關于航天未來發展的幾點思考

中國工程院院士 欒恩杰 /文

關于完成規劃目標的要求與短板

航天戰略研究方面的課題已經研究了很多，有些已經很深入，也很深刻。但落實這些戰略研究的目標，缺少具體的“戰術安排”和“戰役部署”，使得課題組研究的結果與行政部門開展的工作之間存在某些脫節，落實結果沒有得到很好的體現，課題完成后的結果也沒人考核。說得直接一點是戰略研究沒有權威性，沒有對行政執行機構的行動產生某種約束力，使其成了一種存在于檔案室的“參考資料”。

要對目標有要求，就是要有落實的責任。這一方面強化了戰略研究本身的責任，不能輕易下筆構成一些不痛不癢的建議，而是要有具體考核內容的要求，使其具有體現“物理載體”而形成的務實的表達。接收、接受建議方應當對建議內容給予有效的落實。

在真正落實這些建議中，工作落實方不是無條件的。不管什么性質的單位、進行什么形式的工作、完成什么樣的任務，沒有條件是不可能的，起碼得有人力投入，因而必然會產生人力成本。特別是與科技發展和重大工程相關的行業行為，其條件應當引起重視。

就我國國防科技工業發展的歷史而言，大致經歷了四個階段的基礎條件建設。

1950 年新中國成立之初～1960 年蘇聯專家撤華：

這10 年正趕上朝鮮戰爭，國防工業主要以滿足戰爭需要，建設最基礎、最基本的工業能力和研究能力。在蘇援華的156 項工程中包含這部分能力。

這是第一次軍工能力建設——基礎建設階段。

1960 年困難時期～1980 年改革開放：

這20 年是我國軍工獨立自主、艱苦創業時期。在備戰環境下，開始三線建設，國家在困難的條件下，投入大量人力、物力，使我國國防具備了自我發展能力，特別是改革開放，使國防工業煥發出新的發展動力。

這是第二次軍工能力建設——發展建設階段。

1980 年社會主義市場經濟～2020 年軍民融合：

這40 年經過兩大攻堅戰（改革脫困與殺手锏武器研制），軍工集團得到前所未有之壯大，完成了力量重組、適度競爭的改革，完成了殺手锏武器的歷史性強軍任務。

這是第三次軍工能力建設——強軍建設階段。

2020 年十九大新時代的一流強國建設：

目標是兩個百年目標，到2035 年進入世界強國之列，2049 年實現偉大復興的一流強國目標。

在這個新時代一流強國的戰略發展中，一定需要有相應的歷史上前所未有的先進國防科技工業的基礎建設。

立足于“先進”的國防科技工業和“先進”的航天科技工業，我覺得，我們的優勢在于航天作為國家戰略性新興產業得到國家的高度贊揚、高度重視；同時我們的劣勢也在于這一點。我們已經不是50年代“獨此一家，快慢由我”“祖國在期待”的狀態。在信息化已經充溢著民口科技、催動著創新發展的時候，我們的信息化研發、利用、進展和水平已經不具有強勁的競爭力。在人工智能領域，在大數據積累與利用、仿真與虛擬現實的平臺建設，在軟件定義系統的開發與研究，在低成本、快周期、高可靠的先進航天進入系統，在多模態、多目標、多源探測器的感知能力等方面，我們正在失去“引領國民經濟”的地位。

所以我們說，信息化、智能化的短板和新興產業鏈的形成，要適應新基建的發展潮流。真正實現領跑，要在幾個主要的“具體的”技術方向上，在2035 年要拿出成果。

國際上，材料、能源、傳感器、機器人的發展速度很快。美國2019 年8 月國防部發布的《國防技術框架》反映出其在國防科技工業上發力進行技術變革的動向。他們抓住技術創新的“活躍區”（我稱之，不一定準確），認為大多數創新發生在組件層面。而我們的創新安排往往重視系統級集成層面，系統級是我們的“活躍區”。為落實美國的現代化國防和國防創新研發，美國國防部先后發布《國防創新計劃》《現代化國防計劃》，并設立“國防創新管理”和“國防轉型基金”。

