不走尋常路的美國(guó)太空探索技術(shù)公司

■ 廖忠權(quán)/中國(guó)航發(fā)研究院

這個(gè)世界所有的思想、范式、規(guī)條和經(jīng)驗(yàn)都是人創(chuàng)造出來(lái)的。而那些固有的思想、范式、規(guī)條和經(jīng)驗(yàn)存在的意義或許就是用來(lái)被突破的。美國(guó)太空探索技術(shù)公司便是這樣一個(gè)擅長(zhǎng)突破的創(chuàng)新者。

美國(guó)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(guó)佛羅里達(dá)州卡拉維拉爾角肯尼迪航天中心發(fā)射平臺(tái)發(fā)射升空。該火箭是世界上現(xiàn)役火箭中運(yùn)力最強(qiáng)的，其近地軌道運(yùn)載能力63.8 t，地球同步軌道運(yùn)載能力26.7 t，火星軌道運(yùn)載能力16.8 t，冥王星軌道運(yùn)載能力3.5 t；而且還是“可回收”的重型運(yùn)載火箭，3個(gè)芯級(jí)并聯(lián)的第一級(jí)火箭助推器實(shí)現(xiàn)了回收，其中兩個(gè)側(cè)芯能再次使用，但中心芯級(jí)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(lái)，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(guó)際空間站提供天地貨物運(yùn)輸?shù)乃綘I(yíng)公司，其目標(biāo)是以低成本火箭發(fā)射與由國(guó)家主導(dǎo)的航天機(jī)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)，獲取并拓展航天商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)。2012年5月，SpaceX公司用其“獵鷹”9火箭成功發(fā)射“龍”飛船，為國(guó)際空間站運(yùn)送貨物，這是全球首次商業(yè)飛船與空間站對(duì)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(jìn)行商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射活動(dòng)。自此之后，公司啟動(dòng)了“開(kāi)掛”模式。

“獵鷹重型”火箭矗立在發(fā)射臺(tái)上

國(guó)家為后盾

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

美國(guó)鼓勵(lì)商業(yè)航天發(fā)展由來(lái)已久。1984年，國(guó)會(huì)通過(guò)《商業(yè)航天發(fā)射法案》，允許私人發(fā)射火箭。同一年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）修訂憲章文件《政策與宗旨》新增了一項(xiàng)：美國(guó)的總體福祉要求NASA盡最大可能尋找和鼓勵(lì)商業(yè)航天的發(fā)展。1994年，NASA又推出了“技術(shù)轉(zhuǎn)移計(jì)劃”，并將每年預(yù)算的20%用來(lái)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(jìn)入太空的成本，同時(shí)也開(kāi)創(chuàng)出了商業(yè)航天這一新市場(chǎng)。

在政策的允準(zhǔn)和支持下，美國(guó)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(lán)源公司等一批商業(yè)航天服務(wù)商。2015年11月10日，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)《美國(guó)商業(yè)太空發(fā)射競(jìng)爭(zhēng)法案》，25日奧巴馬簽字同意，法案正式生效。法案規(guī)定，未來(lái)8年政府將陸續(xù)給國(guó)內(nèi)商業(yè)航天公司派發(fā)執(zhí)照，允許私營(yíng)航天企業(yè)進(jìn)入外太空探索，以便促進(jìn)商業(yè)航天發(fā)展、開(kāi)發(fā)新能源，對(duì)自己帶回來(lái)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(hù)私營(yíng)航天公司“免受有害干擾” 的原則，保護(hù)他們的探測(cè)行動(dòng)免于美國(guó)政府、其他國(guó)家或其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的監(jiān)控或惡性干擾等。正是在這些政策的護(hù)航下，美國(guó)商業(yè)航天企業(yè)得以放開(kāi)手腳，創(chuàng)造出一個(gè)個(gè)奇跡。這其中，SpaceX當(dāng)然也是美國(guó)國(guó)家政策支持的受益者。

