提出来的。
　　＂灰背隼＂发动机
　　01，  科学家与工程师：目标与手段的统一
　　在中文语境中，＂科学技术＂常被当作一个整体词汇。其实如果深究语义，＂科学＂和＂技术＂是两个不同的概念。
　　中国工程院院士朱高峰在《论科学与技术的区别———建立创新型国家中的一个重要问题》中指出：
　　＂科学是人类探索自然（后来也包括社会和人本身）寻求规律（真理）的过程和结果,其过程为科学研究活动,其结果为科学理论体系;而技术是人类为满足生活需要（由简单的衣食住行到后来复杂的社会需要）而改造自然的方法和手段,其方法即为技艺，其手段即为工具。原则上说，如冯·卡门所说的科学是探索已有的事物，技术是创造还没有的事物（大意），或者说科学追求的是发现，而技术追求的是发明。＂
　　虽然概念上截然不同，但在具体实践中，在同一个人的身上，可以同时存在科学家和工程师的思维。现代科学的创始人、意大利科学家伽利略就是一个典型代表。伽利略不但为现代科学的思想和研究方法奠定了基础，还亲自研发了科学仪器——望远镜。随着现代科学的发展，出现了＂科学工程＂的理念，需要集中科学家和工程师，为科学研究建造超级仪器，包括超级计算机、大型加速器、核反应堆，当然也包括火箭与卫星。
　　如果把火箭当作一种科学仪器，人们或许会对科学与技术的关系有另外一种视角。如果我们依然身处近代科学的时期，一个人同时充当科学家和工程师，自己为自己研制科学仪器，或许还是可以做到的。但是到了现代科学的语境下，需要把仪器发射到宇宙当中去寻求自然的真理，就不可能单打独斗。火箭研制的负责人还要身兼项目管理和经营者的角色，这就让科学与技术的彼此促进，让＂知行合一＂不再是个人修行范畴内的理念，要扩展到团队和企业。如何寻找产业实体的＂知行合一＂呢？
　　把工程实践与科学目标充分融合，在为科学服务的过程中，融入科学家的成果、思维方式，将会影响和推动工程师采用全新的方式来设计和试验自己的型号，在大大小小的方面寻求突破。最终取得科学与技术的双赢。
　　02，  工程师思维与科学家思维：山穷水尽时，柳暗花明处
　　一般情况下，工程师会为了实现某个工程而努力。他们的基础，是当前具备技术基础，或者近期内可以实现的技术。但有的时候，技术的发展会跟不上人类的需求，包括政府层次上的需求和消费层次上的需求。在这种情况下，工程师思维往往无法彻底解决问题。
　　那么，该怎么办呢？
　　我们来看看＂阿波罗计划＂方案确定的过程，了解一下科学家思维如何影响了冯·布劳恩领导的工程师团队。
　　冯·布劳恩，德国火箭专家，二十世纪航天事业的先驱之一，美国＂阿波罗计划＂的重要功臣。
　　很多人可能会注意到，嫦娥五号采用的轨道方案和50多年前登月的阿波罗11飞船几乎是一样的。按中国航天专家的说法，这在很大程度上是为了给载人登月做技术准备。阿波罗计划最终采用的是被称为＂月球轨道对接＂的方案，这是冯·布劳恩领衔设计的，唯有这种方案，才能确保只用一枚重型火箭，就能在比较短的时间内完成载人登月和返回过程。
　　阿波罗计划流程示意
　　有趣的是，这种方案一开始并不在冯·布劳恩及团队的考虑中。当时有两种方案备选。一种是直接登月，就是把飞船直接着陆到月球上，再整体起飞返回地球；第二种是地球轨道对接，也就是先发射一个装满燃料的推进舱到地球轨道上，然后再发射月球飞船，两者在地球轨道上对接起来之后奔向月球，着陆完成科学考察后再整体起飞返回地球。
　　这两个方案都有一个缺陷——从月球上起飞的联合体重量太大、所需要的推力太大。土星五号虽然已经是一种超级火箭，它所能送进奔月轨道的质量，未必能够容纳这样重的联合体。
