美国在太空技术领域保持领先的法门究竟在哪? | 循迹晓讲
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｜作者：颜方平
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在全世界各国都忙于恢复经济、收缩不必要政府投资的时候，我国独自完成了大量航天试验，并且于2020年底之前，实现了由月球探测器携带月球土壤样本返回地球。
｜新闻截图源于网络
探月工程，是中国到目前为止复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程，要成功实现“嫦娥五号”的探月任务，需要经过地月转移、近月制动、环月飞行、月面着陆、自动采样、月面起飞、月轨交会对接、再入返回等多个过程，涉及到大量的技术工作。
这些工作每一个单独拿出来，都算不上特别困难的技术飞跃，但在一系列系统工程中同时展示完整的技术链条，就需要精密的协同配合和强大的技术保障，这显示了我国航天已经达到了相当的技术水平。
探月计划的重大成就，让人不禁想起了半个多世纪之前，美国的登月工程。当时，在冷战的大背景下，美国投入大量资金和科研力量，最终实现了人类载人登月的壮举。
｜图源于网络
与此同时，苏联的航天部门为了与美国竞争，也付出了巨大代价，在多次失败之后，成功发射了2个月球车，并于上世纪70年代，实现了多个“月球”号探测器从月球采样返回地球。半个世纪前的美苏太空竞赛，尽管苏联也取得了一些成就，总体上是美国胜过苏联。
为什么苏联在太空技术竞赛中会失败，而美国就会成功呢？后来者要从美苏争霸的这段历史吸取什么经验和教训，而今日美国的太空技术是否会被其他国家赶超呢？
今日人类对太空的探索和开发，已经持续了近一百年。把目光瞄向太空，最初是为了军事用途。德国在第二次世界大战期间研发出了弹道导弹，让向太空中发射人造物体成为可能。
二战结束后，德国火箭技术和科技人员成为美苏两国太空技术的基础。美苏竞相搜罗德国的火箭工程师、火箭设计图、火箭零件，美国由于天然的文化和政治优势，获得了更多德国科学家的青睐，延揽到了更多人才，而苏联由于军事和地理优势，获得了位于德国东部的火箭中心和剩余火箭装备。
从起点开始，美苏就走上了不太相同的道路。
｜ 韦纳·马格努斯·马克西米利安·冯·布劳恩男爵（德语：Wernher Magnus Maximilian Freiherr von Braun，1912年3月23日-1977年6月16日），出生于德国东普鲁士维尔西茨，德国火箭专家。二十世纪航天事业的先驱之一。曾是著名的V2火箭的总设计师。战败后，美国将他和他的设计小组带到美国。移居美国后任美国国家航空航天局的空间研究开发项目的主设计师，主持设计了阿波罗4号的运载火箭土星5号。图源于网络
由于火箭中心的图纸、装备等大部分落入苏联手中，苏联早期的太空技术发展要强于美国。
1957年，苏联在德国火箭的基础上开发出了R-7火箭，向太空发射了第一颗人造地球卫星。苏联的领先让美国受到一些刺激，决心大力发展太空技术，赶超苏联。
美国人曾经的这种心态直到21世纪还被人们铭记在心，2018年苹果公司的流媒体平台Apple TV+推出了自制电视剧《For all mankind》，讲述了美国人眼睁睁看着苏联率先实现载人登月之后，奋起直追的故事。
为此，美国特意成立了美国国家航空航天局，也就是“NASA”，人类对太空的探索，第一次以民用组织的面貌出现，此前不管是美国还是苏联，都是军事或者准军事组织。
