正确的提示信息

扫码打开虎嗅APP

从思考到创造
打开APP
搜索历史
删除
完成
全部删除
热搜词
2023-04-18 09:00
上九天揽月:近地与深空

工业化,或许是文明史上最激动人心的奇迹,工业化进程展开后的澎湃力量,足以在短时间里改写一个社会的经济活动景观,决定一个国家、一个民族的命运轨迹。而中国,是人类工业化历程的最新典范。本文为科工力量《中国工业化》专题系列第一部分《峥嵘岁月:从两弹一星到星辰大海》的第四篇


本文来自微信公众号:科工力量 (ID:guanchacaijing),作者:青岚,头图来源:视觉中国


一、北斗的崛起


在航天产业中,空间应用是另一个重要领域,甚至随着SpaceX等商业航天企业的兴起,进入空间的成本降低,在这一领域引发了更为蓬勃的变革浪潮。


正如上节所论述的,航天产业的特殊供需特征,以及从行业管理到终端应用的全生态一体化,相当程度上过滤了改革开放中前期,技术落差与开放竞争对国内工业部门的普遍冲击。


但上述特殊机制,在空间应用领域影响相对较弱,因而这一细分产业的发展,也呈现出与其他民用工业部门的更多共性,同样可作为后发工业化“第三波”,即中国技术进步战略的典范案例。本节将撷取北斗卫星定位系统和嫦娥探月工程,各自作为近地及深空应用的代表,解析中国空间应用产业发展脉络,及其对未来变革的回应。


北斗卫星定位系统,已于2020年7月31日,正式开通全球定位导航授时服务,成为继GPS\格洛纳斯后,第三个实用化的全球卫星定位系统。


与今天的辉煌相比,1994年北斗一号立项之时,中国航天人,正承受着极大的焦虑,原因很简单:中国卫星平台性能“技不如人”。


截至1994年,在民用卫星领域,严格来说中国只有东方红二号通信卫星实现了初步实用化,风云一号气象卫星还处于在轨技术验证阶段,即便是已经有国产成品的通信卫星,也受到了进口卫星,即美国造“亚太”系列的极大挤压,进口卫星的长寿命、高性能,使其性价比甚至超过了国产卫星,空间应用产业,感受到了严峻的生存压力。


在这样的压力下,中国航天一方面继续坚持技术深化,提高自身产品在通信卫星市场竞争力,另一方面则开始摸索其他空间应用领域机会,即寻求差异化。事实上,北斗导航系统与嫦娥探月计划,均肇始于这一中国航天对空间应用需求的多元化探索。


北斗系统建设过程中,同样出现过引进技术与“以我为主”之间尺度的权衡问题,北斗二号区域定位系统研制过程中,2003年,中方又加入了欧盟牵头的伽利略全球定位系统计划,显然意图通过参与高水准国际合作项目,一步到位实现应用部门需求。


然而十多年后的今天,中国人完全自主的北斗三号系统,已经开始为全球提供导航定位公共服务,而欧盟伽利略系统,却运行故障频发,逐渐掉出中美俄“第一梯队”行列。


在伽利略项目当年“清退”与中国技术合作的时候,欧洲人,甚至可能中国人自己也不会想到,彼时技术底子最薄、布站限制又最多的北斗系统,已经正式建成并开启全球服务,在世界上大部分国家,信号质量都可与GPS媲美甚至犹有过之。


而财力和技术都充足得多的伽利略系统,时至今日依然挂着“试运行”的名头,应付着一个又一个奇葩的技术故障。


中国人甚至还有余力完善向世界提供的卫星定位服务公共品,中国发起并主导的国际GNSS监测评估系统(iGMAS),是世界上第一个覆盖现存所有全球卫星定位系统(GPS、格洛纳斯、北斗、伽利略)的服务监测平台,从用户使用的角度出发,监测评估四大定位系统信号性能,及时通告卫星运行异常工作状态。


北斗三号全球定位系统建成后,中国人在应用上也玩出了越来越多的“花样”,借助北斗系统独特的短报文双向通信机制,中国远洋渔民实现了大范围渔船协同作业,甚至有国内学者在研究以此实现远程高超音速武器的中段制导,还有更开脑洞的想法,捕捉隐形飞机飞行或航母航行中反射的北斗卫星信号,经算法调制后实现对相关重点目标的被动定位探测...北斗下游应用产业,在2025年有望达到过万亿产值规模。


