以科學家思維造火箭

+宇宙人

NASA的TR-106項目，是由科學家提出來的。馬斯克之所以能夠做到頻繁發射、低成本發射，其技術基礎就是“灰背隼”型號發動機。

火箭是科學與技術相結合的產物。但在具體實踐中，科學與技術，以及由此生發的科學思維與技術思維，科學家與工程師，卻在不同的層面對火箭的發展產生著巨大的甚至決定性的影響。

長期以來，火箭發展一直面對路線選擇的糾結。例如，是為了成功率而選擇保守路線，還是為了創新而不惜冒一定的風險？其實，如果轉換視角，從一個科學家的角度去看待火箭，用科學思維去思考火箭，為科學的目標去研發火箭，不僅可以在相當程度上避免這樣的糾結，更難能可貴的是或許會產生出全新的認知。

一、為什么要在火箭發展的歷史轉折點強調以科學家思維造火箭？

商業航天的大發展，讓運載火箭這種基礎性的能力再次受到人們的高度關注。長期以來，火箭被視為理所當然的高價一次性用品，直到馬斯克和獵鷹九號火箭的出現，讓頻繁發射和低價發射忽然有了新的希望，從而為火箭發展帶來了具有顛覆意義的歷史轉折點。馬斯克為什么能做到這些？除了商業創新和工程管理能力，技術上的基礎就是“灰背隼”發動機。而這個始于NASA的TR-106項目的型號，正是由科學家提出來的。

1、科學家與工程師：目標與手段的統一

在中文語境中，“科學技術”常被當作一個整體詞匯。其實如果深究語義，“科學”和“技術”是兩個不同的概念。

中國工程院院士朱高峰在《論科學與技術的區別——建立創新型國家中的一個重要問題》中指出：

著名的“灰背隼”發動機

“科學是人類探索自然（后來也包括社會和人本身）尋求規律（真理）的過程和結果, 其過程為科學研究活動, 其結果為科學理論體系；而技術是人類為滿足生活需要（由簡單的衣食住行到后來復雜的社會需要）而改造自然的方法和手段, 其方法即為技藝，其手段即為工具。原則上說，如馮·卡門所說的科學是探索已有的事物，技術是創造還沒有的事物， 或者說科學追求的是發現，而技術追求的是發明?！?/p>

馮·布勞恩，德國火箭專家，二十世紀航天事業的先驅之一，美國“阿波羅計劃”的重要功臣。

雖然概念上截然不同，但在具體實踐中，在同一個人的身上，可以同時存在科學家和工程師的思維?，F代科學的奠基者、意大利科學家伽利略就是一個典型代表。伽利略不但為現代科學的思想和研究方法奠定了基礎，還親自研發了科學儀器——望遠鏡。隨著現代科學的發展，出現了“科學工程”的理念，需要集中科學家和工程師，為科學研究建造超級儀器，包括超級計算機、大型加速器、核反應堆，當然也包括火箭與衛星。

如果把火箭當作一種科學儀器，人們或許會對科學與技術的關系有另外一種視角。如果我們依然身處近代科學的時期，一個人同時充當科學家和工程師，自己為自己研制科學儀器，或許還是可以做到的。但是到了現代科學的語境下，需要把儀器發射到宇宙當中去尋求自然的真理，就不可能單打獨斗。如果火箭研制的負責人還要身兼項目管理和經營者的角色，這就讓科學與技術彼此促進，讓“知行合一”不再是個人范疇內的理念，要擴展到團隊和企業。

把工程實踐與科學目標充分融合，在為科學服務的過程中，融入科學家的成果、思維方式，將會影響和推動工程師采用全新的方式來設計和試驗自己的型號，在大大小小的方面尋求突破，取得科學與技術的共振。

2、工程師思維與科學家思維：山窮水盡時，柳暗花明處

一般情況下，工程師會為了實現某個工程而努力。他們的基礎，是當前具備的技術基礎，或者近期內可以實現的技術。但有的時候，技術的發展會跟不上人類的需求，包括政府層次上的需求和消費層次上的需求。在這種情況下，工程師思維往往無法徹底解決問題。

