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志澄观察:“载人龙”飞船:创新与风险并存

访问次数: 1266 次    作者: 远望智库高级研究员 黄志澄    发布时间: 2020-05-31

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“载人龙”飞船:创新与风险并存



美国东部时间5月30日下午3时22分,美国空间探索技术公司(SpaceX)用“猎鹰”9火箭,把载有罗伯特·贝恩肯(Bob Behnken)和道格·赫利(DougHurley)等两名航天员的 “载人龙”(Crew Dragon)飞船成功送上太空。此次发射备受瞩目,它是美国航天飞机退役后时隔9年,首次在本土利用美国国产的航天运载系统实施载人发射。也是美国一家民营商业航天创业公司首次将人送入地球轨道。
 这次发射是在5月27日因天气原因推迟发射后才取得成功的,全部任务还要经历与国际空间站对接和返回地面等环节的考验。本文在分析了“载人龙”飞船在技术创新和工程创新的特点后指出:在载人航天工程中,创新与压力共生;创新与风险并存

 

“载人龙”飞船的技术创新

 

“载人龙”飞船采用两舱式设计,它具有可重复使用、乘员运输能力强、内部空间大和操作友好等特点,能够执行低成本、商业化的低地球轨道载人航天飞行任务。飞船可容纳7名航天员(目前俄罗斯“联盟”飞船只能搭载3人)。飞船净重9.525吨,发射质量15吨,高8.1米,直径4米,加压容积10立方米,非加压容积37立方米,上行载荷能力6000千克,下行载荷能力3000千克,可处理废弃物800千克。该飞船可独立飞行工作7天,在对接状态下能工作210天。   

 

与俄罗斯“联盟”飞船相比,“载人龙”飞船采用了许多新技术,是名符其实的新一代载人飞船。甚至和 “龙”货运飞船相比,“载人龙”飞船也有不少突破。例如“载人龙”使用了新的超级天龙座发动机系统、触摸控制屏和更耐用的热防护层等众多新技术。这充分说明,SpaceX公司视技术创新为生命,只有不断创新,才能生存和发展。下面我们简单介绍“载人龙”飞船的技术创新:
1.“载人龙”技术创新的最大亮点是采用了首创的新型发射逃逸系统。在“载人龙”飞船4个侧面分别装有推进器吊舱,每个吊舱配有2台超级天龙座发动机,2台一组,互为备份。如果在“猎鹰9号”发射“载人龙”的过程中火箭出现故障,该载人飞船将不再使用传统的逃逸塔救生,而是利用自身超级天龙座发动机系统进行发射逃逸。这种逃逸方案的好处是逃逸系统全程都在飞船上,从而让其具备了全程逃逸能力。另外,由于避免了逃逸塔分离过程,简化了整流罩,提高了航天员的安全性。2020年1月19日,编号为C205.1的“载人龙”飞船,完成了“发射中逃逸试验”,为“载人龙”迈向首次载人发射,冲过了最后一道难关。

 

 

2.“载人龙”飞船实现了完全自动驾驶。它可以全程自动化飞控,全自动对接空间站,全自动应急处理等,当然也可以切换到人工操控,同时还同步受到地面飞行控制中心监控。它使用了最现代的信息技术,其操控台由3块可移动的大型液晶触摸控制屏组成,其操作过程与使用iPad的方法十分接近。
3.“载人龙”飞船取消了传统的可展开太阳电池翼,而采用了非加压舱半包围体装式太阳能电池板。这样可以避免出现电池翼不能展开的故障,而且使用率高,效能更好,无论哪个角度,只要有太阳光照,飞船就会吸收光辐射。当然,采用这一技术除了要求太阳能电池板必须由曲面集成外,还需要反复试验电池板的受热膨胀问题。
4.“载人龙”飞船内部设计力求简洁、舒适和美观,让搭乘“载人龙”飞船变成一种太空观光体验。例如,飞船设计有5扇舷窗,大幅扩展了航天员的视野。其内部设计与特斯拉电动汽车内部设计很相似。整个乘员舱看起来就像是一辆豪华的轿车,一共有7个褐色真皮斗式座椅,上层4个,下层3个,它们由碳纤维和阿尔坎塔拉织物材料制成。
5.“载人龙”飞船底部主热防护系统,采用了第三代PICA-X改进型酚醛浸渍碳烧蚀材料,所以在飞船再入大气层时,可承受多次高温烧蚀而不呈现严重退化。这使航天员在重返大气层时能得到更好的保护,也有利于乘员舱的多次使用,提高了飞船的重复使用能力。

 

 

6.“载人龙”飞船既可与“国际空间站”自动对接,也能由航天员在手动控制下完成对接,而无需“国际空间站”的机械臂协助。这意味着“载人龙”飞船的对接系统,采用了更新的测控设备,能达到更高的控制精度。
7.“载人龙”飞船为航天员研制了新的航天服。它完全是量身定做,不仅外形美观而且十分轻便和安全。其头盔和关节过渡段,均经过特殊设计,可在舱内失压时进行良好密闭并充气保压。 

    

  


“载人龙”飞船的工程创新

 

实际上,科学、技术和工程是三种有紧密联系但是有不同特征的社会活动。科学活动是以发现为核心,技术活动是以发明为核心,工程活动是以建造为核心。工程创新是创新活动的主战场,是不断突破壁垒和躲避陷阱的过程,工程中不但包括技术要素而且包括非技术的社会要素,必须从“全要素”和“全过程”,去认识和把握工程创新活动。钱学森提出工程的主要标志就是其系统特征:“我们把极其复杂的研制对象称为“系统”即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体,而且这个“系统”本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。”由此可见,从技术创新到工程创新的过程,就是一个系统工程的创新过程。