中欧在这一战略技术领域的地位交替,当然离不开中国航天的艰苦奋斗,也同时折射出欧盟航天产业创新效率的衰退,这也是今天包括美国在内的发达经济体中,诸多制造业门类的共通问题。


二、伽利略之殇


在展开机理诠释之前,我们有必要先回顾梳理伽利略系统跌跌撞撞的发展历史。


1999年,在法国的积极推动下,欧盟委员会正式提出建设伽利略卫星定位系统的设想,在建成什么样,怎样来建这两个关键问题上,一开始就出现了巨大争议,对于建成什么样的系统,欧洲方面早期设想极有气魄,计划建设成美国GPS的替代品,并且作为公共产品供全球各国使用,这立即触犯了美国的“逆鳞”。


2001年底,美国国防部副部长保罗·沃尔福威茨(Paul Wolfowitz)致信北约各国防长,“建议”防长们劝告其政府好自为之,不要在欧共体峰会上支持伽利略系统,与GPS“重复建设”,安心等待美国改进GPS民用信号服务即可。


好在此时欧洲一体化的发动机—法德轴心,正处于希拉克、施罗德这对认同欧洲本位的双子星领导下,美国友人的告诫并没有消磨建设伽利略系统的政治意志,但在“怎样来建”的问题上,涉及到真金白银的巨额财政拨款,协调难度陡增,在反反复复的拉锯后,直到欧委会与欧空局改出第五个框架安排,即共同成立“伽利略联合执行体”( Galileo Joint Undertaking,GJU) 这一项目实体,才算正式统一内部意见,得以进入实际工程开发阶段。


GJU能够避免胎死腹中的下场,全靠其采用了“公私合作“(PPP)的融资模式,即吸引私人资本或外部合作方资金,减少欧盟公共资金投入规模,从而也减少了协调成本,使之具备实质性推进的可能。


在实际运转过程中,GJU这一实体由于不具备专业能力,使扮演主承包商角色的欧空局(ESA)有相当大的自主权,得以贯彻其研发路线。


2003年9月,GJU正式开始运转,一个月后,中国作为首个第三国合作方正式签约加入伽利略项目,其后以色列、乌克兰、印度、韩国等国家也相继签约加入,起步势头看起来相当不错,似乎有可能成为继国际核聚变试验堆(ITER)后,又一个彰显欧洲意志和国际号召力的巨型科技工程标杆。


然而昙花一现的好时光后,伽利略项目很快重新陷入了内外的重重阻碍。


一方面,中国人加入该项目让美国人有芒刺在背的感觉,对欧洲方面施加了强大压力,2004年10月,中欧双方正式签约开展伽利略系统技术层面合作,美方官员做出了激烈反应,在与欧洲方面会晤中,甚至直接发出了将击毁伽利略系统的威胁,声称若中国有在战时使用该系统的可能,美方将不排除对欧洲朋友的卫星采用“不可逆”的破坏行动(if necessary, they would use irreversible action),各大西方媒体也绘声绘色地开始讲述起中国人如何在伽利略项目中“搭便车”的故事。


另一方面,原先设想少量公共资金引导,通过特许经营授权吸纳民间资金的公私合作PPP模式,在关键性的特许经营权招标中也遇到了老问题,那就是各成员国利益如何协调,涉及到真金白银的利益问题,无论大国小国,都不会那么好说话,在需要各国一致以形成决策的欧盟框架内,这意味着项目顶层管理的瘫痪。


在法国人的推动下,伽利略系统特许经营谈判曾形成过一个企业联合体接手的顶层架构:特许经营商总部放在法国,运行公司分给英国,两个控制中心及为特许权经营总部提供支持的表现评估中心分别位于德国和意大利,西班牙则分得备份控制中心及附属服务设施。法国人天真地认为,这个叠床架屋的运行架构,已经能照顾到各主要出资国的诉求。