我歸納一下，美國的做法就是我經常在講的四大件：目標規劃、法條保證、計劃安排、資金落實。其特點是目標明確，又有具體的要求和有針對性的精準落實。

關于復雜度問題

復雜度問題與系統科學的興起幾乎是同時的，也可以這樣說，系統性思考就是對該事物復雜性的研究，系統科學就是研究復雜性的科學。

一個事物在未揭開它的面紗、沒看到其內部面目，它的表現或某些行為、現象的規律沒被認識和理解時，我們在認識上就認為該事物是復雜的。在軟件復雜度的定義上則可以表達為我們對軟件所要（所應）描述內容（功能行為）的理解。如果軟件需求提出方與軟件任務完成方的理解是全面的，實現域是全覆蓋的，那這個軟件就不復雜。如果雙方很難達到認識上的一致，用我的話說，“定義與說明”不一致時，就表示問題尚未弄清，此事比較復雜。我們常說婆媳關系比較復雜，其實際就是雙方沒有理解，或缺乏理解。

但對現代科學技術的發展而言，除了由于不理解這一因素使問題復雜之外，還發現復雜性還存在于客觀的實在性上，即事物本身的復雜性是有其自身規定性的，它并不因理解程度而改變。所以復雜性的定義就有客體復雜性和本質復雜性這樣兩種概念。也即，本身不一定復雜，但由于我們理解的差異，造成不理解的結果，這是由客體理解造成的復雜性；還有本身就是復雜的，它是不依客體差異而改變的，這種復雜性就是有本質規定性的復雜性。

按系統觀的認識，事物的層次性結構，必然存在層次性的復雜性；對事物的描述視角不同，必然會有不同意義的復雜性。所以西方學者對復雜性的定義就多達幾十種，現在仍沒有一個權威的說法。我看這也是正常的一個邏輯，為這個復雜的復雜性作定義，這個定義也必不會是簡單的。

從軟件復雜度分析中，從信息的視角看，系統可以劃分為四個部分即SCCA。

從這個系統運行的過程，我們可以看到，引起系統感知，獲得狀態指令，到系統滿足目標指向的SCCA 過程中全部是信息的流動，而所有這些信息產生和流動到執行的狀態都由信息流完成。而這些信息的獲得、傳遞、處理、存貯、指令及時序都是由軟件完成的。所以現在有人說系統是由信息表達的，系統是由軟件定義的。

關于重視復雜性問題的研究，錢學森院士有一個論述，“凡是不能用還原論方法處理的或不宜用還原論方法處理的問題，而要用或宜用新的科學方法處理的問題，都是復雜性問題，復雜巨系統就是這類問題”（見許國志《系統科學》P299）我們可以依據錢學森的這個定義作為其本質復雜性的思考點，如果這個問題的處理，不能用還原論方法或原理，則這個問題就是復雜性問題；反之，如果能用還原論方法處理，則它是簡單性問題。

系統組織的環節數目可能是衡量復雜度的一個因子，按照這個思路，系統規模的大小，可分為小系統、大系統、巨系統三個基本類別。但這種分類是模糊的，在“小、大、巨”之間沒有一個明確的界定，不能說100 以下是小系統，大于100 就是大系統。但可以講，像社會系統，它是由成千上萬個大系統組成的，它一定是個巨系統。所以錢學森同志講到社會系統工程時指出“這不只是大系統而是一個巨系統，是包括整個社會的系統”。這樣看，我們提到的軟件問題就構不成巨系統，只能描述為具有復雜性的系統。

在系統規模增大時，由量變可以引起質變，哈肯（HaKen）的協同學證明系統的整體行為可能體現出顯著的不同性質，而巨系統的統計理論說明它會出現簡單系統中沒有的現象，比如自組織現象。