NASA成立之后美国的太空技术出现突飞猛进的进展，这得益于美国获得了大多数的德国火箭技术人才，只有人才才是第一生产力，才能有持续性的技术输出，仅仅获得物品，是不可持续的。
再加上美国原本就强大的基础科学水平，美国的火箭技术突飞猛进，到1960年左右，美国的土星火箭家族发展成熟，其运载能力已经能够与苏联持平。
｜冯·布劳恩站在土星5号“前”图源于网络
不过，此时苏联的步子依然在美国之前。
1961年，苏联把加加林送入太空，成为第一个实现载人航天飞行的国家，加加林也因此成为苏联的国家爱英雄，同时他也是人类的英雄。2011年，美国人把加加林上天的4月12日定为人类太空飞行国际日，以纪念曾经的对手苏联达成的这一巨大成就。
在加加林上天之后仅仅三个星期，美国也将谢泼德送上太空。两个超级大国相继实现载人航天飞行，虽然是人类技术史上的巨大突破，却远远不是航天事业的终点。
在政府的大力支持下，苏联有条不紊地从火箭技术出发，发展人造卫星、载人航天，并且计划实现半永久性的空间站。
当时，苏联开发空间站的考虑主要是军事方面，空间站是地球上空运行，可做看作是一个空间基地，可以随时监控美国或者其他国家的动向，而其他国家则几乎没有还手之力。
｜国际空间站 图源于网络
苏联在前期取得了巨大成就，出于在宣传上急于显示自身“优越性”的目的，大事宣传，却忽略了这样的宣传很可能起到给美国“递刀子”的反效果，促使美国拼尽全力也要在太空技术上压倒苏联。
先是，美国两任总统艾森豪威尔、肯尼迪都没有表现出太空探索的充分积极性，直到加加林上天成功，才促使肯尼迪总统彻底转变观点。他指示副总统牵头研究美国目前有什么项目能够追赶上苏联，NASA根据当时的研究进展，汇报了地球轨道空间站和登月计划两个项目。
登月计划被美国人称为“阿波罗计划”，肯尼迪总统亲自在国会发表演说，争取到了国会的拨款支持，开始了具有“美国特色”的“新型举国体制”实现载人登月的路线图。
｜1961年5月25日，肯尼迪总统在国会上发表人类登月计划的演讲。图源于网络
最早进入太空的加加林和谢泼德都不是严格意义上的“轨道飞行”，而是次轨道飞行，飞船的飞行轨迹是与地球表面相交的，并不能完整环绕地球一周，飞船的飞行轨迹本质上是一个椭圆形的一部分。
要实现围绕地球一周，飞船的飞行轨迹必须是一个更大的椭圆形，需要更加精密、复杂的动力控制系统，在适当的点位加速，让飞船达到更高的速度，进入更高的轨道，这就是通常说的“变轨”。
1962年，美国宇航员约翰·格伦成为第一个驾驶飞船环绕地球运行的美国人，从亚轨道变入地球轨道，再变入降落轨道，最后安全返回地球。格伦之后，美国又启动了一系列的变轨飞行试验，为登月飞行积累技术经验。
｜1962年2月20日，约翰·格伦正在驾驶水星号飞船 。图源于网络
与此同时，苏联也在有条不紊地推进空间站的实现，于1961年实现了在基本相同的轨道发射两架宇宙飞船的能力。
不过，当时苏联并没有掌握空间交会能力，两艘宇宙飞船尚不能靠近，只能在同一轨道保持一定的可控距离，苏联的两艘飞船之间距离在6公里到2800公里之间。
与美国一样，苏联也实现了人为操纵宇宙飞船实现变轨，这是制造空间站或者实现登月的基础。
美国和苏联作为世界上空间技术最发达的两大国家，如果能联合合作实现登月，一定是效率最高的。
肯尼迪曾经提议苏联合作，赫鲁晓夫最初是答应的，毕竟合作登月并不会对苏联造成什么实质损害。但肯尼迪遇刺之后，赫鲁晓夫对肯尼迪的继承人林登·约翰逊并不信任，美苏合作不了了之。之后，美国和苏联各自开展了探月活动。