然而随着伽利略项目开始出现超时超支问题,反映法国思路的欧空局(ESA)与反映德国意图的欧盟之间产生了深刻分歧,法国方面主张坚决推进,算战略价值的大帐,不能因为繁琐的经济成本计算丧失时机,德荷英等国则想要推倒重来,要求先对项目前景和实际成本进行更准确核算。


真实原因,是德国工业界对法国人独占最大的一块蛋糕—卫星研制与发射业务,表达了极大不满,德国最大的卫星制造商OHB公司高管甚至痛骂伽利略项目是个“愚蠢的主意,主要是为法国人的利益服务”,德国给伽利略系统投下的每一分钱,未来都会变成瞄准柏林的法国导弹(the irony for German investment in Galileo is that some of Frances nuclear missiles are aimed at Berlin.)


僵持至2006年底,GJU特许经营权谈判最终被欧盟叫停。


随着特许经营谈判取消,GJU这一伽利略项目实施主体也被撤销,2007年后,伽利略系统转为欧盟财政拨款全额资助的公营项目,GJU原有的常规管理职能由欧洲卫星定位系统监管机关( European GNSS Supervisory Authority, GSA) 临时接手,项目发包等重大事项则直接上交欧盟委员会决策。


伽利略项目”国有化“后,与中方的合作很快实质性搁浅,甚至中方研制完毕交付欧空局,已经总装到四颗伽利略系统验证星上的搜索救援(SAR)设备也被指令拆除,可谓是切割得干脆利索,获得美国友人高度肯定。


作为欧盟财政的最大金主,德国也领导着欧洲各中小成员国,开始快乐地重新分配伽利略系统的预算蛋糕,研制了验证星的Astrium等法方公司在其后的批产卫星竞标中“意外”落马,曾痛骂伽利略项目“愚蠢”的OHB公司联合英国伙伴,笑纳了这一大单,同时,德方与意大利组建了合资公司Spaceopal,吃下了15亿欧元的伽利略系统地面段运控合同,把法国、西班牙对手挤了出去。


欧洲议会还出台政策,规定伽利略系统每项产品采购都要有备份供应商,中标的厂商还应将起码40%的合同总金额,分发给与其没有隶属关系的分包商,以尽可能雨露均沾,照顾到中小成员国供应商,一时间皆大欢喜。


在工程管理架构上,GSA接过了项目行政管理权,并随着伽利略项目的进展,凭借根正苗红的欧盟嫡系身份,一步步扩权扩编,从辅助欧盟委员会处理伽利略项目行政事务,摇身一变为伽利略系统运营的主导机构,正式更名为欧洲卫星定位系统管理局(简写同样为GSA),从欧空局挖下来一大块职能和权限。根据欧盟最新规划,甚至将依托GSA组建欧盟太空计划局(EUSPA),在欧空局(ESA)之外,正式成立一个欧盟“嫡系”民用航天发展机构。


2016年12月,欧盟在布鲁塞尔举行仪式,隆重宣布伽利略系统形成初始作业能力(IOC),正式开始对外提供导航定位服务,欧盟委员会分管委员兴奋地表示,“这展现了欧罗巴的技术卓越性,交付航天服务与应用的技巧和意志”( It demonstrates the technological excellence of Europe, its know-how and its commitment to delivering space-based services and applications.)


仅仅一个月后,伽利略系统被曝出卫星星载原子钟大范围故障,连带使用同一厂商设备的印度区域导航卫星系统(IRNSS)也有一颗卫星出现失效,倒霉的印度人随后发射备份星又一次失败,直到2018年4月才补上星座缺口。


2019年2月,随着最新四颗卫星结束在轨测试投入服务,伽利略卫星定位系统有效卫星达到22颗,基本具备了“完全作业能力”(FOC),同月,已经与GSA签下15亿欧元巨额运营维护合约的Spaceopal公司也正式接手位于西班牙马德里的欧洲卫星导航服务中心(GSC),标志着伽利略系统地面主要运控设施基本实现整合,由Spaceopal公司实际运营的意大利,德国两大地面控制中心和西班牙服务中心承担着整个伽利略星座的运控职责,全天候监测卫星轨道等工作状态,管理导航信号质量,并通过控制中心高精度地面原子钟不断向卫星上注同步精确时间信息,维护系统定位性能。