　　划时代的火箭代表之一——土星五号
　　其实冯·布劳恩一开始比较倾向于地球轨道对接。但是在1961年下半年，一位叫做约翰·哈伯特的科学家在会议上指出了地球轨道对接方案的缺点，并且提出了月球轨道对接方案的想法。负责月球起飞方案的设计师法盖特当场就坐不住了，他指责哈伯特说：＂他画的图是在扯谎！＂
　　冯·布劳恩也在场，但是当时没有表态。因为从工程角度来说，月球轨道对接方案的飞船结构太复杂了，几乎每个模块都要设计独立的电源系统、姿态和轨道控制系统、热控制系统……等等。所以，哈伯特的方案被无视了。
　　随后，冯·布劳恩很快就认识到，哈伯特是对的。虽然这意味着整个设计工作的重心要从火箭转向飞船，但只有这样才能保证登月成功。于是，冯·布劳恩重新计算了整个系统架构和飞行过程，然后一次次说服NASA高层和政府高层。
　　1962年4月16日，在NASA的马歇尔飞行中心召开了一次冗长的会议，冯·布劳恩做了一场充分的讲解，说服了所有科学家和NASA高层，接受了月球轨道对接方案。6月7日的又一次高层会议中，冯·布劳恩再次强调，月球轨道对接方案只需要一枚火箭就可以完成整个登月活动，比地球轨道对接方案的成本更低、成功概率更高。于是，阿波罗方案就这样定下来了。
　　事实证明，冯·布劳恩是对的，无论直接返回方案还是地球轨道对接方案，所需要的大推力月球起飞技术一直没能突破。哈伯特作为科学家的思维，和冯·布劳恩作为工程师的实现，是阿波罗计划得以成功的一个关键要素。
　　二、猎鹰九号：科学家催生的火箭
　　在很大程度上，这一轮商业航天热潮，并不是商人或者工程师发起的，而是NASA的科学家群体。没有他们对于科学目标的追求，以及对科研成果的分享，是不会催生出马斯克、贝索斯、太空探索技术公司和蓝色起源公司的。而且需要知道的是，马斯克的安身立命之本——也就是他的＂灰背隼＂发动机——其实来源于NASA科学家们的创意。
　　01，  为什么会有太空探索技术公司？
　　NASA是一个科学家组成的群体，他们的目标，就是把各种各样的探测器——有人的和无人的——送到宇宙里去，执行探索、发现的任务。但是由于火箭本身并不是廉价易得的东西，相当多科学家只能苦苦等待发射的机会。怎么才能让火箭更便宜？让更多的科学实验能够进入轨道？
　　于是，NASA根据自己对火箭发动机内部燃烧和流体的理解，提出了所谓的针栓式引射器理念，可以通过一个比较简单的机构，把氧化剂和燃烧剂有效混合在一起，喷射到发动机燃烧室里。通过针栓的调节，可以实现不同的喷流形状和方向，当然也能控制流量。这省去了传统的复杂引射机构，还能实现更好的引射效果。
　　我们可以发现，NASA科学家们已经完成了用科学走向技术的第一步，剩下的事情，是需要一家制造企业来把它产品化。接到这个任务的是美国TRW公司，研制出了TR-106验证机。不过因为市场萎缩、竞标失利，TRW把自己卖给诺斯罗普-格鲁曼公司，从此江湖除名。TRW负责TR-106的副总裁汤姆·穆勒不愿意就此放弃自己的火箭生涯，几经辗转之后，他结识了马斯克。由此催生了太空探索技术公司和猎鹰九号火箭。
　　巧合的是，本文发布前不久的2020年12月1日，汤姆斯·穆勒在推特中宣布，从SpaceX＂光荣退休＂，并感谢一起创造业界辉煌的马斯克
　　从某种程度上说，太空探索技术公司是NASA科学家们成果转移的产物。没有NASA的科学研究，也就不会有太空探索技术公司和马斯克的传奇。