從軟件的規模而論，航天飛控軟件的代碼已經達到千萬行量級。據美國NASA 總工程師辦公室（OCE）報道，在NASA 的某些領域，飛控軟件每十年增加一個數量級，如F-4A 的飛控軟件從1 千行增加到F-22的170 萬行。最近的明星戰機F-35 戰斗機的軟件包含570 萬行代碼，即從1960 年到2000 年的40 年增加了5 千多倍，且軟件提供給戰機飛行員的功能占總功能的比例從8%增加到80%。

人們對系統功能的需求不斷地提高，而這些功能的增加往往在軟件的開發上，使得對系統的軟件可靠性需求也不斷提高。由此又推演了“故障管理軟件”的提出。目前一個完美的軟件開發流程的缺陷率為萬分之一（1 萬行代碼產生一個缺陷），也就是說在一個具有100 萬行代碼的系統里面，可能存在100 個左右的缺陷。軟件復雜度是客觀的，它的復雜度具有本質存在性和客體理解性共存的特征。在不可能取消其本質復雜性的條件下，我們將面臨如何應對軟件復雜性的挑戰。

這個問題早在1968 年北大西洋公約組織（North Atlantic Treaty Organization）舉辦的第一次軟件工作會議上就已經提出，主題是“軟件危機”，來自11個國家的50 余位軟件專家與會商討。這已是50 多年前的事了。在2009 年，NASA 總工程師辦公室提出了一個多中心聯合項目，專門研究NASA 空間型號的飛控軟件規模和復雜度。他們從現實、問題、風險、防護幾個方面提出問題：

上述六條，也正是我于2019 年組織“航天軟件復雜度研究”課題，必須弄清晰的問題，至今我們已經召開了幾次研究討論，正處于“概念和問題”的梳理階段，也是國防科工局科技委今年需有一個初步結果的一個研究專題。

NASA 以JPL 研究團隊工程師在星座計劃中完成的任務為典型案例，對NASA 飛行軟件的“復雜度”特征及概念進行梳理（我將其歸類于“復雜度管理”）。

NASA 在2009 年組織美國NASA 有關的實驗室和中心包括：應用物理實驗室（APL）、戈達德空間飛行中心（GSFC）、噴氣推進實驗室（JPL）、約翰遜飛行中心（JSC）、馬歇爾空間飛行中心（MSFC）、麻省理工（MIT）、加州理工學院，以及美國相關的其他大學、公司等，而在我國，航天相應研究的成果主要表現為：在型號線設立軟件架構師職位，在型號規劃和型號研發中有針對復雜性軟件設計的規范。

空間技術的基礎研究問題

我們將火箭技術和飛行器技術，以及飛行器上安放的探測器技術稱之為空間技術。如果將與空間科學相關的技術需求也納入空間技術之中，則空間技術就與空間探索的科學問題相關。美國NASA 是既負責空間技術又負責空間科學探索的，而我國則將此類問題歸于中國科學院。由于空間科學的探索目的和空間天文學、空間物理學、空間行星學、空間環境學、宇宙學研究等緊密相關，所以科學院難以獨自完成空間科學問題的整體規劃，特別是對行星的探索往往與地球相關，搞地質研究的學者往往會更加關注“比較行星學”的研究進展。

從空間技術方面的基礎研究而論，中國航天是從工業發展體系中走來，它注重設計出來、生產出來和交付出去。對其所設計的基礎問題往往以“能設計、能生產、能使用”的應用基礎為主攻方向，如同我曾說過，某導彈的大姿態控制問題，是從初始大姿態和姿態速度為控制條件，保證導彈出筒、出水后得到有效控制為設計目標，這是工程實現的關鍵技術。但這個過程我稱其為“佛跳墻”，即我們可以不用詳細研究水中的理論彈道和各種海風、海浪、涌流、流速、發射深度等影響精確理論彈道的作用和結果，依據大量的縮比實驗所得到的比較充分的統計數據，只看我們能否比較廣域覆蓋的導彈出水的大姿態，就能完成工程目標和任務的可靠。

