【智庫聲音】志澄觀察：“載人龍”飛船：創新與風險並存
來源：空天大視野作者： 黃志澄
美國東部時間5月30日下午3時22分，美國空間探索技術公司（SpaceX）用“獵鷹”9火箭，把載有羅伯特·貝恩肯（Bob Behnken）和道格·赫利（DougHurley）等兩名航天員的 “載人龍”（Crew Dragon）飛船成功送上太空。此次發射備受矚目，它是美國航天飛機退役後時隔9年，首次在本土利用美國國產的航天運載系統實施載人發射。也是美國一家民營商業航天創業公司首次將人送入地球軌道。
這次發射是在5月27日因天氣原因推遲發射後才取得成功的，全部任務還要經歷與國際空間站對接和返回地面等環節的考驗。本文在分析了“載人龍”飛船在技術創新和工程創新的特點後指出：在載人航天工程中，創新與壓力共生；創新與風險並存。
“載人龍”飛船的技術創新
“載人龍”飛船採用兩艙式設計，它具有可重複使用、乘員運輸能力強、內部空間大和操作友好等特點，能夠執行低成本、商業化的低地球軌道載人航天飛行任務。飛船可容納7名航天員（目前俄羅斯“聯盟”飛船隻能搭載3人）。飛船淨重9.525噸，發射質量15噸，高8.1米，直徑4米，加壓容積10立方米，非加壓容積37立方米，上行載荷能力6000千克，下行載荷能力3000千克，可處理廢棄物800千克。該飛船可獨立飛行工作7天，在對接狀態下能工作210天。
與俄羅斯“聯盟”飛船相比，“載人龍”飛船採用了許多新技術，是名符其實的新一代載人飛船。甚至和 “龍”貨運飛船相比，“載人龍”飛船也有不少突破。例如“載人龍”使用了新的超級天龍座發動機系統、觸摸控制屏和更耐用的熱防護層等眾多新技術。這充分説明，SpaceX公司視技術創新為生命，只有不斷創新，才能生存和發展。下面我們簡單介紹“載人龍”飛船的技術創新：
1.“載人龍”技術創新的最大亮點是採用了首創的新型發射逃逸系統。在“載人龍”飛船4個側面分別裝有推進器吊艙，每個吊艙配有2台超級天龍座發動機，2台一組，互為備份。如果在“獵鷹9號”發射“載人龍”的過程中火箭出現故障，該載人飛船將不再使用傳統的逃逸塔救生，而是利用自身超級天龍座發動機系統進行發射逃逸。這種逃逸方案的好處是逃逸系統全程都在飛船上，從而讓其具備了全程逃逸能力。另外，由於避免了逃逸塔分離過程，簡化了整流罩，提高了航天員的安全性。2020年1月19日，編號為C205.1的“載人龍”飛船，完成了“發射中逃逸試驗”，為“載人龍”邁向首次載人發射，衝過了最後一道難關。
2.“載人龍”飛船實現了完全自動駕駛。它可以全程自動化飛控，全自動對接空間站，全自動應急處理等，當然也可以切換到人工操控，同時還同步受到地面飛行控制中心監控。它使用了最現代的信息技術，其操控台由3塊可移動的大型液晶觸摸控制屏組成，其操作過程與使用iPad的方法十分接近。
3．“載人龍”飛船取消了傳統的可展開太陽電池翼，而採用了非加壓艙半包圍體裝式太陽能電池板。這樣可以避免出現電池翼不能展開的故障，而且使用率高，效能更好，無論哪個角度，只要有太陽光照，飛船就會吸收光輻射。當然，採用這一技術除了要求太陽能電池板必須由曲面集成外，還需要反覆試驗電池板的受熱膨脹問題。
4．“載人龍”飛船內部設計力求簡潔、舒適和美觀，讓搭乘“載人龍”飛船變成一種太空觀光體驗。例如，飛船設計有5扇舷窗，大幅擴展了航天員的視野。其內部設計與特斯拉電動汽車內部設計很相似。整個乘員艙看起來就像是一輛豪華的轎車，一共有7個褐色真皮鬥式座椅，上層4個，下層3個，它們由碳纖維和阿爾坎塔拉織物材料製成。