卫星组网基本完成,三大中心互为备份,统一运控理顺关系,看起来伽利略系统距离宣布正式建成已经万事俱备了。


Spaceopal公司也自信地表示,“接管马德里中心后,将能够明显加强我们对系统异常的反应能力,直接改善伽利略系统终端用户的服务体验”(Taking over this responsibility will allow us to react much quicker to anomalies in a more flexible way, directly improving operations and the service that the European GNSS Agency (GSA) provides to the Galileo end users)


言犹在耳,不到5个月后,2019年7月,伽利略卫星定位系统就全线停摆( SERVICE OUTAGE),定位服务中断长达近一周时间,这是美国GPS、中国北斗、俄罗斯格洛纳斯等同类系统从未发生过的严重事故。转入2020年,伽利略系统的发挥一如既往“稳定”,状况不断,甚至再次发生过全线服务降级。


伽利略系统的遭遇,固然有欧盟一体化松散架构的局限,但也是欧盟航天产业创新能力老化的代表性案例,无独有偶,美国航空航天署NASA,近年来牵头的载人航天与深空探索等大项目,同样状况不断,超期超支已成常态,欧空局与NASA,这些曾经创造过辉煌业绩的机构,为何纷纷显露出迟暮之态?


原因可以被总结为“创新者的窘境”,在哈佛教授克莱顿•克里斯藤森名作《创新者的窘境》中,已经描绘了许多产业巨头的类似故事,曾经独步天下风光无限的领军企业,在发展到技术最前沿和产业容量极限后,即便依然在其内部保存着最好的技术基础、最充沛的资源保障,最训练有素的专业人才、最科学合理的常规管理机制,却依然反复上演被更弱小、更简陋的新竞争者自下而上颠覆的一幕,领先地位带来的成本与收益结构,成为这些机构迎接竞争的“组织障碍”,使其无法超越经济理性,在技术变革创造出来的新生市场中全力投入,并最终被适应于更低成本结构的后来者击败。


三、嫦娥探月之路


作为中国空间应用中深空探测的代表,嫦娥探月工程,也有着类似的横向国际比较价值。


1976年8月22日,苏联“月球24号”无人飞船返回地球,成功采集了170克月球土壤样本,这是2020年的嫦娥五号任务前,人类最后一次从月球取回的地质标本,此后月球探测活动,陷入了长期沉寂。


直到1991年8月,迈克尔·格里芬(Michael Griffin)出任NASA局长助理,分管前沿空间探索技术开发,这位年富力强的专家甫一上任,就推动了两个极具新意的前沿项目,分别是垂直起降可重复使用运载火箭DC-X,以及小型月球探测器克莱门汀(Clementine),前者成为今天炙手可热的商业航天可复用火箭先驱,而后者,则标志着1974年的探索者-49号后,沉寂近20年的美国月球探测再次启动。


同样在这一年,大洋彼岸,航天系统闵桂荣院士提出中国也要搞月球卫星的远景设想,并成立了月球探测课题组展开初步论证。


两边的家底相差太过悬殊,中美同时开始(重启)的月球探索,进程很快拉开了差距。


1994年1月,立项不到三年的克莱门汀号探测器成功发射,大约一个月后进入了环月轨道,很快就取得重大成果。利用其搭载的发射机与地球观测网组成双基地雷达扫描月球两极,克莱门汀号宣布发现了月球南极存在水冰的证据,轰动世界。


有水存在,意味着可以在月球上直接电解制备液氢液氧火箭燃料,或提供人类在月球活动必不可少的水源,克莱门汀号的发现,使月球南极成为其后各国探月项目的热门目标。


信手拈来、举重若轻的美国航天能力小品表演在满堂彩中谢幕,中国探月工程则还在剧场外游荡,不得其门而入。


根据欧阳自远院士回忆,90年代初的首次探月方案已经有“嫦娥”文化元素,提出发射一个象征中国文明的人造物品硬着陆(撞击)月球,形成一个月面上的永久性地标,以庆祝1997年香港回归,扬国威、鼓志气,故此计划在香港回归前完成发射任务。