那么，該怎么辦呢？

我們先來看一看“阿波羅計劃”方案確定的過程，了解一下科學家思維如何影響了馮·布勞恩領導的工程師團隊。

阿波羅計劃流程示意

馮·布勞恩為實現載人登月而主持研制的土星五號火箭，它為人類打開了全新的、關于宇宙的視野。

大家知道，阿波羅計劃最終采用的是被稱為“月球軌道對接”的方案，這是馮·布勞恩領銜設計的，唯有這種方案，才能確保只用一枚重型火箭，就能在比較短的時間內完成載人登月和返回過程。

有趣的是，這種方案一開始并不在馮·布勞恩及團隊的考慮中。當時有兩種方案備選。一種是直接登月，就是把飛船直接著陸到月球上，再整體起飛返回地球；第二種是地球軌道對接，也就是先發射一個裝滿燃料的推進艙到地球軌道上，然后再發射月球飛船，兩者在地球軌道上對接起來之后奔向月球，著陸完成科學考察后再整體起飛返回地球。

這兩個方案都有一個重大缺陷——從月球上起飛的聯合體太重、所需要的推力太大。土星五號雖然已經是一種超級火箭，它所能送進奔月軌道的質量，未必能夠容納這樣重的聯合體。

美國太空冒險家、旅館業大亨比格羅和他的BEAM充氣太空艙

其實馮·布勞恩一開始比較傾向于地球軌道對接。但是在1961年下半年，一位叫做約翰·哈伯特的科學家在會議上指出了地球軌道對接方案的缺點，并且提出了月球軌道對接方案的想法。負責月球起飛方案的設計師法蓋特當場就坐不住了，他指責哈伯特說：“他畫的圖是在扯謊！”

馮·布勞恩也在場，但是當時沒有表態。因為從工程角度來說，月球軌道對接方案的飛船結構太復雜了，幾乎每個模塊都要設計獨立的電源系統、姿態和軌道控制系統、熱控制系統……等等。所以，哈伯特的方案被無視了。

科羅繆夫領導研發了第一個洲際彈道導彈R-7，此后R-7不斷被改進衍生出多型運載火箭，包括聯盟號。第一顆人造衛星、第一次將人類送入太空、第一次太空行走……蘇聯航天事業一個又一個巔峰，都是依靠科羅廖夫和他的R-7系列火箭得以實現的。（圖為科羅繆夫和加加林）

但隨后，馮·布勞恩很快就認識到，哈伯特是對的。雖然這意味著整個設計工作的重心要從火箭轉向飛船，但只有這樣才能保證登月成功。于是，馮·布勞恩重新計算了整個系統架構和飛行過程，然后一次次說服NASA高層和政府高層。

1962年4月16日，在NASA的馬歇爾飛行中心召開了一次冗長的會議，馮·布勞恩做了一場充分的講解，說服了所有科學家和NASA高層，接受了月球軌道對接方案。6月7日的又一次高層會議中，馮·布勞恩再次強調，月球軌道對接方案只需要一枚火箭就可以完成整個登月活動，比地球軌道對接方案的成本更低、成功概率更高。于是，阿波羅方案就這樣定下來了。

事實證明，馮·布勞恩是對的，無論直接登月方案還是地球軌道對接方案，所需要的大推力月球起飛技術一直沒能突破。哈伯特作為科學家的思維，對馮·布勞恩工程師團隊的影響，是阿波羅計劃得以成功的一個關鍵要素。

二、獵鷹九號：科學家催生的火箭

在很大程度上，這一輪商業航天熱潮，并不是商人或者工程師發起的，而是NASA的科學家群體。沒有他們對于科學目標的追求，以及對科研成果的分享，是不會催生出馬斯克、貝索斯、太空探索技術公司和藍色起源公司的。而且需要知道的是，馬斯克的安身立命之本——也就是他的“灰背隼”發動機——其實也來源于NASA科學家的創意。

1、為什么會有太空探索技術公司？

NASA是一個科學家組成的群體，他們的目標，就是把各種各樣的探測器——有人的和無人的——送到宇宙里去，執行探索、發現的任務。但是由于火箭本身并不是廉價易得的東西，相當多科學家只能苦苦等待發射的機會。怎么才能讓火箭更便宜？讓更多的科學實驗能夠進入軌道？