從這個意義上說，就是越過了水中這一段的基礎研究而直接由其產生的結果替代，這是工程實現與基礎研究的差異，也可以講這是工程實現性的總要求所決定的工程性特征。

那么是不是我們都可以采取這種“佛跳墻”方式呢？實際上我們在某型號的研制過程中，不弄清楚水動力的細節是不行的。經過幾次模型彈的試驗，我們對應用基礎的需求就強烈起來了，這個時候的產品外徑已有了較大變化，導彈水中運動及彈體附著的空泡形成和潰滅過程都成為彈體結構承載的重大問題。這是由于這個工程的基礎研究問題，我們也失利過。

隨著我國型號裝備的需求增長，我們必須具有相應的應用基礎研究儲備；我國重型運載和載人空間活動的擴展；我國空間基礎設施的空間構建；我國深空探測向行星際遠征；空間資源的開發和利用；空間飛行器自主飛行數年以至數十年的超遠距通信；新一代航天器的高可靠、低成本、短準備周期的競爭；各類傳感器、控制敏感器、信息處理器，多譜段、多源、多目標及其相應的太空網絡。此類問題實在太多，我們討論的多、描述性的論述多、綜述性多，而想到就去做、抓住就不撒手的少；搞戰略研究、宏觀視角的規劃多，沉下心、不干出點名堂不下陣的創新型團隊也少。

只以重火箭之結構而言，大直徑芯級的工藝就是一個重大的挑戰。它的箭體就是一個客機艙，這個大的殼體盛滿低溫液體，它的500T 級發動機將給結構設計帶來什么挑戰？我們應該理出一些自己認為2035年前必須攻下來的基礎技術，特別是底層的創新活躍度。這點不把一線動員起來是不行的！基于院里、所里、室里的工作經驗，我感到關鍵的是“工程組”！

什么叫“跟跑”：跟跑就是目標十分明確，結果十分清楚，只是我們尚未完全掌握。這種“項目的可行性”變成“我們干的可行性”，下決心就是了嗎！正像習主席指示的那樣，“精準扶貧”屬于跟跑的項目，我們主要關注的要害是“你跟蹤的目標是不是最好？”“你跟的目標有沒有可能是個影子，真人在另一個位置？”“我們有沒有更好的路子跑過去？”。把這三個問題回答了，心中有數了，就應該“馬上干”。

什么叫“并跑”：并跑表達的是當我們已經達到對手的同一標線上，我們不能停，因為并跑的特征是“你停他不停”“停就是后退”。為了保持同一水平，我們花費的精力和財力是不能少的，而且其中的關鍵技術要不斷有新的突破，只有更努力，才能真正地并跑。

什么叫“領跑”：這是達到了強國目標的一項指標。領跑的前提是你必須創新，因為前面沒有標桿，創新就有可能失敗，所以在領跑階段，要允許幾種方案并行，沒有這種機制就不能保持領跑的狀態。這點需要大量的資金支撐，人才隊伍保持的政策支持，特別是頂級的專業領頭人的團隊奮斗。

我覺得我們離領跑所需的環境尚不具備，我們應當在領跑的環境建設、創新的生態建設上認真研究，才是正確的，不可輕談領跑，它是有條件的！

面對2035 年航天的創新問題

創新是發展的動力，所以發展與創新是并存的。從辯證的角度可以說“要發展必須創新”。要想創新必須站在發展的前沿，沒有發展也就沒有創新。從這個層次講，愈發展就愈有機遇去創新，愈站在前沿就愈能實現首創。