5．“載人龍”飛船底部主熱防護系統，採用了第三代PICA-X改進型酚醛浸漬碳燒蝕材料，所以在飛船再入大氣層時，可承受多次高温燒蝕而不呈現嚴重退化。這使航天員在重返大氣層時能得到更好的保護，也有利於乘員艙的多次使用，提高了飛船的重複使用能力。
6．“載人龍”飛船既可與“國際空間站”自動對接，也能由航天員在手動控制下完成對接，而無需“國際空間站”的機械臂協助。這意味着“載人龍”飛船的對接系統，採用了更新的測控設備，能達到更高的控制精度。
7．“載人龍”飛船為航天員研製了新的航天服。它完全是量身定做，不僅外形美觀而且十分輕便和安全。其頭盔和關節過渡段，均經過特殊設計，可在艙內失壓時進行良好密閉並充氣保壓。
“載人龍”飛船的工程創新
實際上，科學、技術和工程是三種有緊密聯繫但是有不同特徵的社會活動。科學活動是以發現為核心，技術活動是以發明為核心，工程活動是以建造為核心。工程創新是創新活動的主戰場，是不斷突破壁壘和躲避陷阱的過程，工程中不但包括技術要素而且包括非技術的社會要素，必須從“全要素”和“全過程”，去認識和把握工程創新活動。錢學森提出工程的主要標誌就是其系統特徵：“我們把極其複雜的研製對象稱為“系統”即由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合成的具有特定功能的有機整體，而且這個“系統”本身又是它所從屬的一個更大系統的組成部分。”由此可見，從技術創新到工程創新的過程，就是一個系統工程的創新過程。
“載人龍”飛船的研製也是一項複雜的系統工程。為了達到兼顧安全性高、成本低和操作方便等目標，在系統工程的總體方案上必須有所創新。實際上，上述這三方面的目標是難於兼顧的，必須進行適當權衡。目前SpaceX公司的載人飛船每次任務的報價是1.5億元，每個座位的報價將遠低於“聯盟”飛船O.81億元的報價。但“載人龍”飛船發射對氣象環境因素卻很敏感，這雖是上述這種權衡的結果，但仍有進一步改進的餘地。
在載人航天工程中，傳統的系統工程認為，應在地面試驗中暴露儘可能多的風險，以降低試錯成本。在“載人龍”飛船的研製中，一方面儘可能在地面試驗中進行考核；另一方面，也重視總結每一次完整飛行試驗之後產生的“經驗”。他們認為，基於更先進的工具和更優化的供應鏈協作關係，這種走完多次“設計、開發、測試”流程所需要的成本，已經大大低於上個世紀；而每一次完整迭代之後產生的經驗，實際上是降低了項目的整體成本。“載人龍”飛船雖只經過一次無人的飛行試驗就大膽進行了載人飛行，但由於“載人龍”飛船是在運貨的無人龍飛船的基礎上研製的，而運貨的龍飛船已經完成了20次飛行任務，其積累的經驗，十分有助於減少研製 “載人龍”飛船的所需飛行試驗次數，從而大大減少成本。由此可見，“載人龍”飛船的發展，與蘇聯分別研製 “聯盟”載人飛船和“進步 ”運貨飛船的做法完全不同。這也是“載人龍”飛船最大的系統工程創新。