于是，NASA根據自己對火箭發動機內部燃燒和流體的理解，提出了所謂的針栓式引射器理念，可以通過一個比較簡單的機構，把氧化劑和燃燒劑有效混合在一起，噴射到發動機燃燒室里。通過針栓的調節，可以實現不同的噴流形狀和方向，當然也能控制流量。這省去了傳統的復雜引射機構，還能實現更好的引射效果。我們可以發現，NASA科學家們已經完成了用科學走向技術的第一步，剩下的事情，是需要一家制造企業來把它產品化。接到這個任務的是美國TRW公司，研制出了TR-106驗證機。不過因為市場萎縮、競標失利，TRW把自己賣給諾斯羅普-格魯曼公司，從此湮滅江湖。TRW負責TR-106的副總裁湯姆·穆勒不愿意就此放棄自己的火箭生涯，幾經輾轉之后，他結識了馬斯克。由此催生了太空探索技術公司和獵鷹九號火箭。

從某種程度上說，太空探索技術公司是NASA科學家成果轉移的產物。沒有NASA的科學研究，就不會有太空探索技術公司和馬斯克的傳奇。

俄羅斯質子-M火箭

其實，如果翻看NASA每年的研究項目，會發現非常多腦洞大開的研究。很多項目完成之后，就塵封在檔案之中，等待有緣人的發現。還有些項目并不能像TR-106/“灰背隼”發動機那樣幸運，在實現的過程中被意外打斷。例如NASA發明的TransHub充氣式空間站，在塵封20多年之后，被旅館業大亨比格羅發現和重視，成立了比格羅航天公司投入實際生產。然而新冠肺炎疫情導致美國旅館業一落千丈，比格羅再也沒有錢支撐自己的商業航天之夢。充氣式空間站也只好黯然退場，等待下一個有識之士的投資了。

2、馬斯克：有科學家靈魂的創業者

NASA每年轉讓出去的科學和技術成果很多，但并不是每一項轉移都能讓一個企業發展壯大。馬斯克能夠得益于NASA科學家們的成果，并不是沒有原因的。在很大程度上，馬斯克本人也是一個有科學家思維的人。

按照朱高峰院士的說法：“科學的目的是探索客觀世界的各種事物，尋求其規律。因此，人們從事科學活動的基本動力是人類探索真理的欲望?！蔽覀兛梢园l現，馬斯克也不僅僅是為了滿足NASA的科學工程需求而創辦公司、研發火箭，在很多方面，馬斯克甚至比NASA走得更遠。是馬斯克讓“多星球種族”這個理念深入人心，他為之設想的火星城市已經遠遠超過了NASA最大膽的計劃。在這個過程中，馬斯克很少像通常的火箭設計師那樣，討論運力、運載比等參數，他的重點放在新的火箭能夠做些什么，能夠如何改變人們認識宇宙和利用宇宙的方式。特別是還在研制中的“星艦”超級火箭。

如果不是具備一定科學家思維方式的人，是不會夢想這種超出用戶需求的“科學儀器”的。

三、中國的火箭產業呼喚科學家思維

1、工程師思維的火箭之路已面臨天花板

工程師思維，是根據現有的科學理論、科學發現與技術成果，構建實用化的方案來解決實際問題。有些場景下，人們會過度局限于“現有”這兩個字。這就會給工程實踐帶來很大的局限性。這個問題在中國和外國都廣泛存在。

最典型的案例，就是俄羅斯的“聯盟”火箭，這種成熟可靠、運送了數百名宇航員的火箭，其基本設計居然可以追溯到第二次世界大戰時期馮·布勞恩為V-2導彈提出的設計方案。這是因為，主持“聯盟”火箭的科羅廖夫雖然一直被人們當作航天科學家來定位，實際上他的思維更偏向于工程師。當然，當蘇聯的月球計劃啟動之后，科羅廖夫也發現過去的保守方案不可能滿足科學目標，因此嘗試著提出了N-1超級火箭。但心臟病帶走了這位天才工程師，也帶走了他突破自己的機會。

