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從俄烏衝突看星鏈:徘徊在近地軌道上的太空絞索

4月底,美國全國廣播公司(NBC)報道稱,目前有超過1萬個「星鏈」終端為烏克蘭提供服務。在報道出爐後不久,烏克蘭數字部長米哈伊洛·費多羅夫(Mykhailo Fedorov)也表示,「星鏈」所提供的服務是「對烏克蘭基礎設施和恢復被破壞領土的至關重要的支持。」

「星鏈」項目是由美國太空探索技術公司(SpaceX)發起建設的衛星系統,啟動自2015年2月,目前,Space X已經發射了兩千多枚「星鏈」衛星。

如果確如西方媒體報道所言,「星鏈」在俄烏衝突中為烏克蘭提供了服務,那麼這顯然成了烏克蘭在國際上進行輿論戰和外交政治活動的關鍵基礎。

「星鏈」難以摧毀潛在軍事價值巨大

可靠、高效的通信是任何軍事行動的先決基礎。「星鏈」系統覆蓋全球的高速互聯網接入能力本身就具備不可估量的軍事價值。

而且因處於不斷的高速移動過程中,基於多普勒效應的相關算法,「星鏈」系統能夠具備精度達到10米以內的定位能力,從而成為GPS系統的戰時備份。

更進一步,「星鏈」衛星還有能力搭載紅外成像等其他載荷,實現更為敏感的全球監視等關鍵軍事能力。

一箭60星的「星鏈」衛星。

按照SpaceX公司目前的規劃,整個「星鏈」系統由分佈在近地軌道上的4.2萬顆小型衛星組成。其中任何一部分衛星失效,都可以由附近的衛星迅速重構網絡,並依託可回收重型火箭,以非常低廉的發射成本進行迅速補充。

3月底,美國空軍進行了F-35A高速通信測試,其中就用到了「星鏈」系統。

這種去中心化、易補充的特性已經在今年年初得到了初步驗證:在2022年2月3日發射至測試軌道的49顆星鏈衛星中,有40顆由於太陽活躍引發的大氣層膨脹而失控墜毀。雖然一些評論認為這是SpaceX公司的決策失誤所造成的,但是「星鏈」系統所用的衛星與傳統的通信衛星,不論是製造發射成本,還是功能差異、運營模式等都不具備可比性。從後續「星鏈」系統的服務狀況來看,這樣的損失也對其沒有造成大的影響。

顯然,這是一種去中心化、易補充、成本低的全球分佈式衛星系統。從目前的情況來看,要物理性地摧毀「星鏈」系統存在很大的困難。

繞過傳統航天模式的顛覆性觀念

SpaceX公司對「星鏈」項目的核心設計目標是儘可能地壓低發射和衛星製造成本。隨着發射數量的繼續增加,以及每5至7年的衛星更新頻率,40顆衛星損毀這樣的意外損失將在未來被衛星製造和發射成本的不斷降低所抵消。

「星鏈」所使用的衛星只使用電推進系統,其中一個至關重要的原因是:在美國,肼類燃料推進系統由於涉及高毒、易燃、易爆的特性,人力和勞保環保成本極為高昂。

去除肼類燃料推進系統後,衛星的製造標準就更接近傳統消費/工業電子產品。大規模批量生產的純電推「星鏈」衛星,設計、測試和生產成本因巨大的產量被分攤到空前低廉的程度,衛星本身的造價就異常低廉。

SpaceX火箭已經創造了12次以上復用的紀錄。

此外,作為支持起「星鏈」系統的關鍵,SpaceX公司旗下的「獵鷹」系列火箭也顯示出了巨大的作用。

在傳統的航天領域觀念中,可回收設計必然導致結構和飛行控制系統更複雜、載荷能力更弱,這會使得這類火箭成本高、風險高、性能低,缺乏實用價值。

但SpaceX公司的經驗正在證明,可回收火箭帶回的完整箭體和發動機,對於進一步查明火箭的缺陷和不足、優化箭體設計具有重大的價值。配合快速疊代的研發管理模式,可回收火箭的性能進化速度遠超傳統火箭,更使得單次發射成本降低到了傳統航天產業無法到達的地步。