其實，技術創新尤其是工程創新，其關鍵是管理體制的創新和人才培養機制的創新。在一個龐大的航天系統工程中，管理者一般試圖通過嚴格的規範和過程管理，來實現對項目的總體控制。實際上，這種控制卻又可能會扼殺基層科技人員的創新。SpaceX公司一直在這兩方面尋求一種平衡。SpaceX公司的主要技術骨幹來自傳統的航天公司和硅谷的信息技術公司，也有來自美國宇航局（NASA）的。為了使團隊保持創新能力，SpaceX公司一直嘗試着精簡組織架構、省略更多的規範、去除不必要的過程管理。公司內部沒有通常意義上的部門劃分。各領域的員工都可以平等地參與技術研討、設計和開發等工作。火箭推進、材料、結構、系統集成等方面的工程師們，都集中在一個超大的辦公室裏，因此，他們工作上遇到的問題可以隨時面對面解決（他們的系統集成和我國的總體部的功能並不完全相同）。公司的每一位員工，還可以發郵件給馬斯克或者直接要求與馬斯克面談。公司的設計人員在設計之初，就會考慮到材料和工藝的可實現性，隨時到車間與生產人員直接溝通，及時瞭解相關技術是否具備投產條件。事實證明，管理的扁平化，不僅激發了科技人員的創新熱情，保證了整個研發工作團隊的效率，而且也大大節約了管理成本。
由此可見，SpaceX公司將系統工程的管理，建立在每個員工的“責任心”基礎之上，這就是他們的核心理念：“對於正確、高效地完成任務來説，任何現有的過程管理方法，都無法取代責任心。”
創新與風險並存
對於“載人龍”飛船的技術創新，國內外的同行也有不同意見，他們認為由於“載人龍”飛船採用的新技術眾多，必然會增加航天員的安全風險。這讓馬斯克倍感壓力。馬斯克表示：“我是項目總工程師，如果此次發射一切順利，那都是SpaceX和NASA團隊的功勞，但如果出了問題，那就是我的錯。” 馬斯克在發射前與兩名航天員家人見面時，他説我們將努力確保他們的親人能夠安全歸來。馬斯克在説這些話時，甚至一度哽咽。
對於載人航天這樣以航天員安全為優先的大型系統工程頂目，創新與風險並存。據NASA的評估，這次“載人龍”飛船的首次載人飛行有1/276的概率是致命的，有1/60的概率因某個問題導致任務失敗，但不會導致機組人員死亡。雖然這次“載人龍”飛船首次發射成功，但確保今後每次飛行都安全，仍然會十分艱鉅。NASA負責航天飛機任務的主管詹姆斯•奧伯格對“載人龍”飛船的安全性還是感到擔憂。他説：“經驗是一個比知識定義和公式更關鍵的因素。經驗能夠創造一種直覺，不僅能讓人看到有什麼問題，還能想象到應該是什麼樣子。他們擅長的不是創造答案，而是提出問題。SpaceX的團隊應該吸收這種洞察力，並且學會運用這種智慧。雖然他們積極的狀態和對挫折的正確反應令人鼓舞，但龍飛船的載人飛行仍然會讓我感到擔憂。”其實，美國航天飛機的首飛就直接載人，要比今天“載人龍”飛船更大膽。慶祝航天飛機成功首飛的時刻，幾乎無人料到今後會發生兩次機毀人亡的災難。由此可見，工程創新必定要經歷全壽命週期的的考驗後，才能説成功。
由此可見，一個卓越的載人航天工程項目，必須在大膽的創新和風險的有效控制之間作出平衡。由於載人航天工程本身和其環境都十分複雜，除了正確地進行地面試驗和系統仿真之外，更重要的是在飛行實踐中不斷總結經驗教訓。
結束語
我國載人航天正在進入全面建設載人空間站的新階段，我國也正在研製和試驗新一代可重複使用的載人飛船，我國也已經創立了多家民營商業航天公司。由於中美之間在航天領域的直接交流已經中斷多年，目前也無改善的任何跡象，但我們仍然希望，將來有機會和SpaceX公司一起，交流在研製載人航天工程項目中的各種經驗教訓。
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