　　其实，如果翻看NASA每年的研究项目，会发现非常多脑洞大开的研究。很多项目完成之后，就尘封在档案之中，等待着有缘人的发现。还有些项目并不能像TR-106/＂灰背隼＂发动机那样幸运，在实现的过程中被意外打断。例如NASA发明的TransHub充气式空间站，在尘封20多年之后，被旅馆业大亨比格罗发现和重视，成立了比格罗航天公司投入实际生产。然而新冠疫情导致美国旅馆业一落千丈，比格罗再也没有钱支撑自己的商业航天之梦。充气式空间站也只好黯然退场，等待下一个有识之士的投资了。
　　太空冒险家、土豪比格罗（Robert Bigelow）和他的BEAM充气太空舱
　　02，  马斯克：有科学家灵魂的创业者
　　NASA每年转让出去的科学和技术成果很多，但并不是每一项转移都能让一个企业发展壮大。马斯克能够得益于NASA科学家们的成果，并不是没有原因的。在很大程度上，马斯克本人也是一个有科学家思维的人。
　　按照朱高峰院士的说法：＂科学的目的是探索客观世界的各种事物，寻求其规律。因此，人们从事科学活动的基本动力是人类探索真理的欲望＂。
　　我们可以发现，马斯克也不仅仅是为了满足NASA的科学工程需求而创办公司、研发火箭，在很多方面，马斯克甚至比NASA走得更远。是马斯克让＂多星球种族＂这个理念深入人心，他为之设想的火星城市已经远远超过了NASA最大胆的计划。在这个过程中，马斯克很少像通常的火箭设计师那样，讨论运力、运载比等参数，他的重点放在新的火箭能够做些什么，能够如何改变人们认识宇宙和利用宇宙的方式。特别是至今还在研制中的＂星船＂超级火箭。
　　如果不是具备一定科学家思维方式的人，是不会梦想这种超出用户需求的＂科学仪器＂的。
　　三、中国的火箭产业呼唤科学家思维
　　01，  工程师思维的火箭之路已面临天花板
　　工程师思维，是根据现有的科学理论、科学发现与技术成果，构建实用化的方案来解决实际问题。有些场景下，人们会过渡局限于＂现有＂这两个字。这就会给工程实践带来很大的局限性。这个问题在中国和外国都广泛存在。
　　最典型的案例，就是俄罗斯的＂联盟＂火箭，这种成熟可靠、发射了数百名宇航员的火箭，其基本设计居然可以追溯到第二次世界大战时期冯·布劳恩为V-2导弹提出的设计方案。这是因为，主持＂联盟＂火箭的科罗廖夫虽然一直被人们当作航天科学家来定位，实际上他的思维更偏向于工程师。
　　当然，当苏联的月球计划启动之后，科罗廖夫也发现过去的保守方案不可能满足科学目标，因此尝试着提出了N-1超级火箭。但心脏病带走了这位天才工程师，也带走了他突破自己的机会。
　　科罗缪夫领导研发了第一个洲际弹道导弹R-7，此后R-7不断被改进衍生出多型运载火箭，包括联盟。第一颗人造卫星、第一次将人类送入太空、第一次太空行走……苏联航天事业一个又一个巅峰，都是依靠科罗廖夫和他的R-7系列火箭得以实现的。（图为科罗缪夫和加加林）
　　苏联的另外一种火箭，却是被科学家所挽救的。和科罗廖夫＂宫斗＂了半辈子的苏联天才火箭设计师切洛梅同样有志于月球探索。他利用自己和赫鲁晓夫的良好私人关系，强行启动了＂质子＂火箭的研制。相比于＂联盟＂，这是个完全颠覆性的型号，真正摆脱了V-2导弹的桎梏。但是当赫鲁晓夫下台之后，极其厌恶切洛梅的苏共中央部分领导人打算立刻把＂质子＂下马。这时候站出来维护＂质子＂的，是苏联科学院院长克尔德什院士。他认为，一种可靠的大推力运载火箭对科学探测活动是必要的。克尔德什在国际科学界有崇高声誉，对苏共中央也有着很大的影响力。于是，切洛梅的设计局和他的＂质子＂火箭被保下来了。