在20世纪60年代，苏联的航天工程都是由著名科学家科罗廖夫主导的。事实证明，科罗廖夫是一个天才，他奠定了60年代之前苏联航天技术的霸主地位，美国人难以望其项背。
｜谢尔盖·帕夫洛维奇·科罗廖夫（1907年1月12日－1966年1月14日） 图源于网络
但是随着1966年科罗廖夫的逝世，苏联在空间技术上出现后继无人的窘境。
在科罗廖夫逝世后，苏联先后进行了29次月球探测，只有19次成功，预备用来登月的联盟1号飞船也在航天飞行中出现事故，导致宇航员科马洛夫遇难。
1969年，苏联连续两次发射火箭失败，不得不推迟载人登月计划。此后苏联再也不敢贸然实施载人登月的计划，仅仅是向月球发射探测器和月球车。
反观美国，在火箭技术、空间对接技术、轨道转换技术上稳步取得突破。1969年，没有登月舱的阿波罗8号载人飞船实现了环月飞行，并返回地球，为美国后来实现载人登月打下了坚实基础。
｜阿波罗9号宇航员太空行走 图源于网络
1969年3月，阿波罗9号在近地轨道试验了宇航员驾驶登月舱，并取得成功。阿波罗10号更进一步，实现登月舱的绕月轨道飞行，做好了施加动力下降登月的准备。
1969年7月16日，阿波罗11号在肯尼迪航天中心发射升空，宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林在飞船进入月球轨道之后，转移到登月舱，于7月20日驾驶着登月舱在月球的宁静海着陆。
阿姆斯特朗因此成为登上月球的第一人，20分钟后，奥尔德林也跟着登上了月球。在月球上，两位宇航员差不多度过了两小时的时间，之后再返回登月舱，点火升空离开月球。
阿波罗11号任务的安全实现使美国赢得了月球竞赛。
美国虽然是资本主义市场经济国家，但并不表示美国不能在政府主导下以举国之力发展一种科技。阿波罗登月计划在当时耗费了255亿美元，按照购买力折算，相当于现在的1500亿美元，说美国是倾国之力发展登月，毫不为过。
反观苏联，从1966年到1970年，登月计划的总投入约为50亿美元，只有美国的五分之一。同样是举国体制发展登月，耗费资金的多寡，也符合美苏真实经济实力的对比。
经济账固然要算，科技账也不能含糊。
｜科罗廖夫设计的N-1运载火箭 图源于网络
在科罗廖夫逝世后，苏联的太空技术步伐明显放慢，这固然是因为苏联失去了天才的科罗廖夫，更深层次的原因则是苏联整体科技实力的落后导致的。苏联的N-1大推力运载火箭的失败，是苏联登月计划夭折的重要原因之一，而苏联火箭之所以无法成功，主要是苏联的细节技术和生产工艺比较落后。
二战结束之后，苏联大量获取了德国的设备，在此基础上进行了再研发。但没有高水平的基础科研作后盾，苏联的再研发，主要是以实现某一种技术指标为目的的定向研发，成功率并不高。
相反，很多设备苏联还是从美国、欧洲购买的，制造火箭、飞船所需要的关键材料、组建，也都依赖从欧美进口，这样的基础实力，就算是倾国之力，最多只能在沙漠中长出沙棘，万无可能在沙漠上开出鲜花。
为了抓紧完成登月任务，造不出真正大推力火箭发动机的苏联，只能使用推力较小的发动机替代，多装几台，取得足够推力。
｜N-1运载火箭尾部30台发动机特写 图源于网络
多个小推力发动机的体积一定是要大于一个大推力发动机的，因此苏联的火箭体积也变得十分巨大，而体积越大，微小的细节误差导致整体失败的可能性也越高，N-1火箭的失败成为必然。
70年代之后，西方开始有条件扩大与苏联的贸易，苏联因此抓住机会进口了大量西方的技术产品，包括材料技术、机床设备、电子计算机，正是这些新采购的西方先进设备“解放”了苏联的科技生产力，让苏联得以制造出真正的大推力火箭，虽然没能实现登月，苏联还是率先实现了在地球轨道上运行载人空间站。