鑒于載人航天工程耗資巨大，讓美國(guó)政府頭疼不已，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究和論證，美國(guó)最終決定在其航天飛機(jī)退役之后，采用商業(yè)軌道運(yùn)輸?shù)哪Ｊ酵瓿蓢?guó)際空間站的天地往返任務(wù)，而NASA則采用“打的”租用模式進(jìn)行天地往返，以降低天地運(yùn)輸成本。具體到SpaceX，NASA在對(duì)其授予天地往返運(yùn)輸項(xiàng)目合同的同時(shí)，還對(duì)其提供技術(shù)、資金和發(fā)射場(chǎng)等各方面的支持，這無(wú)處不體現(xiàn)政府對(duì)私營(yíng)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(shí)現(xiàn)人類低成本進(jìn)入太空，為此，公司采取了一系列創(chuàng)新的思維和理念，進(jìn)而采用了諸多創(chuàng)新的設(shè)計(jì)、技術(shù)和管理方式，并廣納賢才?？傊?，SpaceX本身就是從無(wú)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(kāi)。低成本是SpaceX公司始終孜孜追求的技術(shù)目標(biāo)?！矮C鷹”系列火箭的經(jīng)濟(jì)性極為突出。對(duì)SpaceX而言，低成本的原則很簡(jiǎn)單，其中之一就是：盡可能在內(nèi)部一個(gè)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(jì)商、承包商和“成本加成”計(jì)費(fèi)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(lái)綁定航天員要比專門(mén)定制的高價(jià)繃帶更舒適更便宜時(shí)，馬斯克便讓真人進(jìn)入到太空艙模型中進(jìn)行測(cè)試，以確保航天員可以在艙內(nèi)移動(dòng)，而沒(méi)有采用計(jì)算機(jī)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(méi)有采用成本高5倍的航天級(jí)元件。又如，使用與自動(dòng)提款機(jī)類型相同、價(jià)格僅5000美元的計(jì)算機(jī)，而不是選擇總價(jià)可能高達(dá)100萬(wàn)美元的專用計(jì)算機(jī)。NASA官員邁克·霍克恰克（Mike Horkachuck）說(shuō)：“SpaceX的工程師會(huì)討論成本問(wèn)題，一個(gè)價(jià)值5萬(wàn)美元的部件，他們會(huì)覺(jué)得太貴，會(huì)在自己的工廠里用2000美元生產(chǎn)這個(gè)產(chǎn)品；而在NASA，我?guī)缀鯊膩?lái)沒(méi)有聽(tīng)到過(guò)哪個(gè)工程師會(huì)關(guān)心零件的成本?！?/p>

此外，SpaceX沒(méi)有采用舊有的研制方式，而是一切從頭開(kāi)始，完全自主研制了“獵鷹”系列火箭和“龍”飛船。而且SpaceX的團(tuán)隊(duì)還在全世界率先突破了“腦洞大開(kāi)”的火箭回收技術(shù)，讓以往發(fā)射后就拋棄的造價(jià)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(wèn)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(jì)和技術(shù)?！褒垺憋w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(jì)算機(jī)控制太空艙的船載控制系統(tǒng)外，其乘員艙和貨運(yùn)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(shí)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(jì)，不斷通過(guò)測(cè)試來(lái)改進(jìn)原型。而傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式則要制訂一個(gè)強(qiáng)大的計(jì)劃來(lái)執(zhí)行，免不了要龐大的開(kāi)支。SpaceX的工程師大衛(wèi)·吉格（David Giger）說(shuō)：“我們不會(huì)坐在那里分析某個(gè)產(chǎn)品分析好幾年，SpaceX是建立在測(cè)試基礎(chǔ)上的。我們邊飛行邊測(cè)試?！?/p>

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(fèi)用為9000萬(wàn)美元，比之前的“獵鷹”9運(yùn)載能力提高了2.8倍，但成本只增加了45%，而SpaceX的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手——聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟——的單次發(fā)射成本則高達(dá)4.22億美元?！矮C鷹”系列火箭的經(jīng)濟(jì)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(jìn)行系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)。此外，快速反應(yīng)能力也是公司關(guān)注的重點(diǎn)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(gè)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(guò)重新開(kāi)始、回歸基礎(chǔ)，進(jìn)入太空可以被更加低廉地實(shí)現(xiàn)。此外，公司還有一個(gè)特點(diǎn)是組建由優(yōu)秀成員構(gòu)成的精英團(tuán)隊(duì)，馬斯克認(rèn)為發(fā)展高薪、精英成員組成的小型團(tuán)隊(duì)更為有效率。整個(gè)團(tuán)隊(duì)被安置在生產(chǎn)場(chǎng)地的同一層或至少安置在同一場(chǎng)所，通過(guò)這種方法有效地促進(jìn)了相互協(xié)調(diào)。SpaceX打造了一支極具凝聚力的團(tuán)隊(duì)，并負(fù)有交叉培訓(xùn)和多種功能性職責(zé)，團(tuán)隊(duì)中每個(gè)人都可以更多地參與開(kāi)發(fā)過(guò)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(jí)、提高效率外，企業(yè)還實(shí)現(xiàn)了高度一體化，有意識(shí)地模糊部門(mén)的界限以促進(jìn)信息交流，員工經(jīng)常在工作場(chǎng)所進(jìn)行小范圍交流討論。