創新需要條件，一般講創新需要人才、資金，沒有創新的領軍人才也實現不了創新。但我認為，雖然人才是創新的條件，但我們要相信一個現實，人才一定會在創新中產生和鍛煉出來。所以實踐活動才是產生人才的道路，實踐的需求才是產生創新的動力，而資金和人才也是由需求這個號角召喚而來的。

談這兩點創新的源頭，我想提出一個問題：中國航天的創新如何產生出來，是特殊人才的帶領，用他們聰敏的智慧創造出來的，還是從實踐需求中產生的？我認為是后者。

在我們思考如何創新時，要從航天強國建設的需求看起。

從我過去從事的某型號控制系統就反映了這個問題。當潛艇沉入深海的條件下，艇體是會變形的，而在艇體沒變形的船塢調整好的方位控制系統到了海底后，其統一的艇體基準已經產生方位偏差，且這個偏差是各處異值的，無法進行統一的比較和補償。這個挑戰是實踐中產生的，所以我們承擔這個任務的技術人員完全用中國人的智慧，創新地解決了這個難題。這個創新使艇體變形量消失在系統之中，且不論測量裝置在何處，所有系統都能得到自補償。這個創新技術一直沿用至今，成果獲得國防科技進步獎。在我看來，這個成果既是科學的，又是技術的，也是工程的。

比如某型號導彈處理大姿態的控制問題，慣性導航系統的基準傳逆，目標點和發射點的彈道涉及的時變性問題艇慣導及彈慣導的聯合制導律設計問題，都是該類型導彈在水下已經失去大地測量保障和天文測量提供條件下產生的系統創新。

所以我認為，需求、產品、系統的技戰指標的挑戰是我們航天創新的源泉，航天在這些創新中出成果、出人才、出技術。

按這個思路，我們來看面對未來15 年我們遇到挑戰是什么？只要確定了目標，明確了進步點（也即困難、矛盾、短板點），也就有了攻關的切入點。我們在這些切入點上發力，我相信一定會產生出創新成果，因為你不創新是闖不過去的。

現在我們把問題推給了創新者本體，首先他們要確立出15 年后的目標。因為我們進行的是強國建設，它要求我們能在相對進步上達到強國水平，而不是絕對進步的程度。就如我講過的，在20 年前我們搞大火箭規劃時，LEO 瞄準在當時20T 級的國際水平，但當20 年后長征五號在海南成功發射時，別人已經進入到50T 級，SpaceX 的重型火箭已經達到60T 級。我們努力了，絕對地進步了（自己和自己比），但相對而言我們的差距又拉大了，因為“在我們進步的時間，別人沒有停著等我們”，這就是絕對進步和相對拉大的競爭現狀。所以在確定目標時一定要有進步和發展的遠期比較分析。

以美國SLS 為例：實際上他們從2010 年12 月確定空間發射系統立項到10 年后2030 年首飛，也是20年。在這20 年中，他們以航天飛機成熟技術的改進完善來成就其第一型SLS-1（芯一級是航天飛機外貯箱，發動機用航天飛機主發動機S-25D，助推采用航天飛機固體助推，以德爾塔4 上面級作芯二級），預計在2021 年首飛。

它的創新處表達在系統集成上，在這個成熟基礎形成的SLS-1 完全可以適應對新的芯級及整個火箭系統的驗證實驗，同時也能完成LEO 的70T 載人近地、月球初探和近地物運的科學試驗任務。這樣一來美國的近地能力一下就達到70T 級。

繼此之后SLS-1B 沿用SLS-1 的技術，只設計新型的上百級，適應于載人/載貨任務的整流罩和適配器，該型的LEO 能力為105T。

最后是SLS-2，LEO 能力130T，助推劑改為液體，整流罩和適配器為10 米直徑，預計時間2030 年首飛。

從美國SLS 的構型看，它完全是一個繼承性的集成式創新，對我們在未來的重型火箭研制中是有借鑒意義的。

創新并不都是發明。能解決現實出現的重要任務和重大挑戰，就必有創新的產生和創新的推動。