蘇聯的另外一種火箭，卻是被科學家所挽救的。和科羅廖夫“宮斗”了半輩子的蘇聯天才火箭設計師切洛梅同樣有志于月球探索。他利用自己和赫魯曉夫的良好私人關系，強行啟動了“質子”火箭的研制。相比于“聯盟”，這是個完全顛覆性的型號，真正擺脫了V-2導彈的桎梏。但是當赫魯曉夫下臺之后，極其厭惡切洛梅的蘇共中央部分領導人打算立刻把“質子”下馬。這時候站出來維護“質子”的，是蘇聯科學院院長克爾德什院士。他認為，一種可靠的大推力運載火箭對科學探測活動是必要的?？藸柕率苍趪H科學界有崇高聲譽，對蘇共中央也有著很大的影響力。于是，切洛梅的設計局和他的“質子”火箭被保下來了。

克爾德什的舉措有著深遠的影響力?！百|子”成了蘇聯后期乃至俄羅斯唯一可以頻繁飛行的業務化重型運載火箭。當俄羅斯開始承攬國際發射服務業務的時候，唱主角的也是“質子”。在馬斯克的獵鷹九號出現之前，“質子”占據了國際大型商業通信衛星發射市場的大多數份額，今天依然是獵鷹九號最有力的競爭對手。

缺乏科學家的思維，往往會讓工程部門在火箭研制上不能夠積極地采用更先進、更具有顛覆性的技術。哪怕是一些在國外火箭上已經比較成熟的技術，如果客戶和相關管理部門嚴格要求保成功，那么這些技術的開發和采用也是步履艱難的。例如，我們有時候會從國有火箭研制單位的新聞宣傳中看到一些技術進展，然而，相關技術在從事消費產品制造和大眾服務的企業當中，早已經是成熟和廣泛應用的。傳統火箭研制單位到了2020年的今天，剛剛掌握甚至尚未掌握類似的技術和管理手段，不得不說是嚴重落后了。由此帶來的結果自然是火箭型號在技術上的不足。

2、更多地讓科學家思維發揮作用

這樣的落后，一定程度上是受到市場的影響?？紤]到航天產品價值高、風險大，用戶往往不敢冒著風險去嘗試新技術，特別是那些顛覆性的技術。這并不是不合理的想法，長征五號第二次飛行的失敗，就證明了顛覆性技術的風險確實非常高。因此，想要快速、有效突破，就必須找到一個風險容忍度更高、更傾向于采用顛覆性技術的群體。這就是科學家。

科學家生活在一個探索未知、探究本質的世界里，和工程師“合理夠用”的邏輯有著顯著的不同。因此，當工程師思維無法在某個領域形成顛覆的時候，就需要引入科學的思維，用科學工程來引導技術突破?？茖W工程的需求，可以對火箭這樣的大科學儀器產生“推”和“拉”兩種效果。對科學探測的需求，推動著科學儀器去超越極限，正如長征三號向長征五號的跨越；科學理論的成果也可以直接指導突破性的科學儀器建造，例如相對論創立之后推動了核反應堆的建設。

傳統火箭的諸多落后，要靠科學家思維來創新和顛覆。能夠承擔這種歷史性責任的，絕不僅僅是某個學科領域內的學術權威，而是要超脫自己的專業，進入科學戰略乃至人類文明前瞻的境界。正如齊奧爾科夫斯基、錢學森這樣的人所起到的作用。

四、率先突破的地方會是哪里？

1、中科院：科學家的大本營，科學思維的策源地

在中國，科學家的大本營就是中國科學院，它也是科學思維的策源地。這個世界知名的科研機構下設大量專業研究所，不但在國內科學領域扮演著頭等主力的角色，在世界上也引領著很多領域的科學進步。

這一點，對航天和火箭事業也是適用的。幾十年來，中科院不但為火箭和航天事業貢獻了大量科學成果，還成建制地貢獻了一大批航天科研單位。如今活躍在航天工業當中的很多研究所、制造廠，都是從中科院直接分離出來的。

中科院各個研究單位當中，與火箭事業淵源最深的，當屬錢學森先生親手創辦的力學研究所。這家研究所的定位是“堅持工程科學思想，聚焦制約國家重大任務的關鍵共性技術和核心科學問題，推動力學與相關學科的深度交叉，實現原始創新、系統集成、平臺建設和人才培養的有機結合，建設國際一流、科教融合的工程科學研究基地?！?/p>