｜美国航天飞机访问俄罗斯“和平号”空间站 图源于网络
从美国的成功和苏联的失败可以看出，任何国家都可以倾国之力，以“举国体制”发展某一种科技，这并不是特定国家和特定制度的“优势”。而发展科技不仅需要大量人力物力，更加需要成体系科学研究和技术基础，以及全面、高效、合理的教育制度和人才培养机制。
美国的优势就在于基础科学、技术体系、人才储备，苏联的问题则是，几乎所有的技术研究，完全以实现特定目的为目标，没能力，也没兴趣从基础入手全面提高科研水平。
因此苏联的高新技术严重依赖一两个技术“天才”的巧思，一旦失去科罗廖夫这样的天才科学家，苏联的整个科研体系也就没有后劲了。
美苏争霸期间，双方的探月计划创造了多项“第一”，第一次载人航天，第一次绕月飞行，第一次登陆月面。
虽然苏联最早发展航天技术确有军事方面的实用性考虑，但相比间谍活动和大气层内的侦查手段，航天技术能够带来的情报收益实在太小，以至于逐渐放弃了情报方面的考虑，而专心用于创造航天纪录本身。
美国更是如此，从最初的落后，到后来的奋起直追，着眼点全部在航天技术本身方面，甚至牵头签订了太空非军事化国际协议，自愿让数百亿美元的投资“打水飘”。
｜1959年10月4日，“月球-3”飞到月球背面，拍摄了世界上第一张月球背面照片。 图源于网络
美苏的太空竞赛，表现出极强的政治含义，他们的竞争就是纯粹的比谁能先到达，关乎的是对立的两个大国在声望和地位上的攀比。
但是，即使是攀比，美国和苏联依然有所不同。美国对于太空技术的探索，目的明确，从一开始就定下一个比较长远的目标，并始终为之努力。基于大推力火箭技术，美国的技术定位一直就是载人登月。
而苏联则出现了摇摆，考虑过空间站、载人登月、仪器探月等不同的目标，技术领先的时候似乎可以挥霍自身的领先优势，一旦技术开始落后，就陷入被动追赶的境地。
当美国的土星系列火箭已经稳定成熟之后，苏联一直在疲于追赶美国的火箭推力，妄图在根本没有足够技术储备的前提下，使用超常规的方法让N-1火箭赶上美国。
｜加加林与科罗廖夫 图源于网络
在火箭技术已经确定赶不上之后，苏联仍然不服输，尽管载人登月已经无法实现，苏联还是锲而不舍地向月球发射探测器和月球车，这些设备上承载的是斯拉夫人不甘言败的倔强。
美国之所以领先，固然是强大的科研实力，更重要的是，美国人制定的目标和做事的方式总是能够开风气之先。
从设立专门的民用航天部门NASA，到制定载人登月的目的，到发挥“美国特色”的“举国体制优势”，美国人在做的事情常常领先对手一个时代。
｜NASA 图源于网络
NASA成立的时候，其他有志发展航天的国家都还是军事部门牵头，包括苏联、中国和欧洲国家；美国人立志载人登月，苏联人则沉浸在人造卫星和载人航天方面已经领先于美国的成就；美国人不惜以举国之力投入巨资实施登月计划，苏联却放慢了投资脚步，并且在空间站和登月之间出现了摇摆。
被赫鲁晓夫拒绝的美苏合作登月倡议，以美国的经济实力来说，一旦合作必然投资远大于苏联，但成果却可以美苏共享，这对于苏联来说肯定是稳赚不赔，所以，这项提议没有能够成为现实，最应该感到可惜的是苏联。
美国的这项提议，也成了未来多国合作建造国际空间站的先声，苏联的继承者俄罗斯吸取了苏联的教训，于是，毫不犹豫加入了国际空间站计划。
美国实现载人登月之后，没有再发起新的载人登月计划，主要原因是苏联与美国的太空竞赛已经结束，登月对美国人来说已经是一项投资远大于回报的亏本买卖。但是近半个世纪之后，陆续有国家开始新的探月计划。