　　俄罗斯质子-M火箭
　　克尔德什的举措有着深远的影响力。＂质子＂成了苏联后期乃至俄罗斯唯一可以频繁飞行的业务化重型运载火箭。当俄罗斯开始承揽国际发射服务业务的时候，唱主角的也是＂质子＂。在马斯克的猎鹰九号出现之前，＂质子＂占据了国际大型商业通信卫星发射市场的大多数份额，今天依然是猎鹰九号最有力的竞争对手。
　　缺乏科学家的思维，往往会让工程部门在火箭研制上不能够积极地采用更先进、更具有颠覆性的技术。哪怕是一些在国外火箭上已经比较成熟的技术，如果客户和相关管理部门严格要求保成功，那么这些技术的开发和采用也是步履艰难的。例如，我们有时候会从国有火箭研制单位的新闻宣传中看到一些技术进展，然而，相关技术在从事消费产品制造和大众服务的企业当中，早已经是成熟和广泛应用的。传统火箭研制单位到了2021年的今天，刚刚掌握甚至尚未掌握类似的技术和管理手段，不得不说是严重落后了。由此带来的结果自然是火箭型号在技术上的不足。
　　02，  更多地让科学家思维发挥作用
　　这样的落后，一定程度上是受到市场的影响。考虑到航天产品价值高、风险大，用户往往不敢冒着风险去尝试新技术，特别是那些颠覆性的技术。这并不是不合理的想法，长征五号第二次飞行的失败，就证明了颠覆性技术的风险确实非常高。因此，想要快速、有效突破，就必须找到一个风险容忍度更高、更倾向于采用颠覆性技术的群体。这就是科学家。
　　科学家生活在一个探索未知、探究本质的世界里，和工程师＂合理够用＂的逻辑有着显著的不同。因此，当工程师思维无法在某个领域形成颠覆的时候，就需要引入科学家的思维，用科学工程来引导技术突破。科学工程的需求，可以对火箭这样的大科学仪器产生＂推＂和＂拉＂两种效果。对科学探测的需求，推动着科学仪器去超越极限，正如长征三号向长征五号的跨越；科学理论的成果也可以直接指导突破性的科学仪器建造，例如相对论创立之后推动了核反应堆的建设。
　　传统火箭的诸多落后，要靠科学家思维来创新和颠覆。能够承担这种历史性责任的，绝不仅仅是某个学科领域内的学术权威，而是要超脱自己的专业，进入科学战略乃至人类文明前瞻的境界。正如齐奥尔科夫斯基、钱学森这样的人所起到的作用。
　　四、率先突破的地方会是哪里？
　　01，  中科院：科学家的大本营，科学思维的策源地
　　在中国，科学家的大本营就是中国科学院，它也是科学思维的策源地。这个世界知名的科研机构下设大量不同专业的研究所，不但在国内科学领域扮演着头等主力的角色，在世界上也引领着很多领域的科学进步。
　　这一点，对航天和火箭事业也是适用的。几十年来，中科院不但为火箭和航天事业贡献了大量科学成果，还成建制地贡献了一大批航天科研单位。如今活跃在航天工业当中的很多研究所、制造厂，都是从中科院直接分离出来的。
　　中科院各个研究单位当中，与火箭事业渊源最深的，当属钱学森先生亲手创办的力学研究所。这家研究所的定位是＂坚持工程科学思想，聚焦制约国家重大任务的关键共性技术和核心科学问题，推动力学与相关学科的深度交叉，实现原始创新、系统集成、平台建设和人才培养的有机结合，建设国际一流、科教融合的工程科学研究基地。＂
　　1959年,钱学森在中国科学院筹建了力学研究所
　　我们可以注意到其中的一个词汇＂工程科学＂。这意味着力学所不仅仅是为理论研究而存在，更是为了应用研究。实际上，这也正是钱老在1958年就确定的力学所研究方向＂上天、入地、下海为工农业生产服务＂。