我們可以注意到其中的一個詞匯“工程科學”。這意味著力學所不僅僅是為理論研究而存在，更是為了應用研究。實際上，這也正是錢老在1958年就確定的力學所研究方向：“上天、入地、下海，為工農業生產服務”。

在建立以來的60多年中，力學所為兩彈一星和載人航天工程做出了重要的貢獻。特別是在東方紅一號衛星任務中，力學所的科學家團隊起到了決定性的作用。進入21世紀之后，力學所持續在宇航領域取得重要成果，包括“力星一號”、“太極計劃”等科學項目達到世界領先水平。2019年，中科院籌組空天飛行科技中心，機構掛靠在力學所，為力學所和航天、火箭之間建立了更加緊密的關系。2019年9月，空天飛行科技中心完成了當時國內最大整體裝藥220噸推力固體發動機與大功率伺服機構聯合試車，目前還完成了3D打印先進小型液體發動機的總體設計和小比例發動機熱試車工作。

1959年，錢學森在中國科學院籌建了力學研究所

2、中科宇航的嘗試：以科學家思維造火箭

那么，力學所會成為下一個體制內的火箭研制單位嗎？不，他們不想。力學所秉承了中科院的一貫原則，致力于推動科學服務于應用。當一批工程科學的研究成果具有了實用化、產品化、商業化的條件，就會啟動另外一種機制：創業。這就有了北京中科宇航探索技術有限公司（簡稱“中科宇航”）。

按照中科宇航董事長楊毅強的說法，力學所和空天飛行科技中心并不打算追求火箭型號的國家立項。實際上，在中心成立之初，內部就對于機構定位展開了一場討論——這個中心定位在中科院模式的研究院，還是中國航天傳統模式的設計院？討論的結果，是跳出傳統的桎梏，做一個跨界機構，在技術科學和工程科學之間實現突破，引領學科與行業的發展。這樣的模式，在一個科學為引領的環境下更容易實現，在傳統軍工的環境下，卻是船大難掉頭。而中科宇航，可以承擔科學突破向應用領域的橋梁。

就像NASA“催生了”馬斯克，而我們，也期待著中國科學家的大本營中科院，調度力量，“催生出”中國的大火箭公司。據了解，中國科學院對中科宇航的期望和要求，是“三性”： 創新性、先進性、經濟性。最受重視的，是能不能促進行業的發展與升級，如果做不到，這個機構的存在就失去了意義。中科宇航也因此而確立了自己的宗旨：創新、成功。把創新放在成功之前，而不是傳統航天的“保成功”，這也解釋了中科宇航在商業航天發展中，自己的歷史作用和定位。

在“創新”、“成功”的思想指導下，中科宇航大膽嘗試了一些傳統航天不曾進入型號研制的創新思路，包括球形發動機、級間冷分離、箭上無線網、整箭航電系統等等。在中科宇航公布的火箭型譜中，人們已經能看到上述思路的部分實踐。其中，作為公司的首個型號，中科一號甲（ZK-1A）火箭將于2021年首飛，開啟驗證系列新技術的大幕，2021年的商業航天也因此而讓我們充滿期待。

3、科學家思維造火箭的帶動作用

在世界范圍內，火箭科學的創新正在持續進行，包括大量采用3D打印的“電子”號，也包括用不銹鋼在露天建造的“星艦”。這些創新不但是為了滿足商業市場的需求，也是為了滿足全球科學界對于科學探索和研究的需要。因此可以說，火箭創新在很大程度上是科學家推動和實現的。在空間探索和載人探索的大背景下，科學家能為火箭做的事情會更多。

而火箭產業將迎來自己的新時代，一個顛覆過往、邁向大航天時代的機遇。就像馮·布勞恩為載人登月而主持土星五號的研制，為人類打開了全新的、關于宇宙科學的視野。我們的火箭科學和火箭產業，同樣需要一群具有戰略思維的科學家來推動和主持。他們不但需要對于科學研究本身具有責任感和突破能力，更要對學科乃至國家命運、人類文明的前途有著先行的勇氣。

這一切，或許將從一枚與眾不同的火箭開始。