这个脑洞大开的设想由于缺乏科学价值,加之经费需求过多而被中央否决。


1994年,国防科工委组织专家,开始了探月方案的第二次规划论证,在欧阳自远院士的努力下,完成了中国第一个较完整的月球探测可行性报告。提出了探月工程的分期建设思想和第一期月球探测的科学目标,以及第一颗月球卫星的方案设想,计划作为载人航天用的长征2F火箭首发载荷。


然而国家财力的制约,使这一探月方案不久后就实质性搁浅。


这一搁浅就是整整十年。十年里,中国航天人从来没有放弃过争取和努力。


在闵桂荣、杨嘉墀、王大珩等院士的支持和努力下,通过863-703项目和中科院创新工程基金的支持,航天系统继续增厚技术储备,深化对探月科学目标及工程发展的理解认识。此外,航天人抓住一切机会进行游说和呼吁,向决策者、科技界和公众阐述月球探测的重要性,灌输中国开展探月的必要性。


在这个过程中,逐渐在管理机关、平台研制方和应用需求方形成了栾恩杰、孙家栋、欧阳自远三位院士组成的探月“铁三角”。


2000年,曙光终于出现了。


印度空间研究组织(ISRO)在这一年提出了开发月球探测器的计划,设想在2007年前后发射环月探测器,“中国人不能落到印度后面去”,这个朴素的感情因素成为中国探月工程上马的关键助力。


2000年11月22日,首次发布的《中国的航天》白皮书中正式提出:开展以月球探测为主的深空探测预先研究。


2001年,由欧阳自远院士牵头制定的“发射绕月卫星”第一期科学目标和有效载荷配置终于通过了国家评审。


2002年,孙家栋院士组织完成了对绕月卫星第一期工程的综合论证。


2004年1月23日,农历大年初二,绕月探测工程由中央专委正式批复立项。探月“铁三角”分别担任工程总指挥、总设计师、首席科学家。


在嫦娥工程立项的几乎同时,2004年1月14日,美国总统小布什在NASA总部宣布了一项雄心勃勃的计划,将开发新一代载人飞船,衔接拟于2010年退役的航天飞机,同时将加快深空探索节奏,计划最迟于2020年让美国人重返月球,这一次将不再是阿波罗登月“旗帜与脚印”的简单复刻,而是将建设月面科考站,在月球上摸索人类进一步走向深空的各种关键技术,如火箭燃料制取,为进一步的载人火星任务,乃至更深远宇宙的探索打下基础。


2002年,为了保障这一大计划的执行,小布什提名迈克尔·格里芬出任NASA局长,期待这位美国航天业界公认的泰斗再一次点石成金。


底蕴雄厚的美国航天似乎要又一次上演随便一发力,就把其他国家远远甩开的戏码了。


开局是相似的,这一次的结果却令人大跌眼镜,中国人在月球探测中齐头并进,甚至取得了些许领先。


2007年10月24日,嫦娥一号月球探测器在西昌卫星发射中心成功发射,2007年11月7日进入绕月轨道,成为继“东方红1号”卫星和“神舟5号”飞船之后中国航天发展的第3个里程碑。


嫦娥一号研制总投入仅约14亿元人民币,包括了探测器、火箭和2个地面站的建设成本,第一期批准的20亿元人民币预算,结余部分6个亿又成为嫦娥二号飞船研制费。


而作为美国重返月球大计划的第一步,耗资5.83亿美元的NASA月球无人探测器LPRP项目于2009年6月发射升空,相比原定节点延迟了8个月。


更要命的是,作为“前驱”的无人探测器发射升空之时,原定的美国载人登月大计划已经实质性搁浅,计划主持者,迈克尔·格里芬在2009年1月被扫地出门,卸任NASA局长职务。


与他上一次离开NASA仅仅相隔十年,迈克尔·格里芬已经发现这里成为了一个暮气沉沉的官僚机构,国会议员、NASA、工业界巨头形成了牢不可破的联盟,宏大的新设想一旦触动到部门职权和预算的既有蛋糕,就会在各种软磨硬泡的手段下消弭于无形,奇妙之处与东方太极功夫颇有神似。


