“星链”系统建设的背后,航空航天产业正在经历第三次变革

原标题:从俄乌冲突看“星链”:徘徊在近地轨道上的太空“绞索”

4月底,美国全国广播公司(NBC)报道称,目前有超过1万个“星链”终端为乌克兰提供服务。在报道出炉后不久,乌克兰数字部长米哈伊洛·费多罗夫(Mykhailo Fedorov)也表示,“星链”所提供的服务是“对乌克兰基础设施和恢复被破坏领土的至关重要的支持。”

“星链”项目是由美国太空探索技术公司(SpaceX)发起建设的卫星系统,启动自2015年2月,目前,Space X已经发射了两千多枚“星链”卫星。

如果确如西方媒体报道所言,“星链”在俄乌冲突中为乌克兰提供了服务,那么这显然成了乌克兰在国际上进行舆论战和外交政治活动的关键基础。

“星链”难以摧毁潜在军事价值巨大

可靠、高效的通信是任何军事行动的先决基础。“星链”系统覆盖全球的高速互联网接入能力本身就具备不可估量的军事价值。

而且因处于不断的高速移动过程中,基于多普勒效应的相关算法,“星链”系统能够具备精度达到10米以内的定位能力,从而成为GPS系统的战时备份。

更进一步,“星链”卫星还有能力搭载红外成像等其他载荷,实现更为敏感的全球监视等关键军事能力。

一箭60星的“星链”卫星。

按照SpaceX公司目前的规划,整个“星链”系统由分布在近地轨道上的4.2万颗小型卫星组成。其中任何一部分卫星失效,都可以由附近的卫星迅速重构网络,并依托可回收重型火箭,以非常低廉的发射成本进行迅速补充。

3月底,美国空军进行了F-35A高速通信测试,其中就用到了“星链”系统。

这种去中心化、易补充的特性已经在今年年初得到了初步验证:在2022年2月3日发射至测试轨道的49颗星链卫星中,有40颗由于太阳活跃引发的大气层膨胀而失控坠毁。虽然一些评论认为这是SpaceX公司的决策失误所造成的,但是“星链”系统所用的卫星与传统的通信卫星,不论是制造发射成本,还是功能差异、运营模式等都不具备可比性。从后续“星链”系统的服务状况来看,这样的损失也对其没有造成大的影响。

显然,这是一种去中心化、易补充、成本低的全球分布式卫星系统。从目前的情况来看,要物理性地摧毁“星链”系统存在很大的困难。

绕过传统航天模式的颠覆性观念

SpaceX公司对“星链”项目的核心设计目标是尽可能地压低发射和卫星制造成本。随着发射数量的继续增加,以及每5至7年的卫星更新频率,40颗卫星损毁这样的意外损失将在未来被卫星制造和发射成本的不断降低所抵消。

“星链”所使用的卫星只使用电推进系统,其中一个至关重要的原因是:在美国,肼类燃料推进系统由于涉及高毒、易燃、易爆的特性,人力和劳保环保成本极为高昂。

去除肼类燃料推进系统后,卫星的制造标准就更接近传统消费/工业电子产品。大规模批量生产的纯电推“星链”卫星,设计、测试和生产成本因巨大的产量被分摊到空前低廉的程度,卫星本身的造价就异常低廉。

SpaceX火箭已经创造了12次以上复用的纪录。

此外,作为支持起“星链”系统的关键,SpaceX公司旗下的“猎鹰”系列火箭也显示出了巨大的作用。

在传统的航天领域观念中,可回收设计必然导致结构和飞行控制系统更复杂、载荷能力更弱,这会使得这类火箭成本高、风险高、性能低,缺乏实用价值。

但SpaceX公司的经验正在证明,可回收火箭带回的完整箭体和发动机,对于进一步查明火箭的缺陷和不足、优化箭体设计具有重大的价值。配合快速迭代的研发管理模式,可回收火箭的性能进化速度远超传统火箭,更使得单次发射成本降低到了传统航天产业无法到达的地步。

从汽车到飞机从飞机到卫星

百年以来,由于工作环境和自身特性的诸多限制,航空航天器在设计制造过程中总是面临着大量的困难——要在极为轻巧紧凑的结构限制下,设计出具备极高整体强度、极强耐高温能力并能够实现各种复杂功能的航空航天器,不断突破现有工程设计的边界与极限,是全球航空航天产业的日常。

这种高难度、高风险的项目背景,一方面使航空航天产业成为了尖端基础研究和工程技术汇聚的核心工业领域;另一方面,也使得航空航天器作为一类工业产品,在设计和生产上面临困境:

因为风险管控严格,产品的商业潜力受到限制,研发进度放缓,而成本管控又相对宽松,设计制造成本容易居高不下,产能也较为受限。

这带来了航空航天产业历史上的一系列矛盾现象,在和汽车工业的对比上,这种矛盾表现得尤为其突出:

从技术上看,航空航天产业是毫无疑问的领跑者。

比如达索的CATIA设计软件,最早用于飞机结构设计,之后被推广应用于汽车结构设计上,目前已经成为汽车产业的核心基础软件。这种先进理论和技术从上游向下游外溢扩散的现象,在航空航天产业和汽车产业之间,几乎总是从前者单向地流向后者。

福特汽车公司的流水线生产模式宣告了汽车产业界传统作坊式生产的终结。而航天产业的类似进化则要晚得多。而且直至目前,批生产程度依然无法与航空产业相比。从这个角度来说,SpaceX公司大大推进了火箭和卫星的批量生产节奏。

但从管理体制上看,汽车产业却多次对航空航天产业实现了逆向输出,影响极为深远。比如二战时期,航空产业真正向流水线化的高效率大规模生产模式转变,就依赖于福特汽车公司的介入和指导。

冷战期间,基于丰田汽车公司管理经验的精益生产管理体系也被普遍引入各国航空航天产业,成为降低成本、提升产品质量、牵引产能提升的关键之一。

相比航空航天器,汽车虽然也需要复杂的设计制造流程,但由于其风险较低、商业化程度较高,技术迭代、成本控制和流程优化的压力和动力也更大一些。这使得汽车产业虽然是技术上的承接者,却是管理理念上的领先者。

从某种意义上来说,“星链”系统所创造的新模式正如同汽车产业的观念对航空领域的影响一样,冲击着传统的航天产业。

航空航天产业正在经历第三次变革

“星链”系统正在以现代电子信息产业的管理模式向传统航天产业发起冲击,并在美国成功建立了一套全新的、相当有影响力的新产业链。相比之下,以波音等防务公司为代表的美国传统航天产业阵营就显得逊色不少。

美国下一代战斗机假想图

虽然SpaceX的董事长埃隆·马斯克(Elon Musk)目前还没有宣布将直接涉足航空业,但是其通过SpaceX以及“星链”系统所体现的产业标准已经对航空业产生了显著的影响——在近年来美国空军所发布的未来飞行器项目发展规划中,对技术快速迭代等要素的重视被提升到了前所未有的高度,这也对传统的航空防务企业提出了更高的要求。

而对航空航天领域的后发国家来说,如果不能对自身的航空航天产业进行有效的改革调整,那么在未来的发展过程中就将面临差距无法弥补、甚至不断被拉大的风险。“星链”系统现阶段所显示的军事威胁还仅仅是这种风险的一部分。

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