   

 

“载人龙”飞船的研制也是一项复杂的系统工程。为了达到兼顾安全性高、成本低和操作方便等目标,在系统工程的总体方案上必须有所创新。实际上,上述这三方面的目标是难于兼顾的,必须进行适当权衡。目前SpaceX公司的载人飞船每次任务的报价是1.5亿元,每个座位的报价将远低于“联盟”飞船O.81亿元的报价。但“载人龙”飞船发射对气象环境因素却很敏感,这虽是上述这种权衡的结果,但仍有进一步改进的余地。

 

  

在载人航天工程中,传统的系统工程认为,应在地面试验中暴露尽可能多的风险,以降低试错成本。在“载人龙”飞船的研制中,一方面尽可能在地面试验中进行考核;另一方面,也重视总结每一次完整飞行试验之后产生的“经验”。他们认为,基于更先进的工具和更优化的供应链协作关系,这种走完多次“设计、开发、测试”流程所需要的成本,已经大大低于上个世纪;而每一次完整迭代之后产生的经验,实际上是降低了项目的整体成本。“载人龙”飞船虽只经过一次无人的飞行试验就大胆进行了载人飞行,但由于“载人龙”飞船是在运货的无人龙飞船的基础上研制的,而运货的龙飞船已经完成了20次飞行任务,其积累的经验,十分有助于减少研制 “载人龙”飞船的所需飞行试验次数,从而大大减少成本。由此可见,“载人龙”飞船的发展,与苏联分别研制 “联盟”载人飞船和“进步 ”运货飞船的做法完全不同。这也是“载人龙”飞船最大的系统工程创新。     

 

 

其实,技术创新尤其是工程创新,其关键是管理体制的创新和人才培养机制的创新。在一个庞大的航天系统工程中,管理者一般试图通过严格的规范和过程管理,来实现对项目的总体控制。实际上,这种控制却又可能会扼杀基层科技人员的创新。SpaceX公司一直在这两方面寻求一种平衡。SpaceX公司的主要技术骨干来自传统的航天公司和硅谷的信息技术公司,也有来自美国宇航局(NASA)的。为了使团队保持创新能力,SpaceX公司一直尝试着精简组织架构、省略更多的规范、去除不必要的过程管理。公司内部没有通常意义上的部门划分。各领域的员工都可以平等地参与技术研讨、设计和开发等工作。火箭推进、材料、结构、系统集成等方面的工程师们,都集中在一个超大的办公室里,因此,他们工作上遇到的问题可以随时面对面解决(他们的系统集成和我国的总体部的功能并不完全相同)。公司的每一位员工,还可以发邮件给马斯克或者直接要求与马斯克面谈。公司的设计人员在设计之初,就会考虑到材料和工艺的可实现性,随时到车间与生产人员直接沟通,及时了解相关技术是否具备投产条件。事实证明,管理的扁平化,不仅激发了科技人员的创新热情,保证了整个研发工作团队的效率,而且也大大节约了管理成本。
由此可见,SpaceX公司将系统工程的管理,建立在每个员工的“责任心”基础之上,这就是他们的核心理念:“对于正确、高效地完成任务来说,任何现有的过程管理方法,都无法取代责任心。” 


创新与风险并存

 

对于“载人龙”飞船的技术创新,国内外的同行也有不同意见,他们认为由于“载人龙”飞船采用的新技术众多,必然会增加航天员的安全风险。这让马斯克倍感压力。马斯克表示:“我是项目总工程师,如果此次发射一切顺利,那都是SpaceX和NASA团队的功劳,但如果出了问题,那就是我的错。” 马斯克在发射前与两名航天员家人见面时,他说我们将努力确保他们的亲人能够安全归来。马斯克在说这些话时,甚至一度哽咽。

对于载人航天这样以航天员安全为优先的大型系统工程顶目,创新与风险并存。据NASA的评估,这次“载人龙”飞船的首次载人飞行有1/276的概率是致命的,有1/60的概率因某个问题导致任务失败,但不会导致机组人员死亡。虽然这次“载人龙”飞船首次发射成功,但确保今后每次飞行都安全,仍然会十分艰巨。NASA负责航天飞机任务的主管詹姆斯•奥伯格对“载人龙”飞船的安全性还是感到担忧。他说:“经验是一个比知识定义和公式更关键的因素。经验能够创造一种直觉,不仅能让人看到有什么问题,还能想象到应该是什么样子。他们擅长的不是创造答案,而是提出问题。SpaceX的团队应该吸收这种洞察力,并且学会运用这种智慧。虽然他们积极的状态和对挫折的正确反应令人鼓舞,但龙飞船的载人飞行仍然会让我感到担忧。”其实,美国航天飞机的首飞就直接载人,要比今天“载人龙”飞船更大胆。庆祝航天飞机成功首飞的时刻,几乎无人料到今后会发生两次机毁人亡的灾难。由此可见,工程创新必定要经历全寿命周期的的考验后,才能说成功。

由此可见,一个卓越的载人航天工程项目,必须在大胆的创新和风险的有效控制之间作出平衡。由于载人航天工程本身和其环境都十分复杂,除了正确地进行地面试验和系统仿真之外,更重要的是在飞行实践中不断总结经验教训。

 



结束语


我国载人航天正在进入全面建设载人空间站的新阶段,我国也正在研制和试验新一代可重复使用的载人飞船,我国也已经创立了多家民营商业航天公司。由于中美之间在航天领域的直接交流已经中断多年,目前也无改善的任何迹象,但我们仍然希望,将来有机会和SpaceX公司一起,交流在研制载人航天工程项目中的各种经验教训。

 


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