廣納賢才

SpaceX作為一家私營(yíng)航天企業(yè)，最開(kāi)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(guó)際航空航天大會(huì)（IAC）上說(shuō)，“我們最開(kāi)始只有幾個(gè)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(jì)師的原因并不是我想這么做，而是因?yàn)槲艺胁坏饺?，?yōu)秀的人都不愿意加入，所以我只能親自來(lái)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(lái)自NASA、洛克希德-馬丁、波音、諾斯羅普-格魯門(mén)等航空航天機(jī)構(gòu)和企業(yè)，他們都是有著豐富行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的精英人才。例如，SpaceX公司的聯(lián)合創(chuàng)始人、梅林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)師湯姆·穆勒（Tom Mueller）， 原 本 是NASA一 家 供 應(yīng)商——美國(guó)天合（TRW）公司——研制氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)最大的業(yè)余火箭俱樂(lè)部的成員。該俱樂(lè)部成員多來(lái)自附近的航天公司，他們?cè)诼迳即壎ㄆ诰蹠?huì)研制火箭。2001—2002年，穆勒在一位朋友的倉(cāng)庫(kù)研制出世界最大的液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)和動(dòng)手能力可謂極強(qiáng)。2002年，穆勒和馬斯克在朋友的倉(cāng)庫(kù)相遇，馬斯克看著穆勒的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，問(wèn)穆勒一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)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(gè)典型案例。事實(shí)上，SpaceX從NASA和美國(guó)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(jí)的27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)

SpaceX之“倔強(qiáng)”

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(jià)。在過(guò)去的十多年里，SpaceX的“獵鷹”多次發(fā)射失敗，但公司都堅(jiān)持了下來(lái)?！矮C鷹重型”火箭采用芯級(jí)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，芯一級(jí)采用27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，這相當(dāng)于18架波音747飛機(jī)的動(dòng)力。而這種芯級(jí)并聯(lián)形式，曾被蘇聯(lián)采用過(guò)。蘇聯(lián)時(shí)期研發(fā)的N-1火箭，芯一級(jí)采用30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，但4次發(fā)射均告失敗。因此，長(zhǎng)期以來(lái)火箭行業(yè)皆不主張采用“蜂窩”式發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)筑大推力系統(tǒng)，因?yàn)檫@樣的結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性提出了極高的要求，即使是一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，都會(huì)對(duì)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(zhǎng)久堅(jiān)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(dòng)機(jī)，而梅林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)也是劍走偏鋒，另辟蹊徑。梅林發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，比其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的德?tīng)査麵V型火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)要簡(jiǎn)單得多，自身具有高度可靠性，進(jìn)而大幅增加了總體可靠性。此外，梅林發(fā)動(dòng)機(jī)推力可以在大范圍內(nèi)調(diào)整。 “獵鷹”9火箭的9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)即便發(fā)射時(shí)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，其他幾臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)也可以自動(dòng)增加推力補(bǔ)償；在度過(guò)了發(fā)射初期的最關(guān)鍵時(shí)刻后，哪怕有兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效也無(wú)妨。所以，即便其一級(jí)安裝了多達(dá)9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，“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(guó)際空間站運(yùn)送貨物時(shí)，其第一級(jí)的9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)就曾有一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)因故障停機(jī)，而其他8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)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(lái)，一級(jí)使用3個(gè)芯級(jí)并聯(lián)組成，并都可回收利用；二級(jí)使用相同的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)由兩側(cè)助推器或側(cè)芯對(duì)中心芯級(jí)進(jìn)行交叉推進(jìn)劑供應(yīng)的火箭，這可使中心芯級(jí)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(jí)火箭相媲美。

過(guò)去10多年來(lái)，SpaceX的團(tuán)隊(duì)都在努力做好的一件事：不斷完善梅林發(fā)動(dòng)機(jī)以及圍繞該發(fā)動(dòng)機(jī)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(shuō)，“獵鷹”系列火箭及梅林發(fā)動(dòng)機(jī)處處想人所不能想，但實(shí)際證明又確實(shí)可行，讓人耳目一新。而這一切與SpaceX的技術(shù)自信、長(zhǎng)久堅(jiān)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(guó)航空航天技術(shù)積淀和國(guó)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(tuán)隊(duì)的特有的不屈不撓、創(chuàng)新開(kāi)拓的精神，這種創(chuàng)新是人類積極開(kāi)拓太空的一種重要精神品質(zhì)。具體到發(fā)動(dòng)機(jī)上，其實(shí)SpaceX的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)就其技術(shù)而言，并不是當(dāng)今最先進(jìn)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(guó)人從來(lái)不缺乏開(kāi)拓進(jìn)取的品質(zhì)和勇于創(chuàng)新的精神，相信未來(lái)中國(guó)的航空航天工業(yè)也會(huì)有自己的獨(dú)到展現(xiàn)。