從汽車到飛機從飛機到衛星

百年以來,由於工作環境和自身特性的諸多限制,航空航天器在設計製造過程中總是面臨着大量的困難——要在極為輕巧緊湊的結構限制下,設計出具備極高整體強度、極強耐高溫能力並能夠實現各種複雜功能的航空航天器,不斷突破現有工程設計的邊界與極限,是全球航空航天產業的日常。

這種高難度、高風險的項目背景,一方面使航空航天產業成為了尖端基礎研究和工程技術匯聚的核心工業領域;另一方面,也使得航空航天器作為一類工業產品,在設計和生產上面臨困境:

因為風險管控嚴格,產品的商業潛力受到限制,研發進度放緩,而成本管控又相對寬鬆,設計製造成本容易居高不下,產能也較為受限。

這帶來了航空航天產業歷史上的一系列矛盾現象,在和汽車工業的對比上,這種矛盾表現得尤為其突出:

從技術上看,航空航天產業是毫無疑問的領跑者。

比如達索的CATIA設計軟件,最早用於飛機結構設計,之後被推廣應用於汽車結構設計上,目前已經成為汽車產業的核心基礎軟件。這種先進理論和技術從上游向下游外溢擴散的現象,在航空航天產業和汽車產業之間,幾乎總是從前者單向地流向後者。

福特汽車公司的流水線生產模式宣告了汽車產業界傳統作坊式生產的終結。而航天產業的類似進化則要晚得多。而且直至目前,批生產程度依然無法與航空產業相比。從這個角度來說,SpaceX公司大大推進了火箭和衛星的批量生產節奏。

但從管理體制上看,汽車產業卻多次對航空航天產業實現了逆向輸出,影響極為深遠。比如二戰時期,航空產業真正向流水線化的高效率大規模生產模式轉變,就依賴於福特汽車公司的介入和指導。

冷戰期間,基於豐田汽車公司管理經驗的精益生產管理體系也被普遍引入各國航空航天產業,成為降低成本、提升產品質量、牽引產能提升的關鍵之一。

相比航空航天器,汽車雖然也需要複雜的設計製造流程,但由於其風險較低、商業化程度較高,技術疊代、成本控制和流程優化的壓力和動力也更大一些。這使得汽車產業雖然是技術上的承接者,卻是管理理念上的領先者。

從某種意義上來說,「星鏈」系統所創造的新模式正如同汽車產業的觀念對航空領域的影響一樣,衝擊着傳統的航天產業。

航空航天產業正在經歷第三次變革

「星鏈」系統正在以現代電子信息產業的管理模式向傳統航天產業發起衝擊,並在美國成功建立了一套全新的、相當有影響力的新產業鏈。相比之下,以波音等防務公司為代表的美國傳統航天產業陣營就顯得遜色不少。

美國下一代戰鬥機假想圖

雖然SpaceX的董事長埃隆·馬斯克(Elon Musk)目前還沒有宣佈將直接涉足航空業,但是其通過SpaceX以及「星鏈」系統所體現的產業標準已經對航空業產生了顯著的影響——在近年來美國空軍所發佈的未來飛行器項目發展規劃中,對技術快速疊代等要素的重視被提升到了前所未有的高度,這也對傳統的航空防務企業提出了更高的要求。

而對航空航天領域的後發國家來說,如果不能對自身的航空航天產業進行有效的改革調整,那麼在未來的發展過程中就將面臨差距無法彌補、甚至不斷被拉大的風險。「星鏈」系統現階段所顯示的軍事威脅還僅僅是這種風險的一部分。

責任編輯: 夏雨荷  來源:看航空 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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