　　在建立以来的60多年中，力学所为两弹一星和载人航天工程做出了重要的贡献。特别是在东方红一号卫星任务中，力学所的科学家团队起到了决定性的作用。进入21世纪之后，力学所持续在宇航领域取得重要成果，包括＂力星一号＂、＂太极计划＂等科学项目取得了世界领先成果。2019年，中科院筹组空天飞行科技中心，机构挂靠在力学所，为力学所和航天、火箭之间建立了更加紧密的关系。2019年9月，空天飞行科技中心完成了当时国内最大整体装药220吨推力固体发动机与大功率伺服机构联合试车，目前还完成了3D打印先进小型液体发动机的总体设计和小比例发动机热试车工作。
　　02，  中科宇航的尝试：以科学家思维造火箭
　　那么，力学所会成为下一个体制内的火箭研制单位吗？不，他们不想。力学所秉承了中科院的一贯原则，致力于推动科学服务于应用。当一批工程科学的研究成果具有了实用化、产品化、商业化的条件，就会启动另外一种机制：创业。这就有了北京中科宇航探索技术有限公司（简称＂中科宇航＂）。
　　按照中科宇航董事长杨毅强的说法，力学所和空天飞行科技中心并不打算追求火箭型号的国家立项。实际上，在中心成立之初，内部就对于机构定位展开了一场讨论——这个中心定位在中科院模式的研究院，还是中国航天传统模式的设计院？讨论的结果，是跳出传统的桎梏，做一个跨界机构，在技术科学和工程科学之间实现突破，引领学科与行业的发展。这样的模式，在一个科学为引领的环境下更容易实现，在传统军工的环境下，却是船大难掉头。而科学突破向应用领域的桥梁，由中科宇航来承担。
　　就像NASA＂催生了＂马斯克；而我们，也期待着中国科学家的大本营中科院，也调度力量，＂催生出＂中国的大火箭公司。据了解，中国科学院对中科宇航的期望和要求，也不是产值或者政绩，而是＂三性＂：创新性、先进性、经济性。最受重视的是，能不能促进行业的发展与升级，如果做不到，这个机构的存在就失去了意义。中科宇航也因此而确立了自己的宗旨：创新、成功。把创新放在成功之前，而不是传统航天的＂保成功＂，也解释了中科宇航在商业航天发展的未来中，包括未来自己的历史作用和定位。
　　在＂创新＂、＂成功＂的思想指导下，中科宇航大胆尝试了一些传统航天不曾进入型号研制的创新思路，包括球形发动机、级间冷分离、箭上无线网、整箭航电系统等等。在中科宇航公布的火箭型谱中，人们已经能看到上述思路的部分实践。其中，作为公司的首个型号，中科一号甲（ZK-1A）火箭将于2021年首飞，开启验证系列新技术的大幕，2021年的商业航天也因此而让我们充满期待。
　　ZK-1A固体运载火箭示意图及相关参数
　　03，  科学家思维造火箭的带动作用
　　在世界范围内，火箭科学的创新正在持续进行，包括大量采用3D打印的＂电子＂号，也包括用不锈钢在露天建造的＂星船＂。这些创新不但是为了满足商业市场的迫切需求，也是为了满足全球科学界对于科学探索和研究的需要。因此可以说，火箭创新在很大程度上是科学家推动和实现的。在空间探索和载人探索的大背景下，科学家能为火箭做的事情会更多。
　　而火箭产业将迎来自己的新时代，一个颠覆过往、迈向大航天时代的机遇。就像冯·布劳恩为载人登月而主持土星五号的研制，为人类打开了全新的、关于宇宙科学的视野。我们的火箭科学和火箭产业，同样需要一群具有战略思维的科学家来推动和主持。他们不但需要对于科学研究本身具有责任感和突破能力，更要对学科乃至国家命运、人类文明的前途有着先行的勇气。
　　这一切，或许将从一枚与众不同的火箭开始。
　　中科宇航发布的主题海报