21世纪人类的技术水平远高于美国登月之时，再次探月，其意义已经远远高于美苏纯粹的太空政治表演，因此美国总统特朗普才提出了新的计划，要“重返月球”。
不过探月和登月还是完全不同的两码事。
｜隼鸟2号小行星探测器是日本宇宙航空研究开发机构发射的“隼鸟”的后继探测器。该探测器从2014年发射后，于2018年6月底，抵达小行星“龙宫”。2019年2月在“龙宫”着陆，收集“龙宫”表面样本并发现了水合矿物质，2020年12月6日3时，“隼鸟2号”把来自小行星的第一个地下物质样本扔到南澳大利亚沙漠的南部沙漠地带的伍麦拉火箭试验场。隼鸟2号探测器目前运作正常，为充分利用机体残存燃料，已变更其飞行轨道，转向小行星1998 KY26方向，预计2031年7月抵达。图左为“隼鸟2号”探测器在“龙宫”表面收集样本效果图，图右为“隼鸟2号”探测器采集到小行星样本。图源于网络
发射探测器在苏联技术水平不够的前提下也成功过多次，而登月对于地月飞行的每一个过程来说，其要求都要大大提高。除了中国的嫦娥号之外，欧盟、俄罗斯、日本、印度、以色列等国家都有进度不同的探月计划。
俄罗斯在2025年之前将要发射三个月球探测器，其编号也是苏联时期月球探测器“月球号”的延续；欧洲航天局的计划与美国阿波罗计划类似，最终目标是2025年实现载人登月，并建立月球基地；印度的“月船”计划预计在2020年底或2021年发射升空月球探测器；日本则计划在2022年送无人探测机登月观测。
如今各国的探月计划，主要着眼在与对月球进行进一步研究，并探寻利用月球资源的可能性。
｜美国阿耳忒弥斯计划步骤图 图源于网络
但美国已经走在了最前面，美国新的“阿耳忒弥斯”计划要送宇航员登月，寻找月球上可能存在的水，并建设月球基地，以此为跳板实现载人登上火星。
但如今承担美国航天发射重任的已经不再是NASA牵头研制的土星系列火箭，而是私人公司space X开发制造的猎鹰重型运载火箭，它的载重能力是我国最先进的“长征五号”运载火箭的两倍以上。
这就是美国的创新，它不仅仅是技术层面的创新，更是制度的创新，美国的航天计划已经不再是以国家投资为主，而变成国家牵头，私人资本参与，在某些环节甚至以私人资本为主。
｜贝索斯的蓝源 图源于网络
“阿耳忒弥斯”计划中，NASA已经确定了贝索斯的“蓝源”、马斯克的“Space X”和达尼提斯三家私人公司作为合作伙伴，提供重要的资金支持、技术支撑和设备供应。
在中国航天负责“嫦娥计划”的团队中，年轻人是主力。这固然是好事，但同时也折射出了国家主导航天事业难以留住中年技术骨干的问题。
｜从2007-2020年团队平均年龄一直在30岁左右 图源于网络
航天事业涉及到的技术非常多，除了火箭发动机这样的硬核航天技术，离开航天业可能没有其他应用之外，其他如材料、通信、流体力学等领域，都可以应用在民用科技领域。
国有机构限于体制原因，无法自主的为有一定级别的中年技术骨干开出能与大型民营企业比肩的薪资，导致人才大量流失，这是航天技术团队以年轻人为主的一个重要原因。
如果能够像美国一样进行制度创新，让大量民营企业也参与到国家的航天计划中，便可以解决留住人才的问题。
同时，也要吸取苏联的教训，不能一味的为了实现某种具体的科研目标，进行超常规的定向研发，还是要从科研基础抓起，具备整体科研实力的前提下，实现具体的尖端科技目标就是水到渠成的事情。
这是技术和制度的差距，也是美国能够常保领先的奥秘所在，它并不是秘密，就摆在那里，等着追赶者去学习。
（END）
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