格里芬在NASA内部四处碰壁,他所推动的美国深空探测“星座计划”遭到媒体与业界的口诛笔伐,2009年奥巴马总统上任后,干脆利落地终结了他的NASA生涯。


在离职前最后一次记者采访中,曾经到访中国,对中国航天有过近距离接触的格里芬提出了一个当时看来相当冷峻而又新奇的判断:如果美国人不抓紧时间,中国人可能将赶在美国之前实现登月。


格里芬卷铺盖走人后,奥巴马团队对星座计划展开审核,认为该项目“预算超支,进度落后,并且缺乏创新”。要完成这一计划,至少还需投入1500亿美元,远远超出美国财政能力,根据这一审查结论,2010年,星座计划正式下马,已经投入开发的飞船、火箭等硬件,被纳入新的载人小行星探测规划一部分继续开发,但多年来依然状况不断,进展缓慢。


在围绕星座计划去留,美国航天界政界骂战正酣的时候,2010年10月1日,嫦娥二号飞船成功发射,通过精巧的轨道规划,除获得迄今为止世界上最清晰的7米分辨率全月球影像图,还实现了对日地拉格朗日点和近地小行星图塔蒂斯的飞越探测。


中国探月工程绕落回三步走的第一步扎扎实实地完成了。


2013年12月2号,嫦娥三号飞船成功发射,13天后,飞船着陆器成功降落于月球虹湾地区,成为1976年的苏联“月球-24”飞船后,第一个在月球上软着陆的人造探测器,2014年10月,嫦娥五号测试飞船发射成功,验证了月球采样返回任务的大气层再入技术。


2019年1月3日,作为嫦娥三号备份的嫦娥四号飞船成功降落于月球背面,在鹊桥中继卫星的支持下,实现了人类航天史上首次月球背面的着陆与巡视探测。


2020年11月24日,长征五号运载火箭成功将嫦娥五号探测器送入奔月轨道,在完成月面着陆、取样封装、上升返回的一系列复杂作业后,12月17日凌晨,嫦娥五号返回器携带1731克月球样品,成功降落于内蒙古四王子旗预定区域。


与美国人的来回横跳相比,中国探月工程在按照自己的步调与蓝图稳步前进,嫦娥五号的成功发射,标志着探月工程绕落回三步走目标的完成,新的深空探索愿景与征程已经拉开序幕。


鲜明的对比之下,如果说欧美航天产业发展,陷于“创新者的窘境”,空有丰厚资源与技术,却由于组织层面积重难返的路径依赖惯性,已经难以超越经济理性和官僚利益,应对新的挑战。


那么中国航天产业,又做对了什么?


有趣的是,中国航天与美国国内如SpaceX等商业航天“新势力”,表现出不少共性。


表象上,是经济层面投入产出、和工程层面管理执行的高效,从总体航天活动来看,根据欧洲咨询机构较为激进的推算,2020年全年中国军民用航天领域投入约为89亿美元,已经达到历史最高水平,与欧洲预算水平大体相当,不到NASA预算的一半。中国航天能够以如此少的资源投入,在航天活动规模上,近年来保持世界第一水平,而已经成为美国航天产业“遮羞布”的SpaceX,同样以锱铢必较压缩成本著称,SpaceX先解决有无问题,再通过扎实预研,低成本试错,快速迈上能力台阶的风格,也与中国式科研“精益管理”作风有异曲同工之妙。


更进一步探究,以北斗、嫦娥为代表的中国空间应用领域“迎头赶上”发展历程中,超越经济理性的战略决策意志、国族价值追求,以及应用牵引精益管理的系统工程方法论,无不是中国工业化后发赶超战略传统的折射,亦是本系列所力图呈现的核心论题。


接下来的一节,将围绕空间应用中另一个举足轻重的独立领域展开,那就是载人航天。


本文来自微信公众号:科工力量 (ID:guanchacaijing),作者:青岚

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系 hezuo@huxiu.com
如对本稿件有异议或投诉,请联系tougao@huxiu.com
打开虎嗅APP,查看全文
文集:
频道:

大 家 都 在 看

大 家 都 在 搜

好的内容,值得赞赏

您的赞赏金额会直接进入作者的虎嗅账号

    自定义
    支付: