关于航天未来发展的几点思考

2020-10-19中国工程院院士栾恩杰

国防科技工业 2020年9期

中国工程院院士栾恩杰 /文

关于完成规划目标的要求与短板

航天战略研究方面的课题已经研究了很多，有些已经很深入，也很深刻。但落实这些战略研究的目标，缺少具体的“战术安排”和“战役部署”，使得课题组研究的结果与行政部门开展的工作之间存在某些脱节，落实结果没有得到很好的体现，课题完成后的结果也没人考核。说得直接一点是战略研究没有权威性，没有对行政执行机构的行动产生某种约束力，使其成了一种存在于档案室的“参考资料”。

要对目标有要求，就是要有落实的责任。这一方面强化了战略研究本身的责任，不能轻易下笔构成一些不痛不痒的建议，而是要有具体考核内容的要求，使其具有体现“物理载体”而形成的务实的表达。接收、接受建议方应当对建议内容给予有效的落实。

在真正落实这些建议中，工作落实方不是无条件的。不管什么性质的单位、进行什么形式的工作、完成什么样的任务，没有条件是不可能的，起码得有人力投入，因而必然会产生人力成本。特别是与科技发展和重大工程相关的行业行为，其条件应当引起重视。

就我国国防科技工业发展的历史而言，大致经历了四个阶段的基础条件建设。

1950 年新中国成立之初～1960 年苏联专家撤华：

这10 年正赶上朝鲜战争，国防工业主要以满足战争需要，建设最基础、最基本的工业能力和研究能力。在苏援华的156 项工程中包含这部分能力。

这是第一次军工能力建设——基础建设阶段。

1960 年困难时期～1980 年改革开放：

这20 年是我国军工独立自主、艰苦创业时期。在备战环境下，开始三线建设，国家在困难的条件下，投入大量人力、物力，使我国国防具备了自我发展能力，特别是改革开放，使国防工业焕发出新的发展动力。

这是第二次军工能力建设——发展建设阶段。

1980 年社会主义市场经济～2020 年军民融合：

这40 年经过两大攻坚战（改革脱困与杀手锏武器研制），军工集团得到前所未有之壮大，完成了力量重组、适度竞争的改革，完成了杀手锏武器的历史性强军任务。

这是第三次军工能力建设——强军建设阶段。

2020 年十九大新时代的一流强国建设：

目标是两个百年目标，到2035 年进入世界强国之列，2049 年实现伟大复兴的一流强国目标。

在这个新时代一流强国的战略发展中，一定需要有相应的历史上前所未有的先进国防科技工业的基础建设。

立足于“先进”的国防科技工业和“先进”的航天科技工业，我觉得，我们的优势在于航天作为国家战略性新兴产业得到国家的高度赞扬、高度重视；同时我们的劣势也在于这一点。我们已经不是50年代“独此一家，快慢由我”“祖国在期待”的状态。在信息化已经充溢着民口科技、催动着创新发展的时候，我们的信息化研发、利用、进展和水平已经不具有强劲的竞争力。在人工智能领域，在大数据积累与利用、仿真与虚拟现实的平台建设，在软件定义系统的开发与研究，在低成本、快周期、高可靠的先进航天进入系统，在多模态、多目标、多源探测器的感知能力等方面，我们正在失去“引领国民经济”的地位。

所以我们说，信息化、智能化的短板和新兴产业链的形成，要适应新基建的发展潮流。真正实现领跑，要在几个主要的“具体的”技术方向上，在2035 年要拿出成果。

国际上，材料、能源、传感器、机器人的发展速度很快。美国2019 年8 月国防部发布的《国防技术框架》反映出其在国防科技工业上发力进行技术变革的动向。他们抓住技术创新的“活跃区”（我称之，不一定准确），认为大多数创新发生在组件层面。而我们的创新安排往往重视系统级集成层面，系统级是我们的“活跃区”。为落实美国的现代化国防和国防创新研发，美国国防部先后发布《国防创新计划》《现代化国防计划》，并设立“国防创新管理”和“国防转型基金”。

我归纳一下，美国的做法就是我经常在讲的四大件：目标规划、法条保证、计划安排、资金落实。其特点是目标明确，又有具体的要求和有针对性的精准落实。

关于复杂度问题

复杂度问题与系统科学的兴起几乎是同时的，也可以这样说，系统性思考就是对该事物复杂性的研究，系统科学就是研究复杂性的科学。

一个事物在未揭开它的面纱、没看到其内部面目，它的表现或某些行为、现象的规律没被认识和理解时，我们在认识上就认为该事物是复杂的。在软件复杂度的定义上则可以表达为我们对软件所要（所应）描述内容（功能行为）的理解。如果软件需求提出方与软件任务完成方的理解是全面的，实现域是全覆盖的，那这个软件就不复杂。如果双方很难达到认识上的一致，用我的话说，“定义与说明”不一致时，就表示问题尚未弄清，此事比较复杂。我们常说婆媳关系比较复杂，其实际就是双方没有理解，或缺乏理解。

但对现代科学技术的发展而言，除了由于不理解这一因素使问题复杂之外，还发现复杂性还存在于客观的实在性上，即事物本身的复杂性是有其自身规定性的，它并不因理解程度而改变。所以复杂性的定义就有客体复杂性和本质复杂性这样两种概念。也即，本身不一定复杂，但由于我们理解的差异，造成不理解的结果，这是由客体理解造成的复杂性；还有本身就是复杂的，它是不依客体差异而改变的，这种复杂性就是有本质规定性的复杂性。

按系统观的认识，事物的层次性结构，必然存在层次性的复杂性；对事物的描述视角不同，必然会有不同意义的复杂性。所以西方学者对复杂性的定义就多达几十种，现在仍没有一个权威的说法。我看这也是正常的一个逻辑，为这个复杂的复杂性作定义，这个定义也必不会是简单的。

从软件复杂度分析中，从信息的视角看，系统可以划分为四个部分即SCCA。

从这个系统运行的过程，我们可以看到，引起系统感知，获得状态指令，到系统满足目标指向的SCCA 过程中全部是信息的流动，而所有这些信息产生和流动到执行的状态都由信息流完成。而这些信息的获得、传递、处理、存贮、指令及时序都是由软件完成的。所以现在有人说系统是由信息表达的，系统是由软件定义的。

关于重视复杂性问题的研究，钱学森院士有一个论述，“凡是不能用还原论方法处理的或不宜用还原论方法处理的问题，而要用或宜用新的科学方法处理的问题，都是复杂性问题，复杂巨系统就是这类问题”（见许国志《系统科学》P299）我们可以依据钱学森的这个定义作为其本质复杂性的思考点，如果这个问题的处理，不能用还原论方法或原理，则这个问题就是复杂性问题；反之，如果能用还原论方法处理，则它是简单性问题。

系统组织的环节数目可能是衡量复杂度的一个因子，按照这个思路，系统规模的大小，可分为小系统、大系统、巨系统三个基本类别。但这种分类是模糊的，在“小、大、巨”之间没有一个明确的界定，不能说100 以下是小系统，大于100 就是大系统。但可以讲，像社会系统，它是由成千上万个大系统组成的，它一定是个巨系统。所以钱学森同志讲到社会系统工程时指出“这不只是大系统而是一个巨系统，是包括整个社会的系统”。这样看，我们提到的软件问题就构不成巨系统，只能描述为具有复杂性的系统。

在系统规模增大时，由量变可以引起质变，哈肯（HaKen）的协同学证明系统的整体行为可能体现出显著的不同性质，而巨系统的统计理论说明它会出现简单系统中没有的现象，比如自组织现象。

从软件的规模而论，航天飞控软件的代码已经达到千万行量级。据美国NASA 总工程师办公室（OCE）报道，在NASA 的某些领域，飞控软件每十年增加一个数量级，如F-4A 的飞控软件从1 千行增加到F-22的170 万行。最近的明星战机F-35 战斗机的软件包含570 万行代码，即从1960 年到2000 年的40 年增加了5 千多倍，且软件提供给战机飞行员的功能占总功能的比例从8%增加到80%。

人们对系统功能的需求不断地提高，而这些功能的增加往往在软件的开发上，使得对系统的软件可靠性需求也不断提高。由此又推演了“故障管理软件”的提出。目前一个完美的软件开发流程的缺陷率为万分之一（1 万行代码产生一个缺陷），也就是说在一个具有100 万行代码的系统里面，可能存在100 个左右的缺陷。软件复杂度是客观的，它的复杂度具有本质存在性和客体理解性共存的特征。在不可能取消其本质复杂性的条件下，我们将面临如何应对软件复杂性的挑战。

这个问题早在1968 年北大西洋公约组织（North Atlantic Treaty Organization）举办的第一次软件工作会议上就已经提出，主题是“软件危机”，来自11个国家的50 余位软件专家与会商讨。这已是50 多年前的事了。在2009 年，NASA 总工程师办公室提出了一个多中心联合项目，专门研究NASA 空间型号的飞控软件规模和复杂度。他们从现实、问题、风险、防护几个方面提出问题：

上述六条，也正是我于2019 年组织“航天软件复杂度研究”课题，必须弄清晰的问题，至今我们已经召开了几次研究讨论，正处于“概念和问题”的梳理阶段，也是国防科工局科技委今年需有一个初步结果的一个研究专题。

NASA 以JPL 研究团队工程师在星座计划中完成的任务为典型案例，对NASA 飞行软件的“复杂度”特征及概念进行梳理（我将其归类于“复杂度管理”）。

NASA 在2009 年组织美国NASA 有关的实验室和中心包括：应用物理实验室（APL）、戈达德空间飞行中心（GSFC）、喷气推进实验室（JPL）、约翰逊飞行中心（JSC）、马歇尔空间飞行中心（MSFC）、麻省理工（MIT）、加州理工学院，以及美国相关的其他大学、公司等，而在我国，航天相应研究的成果主要表现为：在型号线设立软件架构师职位，在型号规划和型号研发中有针对复杂性软件设计的规范。

空间技术的基础研究问题

我们将火箭技术和飞行器技术，以及飞行器上安放的探测器技术称之为空间技术。如果将与空间科学相关的技术需求也纳入空间技术之中，则空间技术就与空间探索的科学问题相关。美国NASA 是既负责空间技术又负责空间科学探索的，而我国则将此类问题归于中国科学院。由于空间科学的探索目的和空间天文学、空间物理学、空间行星学、空间环境学、宇宙学研究等紧密相关，所以科学院难以独自完成空间科学问题的整体规划，特别是对行星的探索往往与地球相关，搞地质研究的学者往往会更加关注“比较行星学”的研究进展。

从空间技术方面的基础研究而论，中国航天是从工业发展体系中走来，它注重设计出来、生产出来和交付出去。对其所设计的基础问题往往以“能设计、能生产、能使用”的应用基础为主攻方向，如同我曾说过，某导弹的大姿态控制问题，是从初始大姿态和姿态速度为控制条件，保证导弹出筒、出水后得到有效控制为设计目标，这是工程实现的关键技术。但这个过程我称其为“佛跳墙”，即我们可以不用详细研究水中的理论弹道和各种海风、海浪、涌流、流速、发射深度等影响精确理论弹道的作用和结果，依据大量的缩比实验所得到的比较充分的统计数据，只看我们能否比较广域覆盖的导弹出水的大姿态，就能完成工程目标和任务的可靠。

从这个意义上说，就是越过了水中这一段的基础研究而直接由其产生的结果替代，这是工程实现与基础研究的差异，也可以讲这是工程实现性的总要求所决定的工程性特征。

那么是不是我们都可以采取这种“佛跳墙”方式呢？实际上我们在某型号的研制过程中，不弄清楚水动力的细节是不行的。经过几次模型弹的试验，我们对应用基础的需求就强烈起来了，这个时候的产品外径已有了较大变化，导弹水中运动及弹体附着的空泡形成和溃灭过程都成为弹体结构承载的重大问题。这是由于这个工程的基础研究问题，我们也失利过。

随着我国型号装备的需求增长，我们必须具有相应的应用基础研究储备；我国重型运载和载人空间活动的扩展；我国空间基础设施的空间构建；我国深空探测向行星际远征；空间资源的开发和利用；空间飞行器自主飞行数年以至数十年的超远距通信；新一代航天器的高可靠、低成本、短准备周期的竞争；各类传感器、控制敏感器、信息处理器，多谱段、多源、多目标及其相应的太空网络。此类问题实在太多，我们讨论的多、描述性的论述多、综述性多，而想到就去做、抓住就不撒手的少；搞战略研究、宏观视角的规划多，沉下心、不干出点名堂不下阵的创新型团队也少。

只以重火箭之结构而言，大直径芯级的工艺就是一个重大的挑战。它的箭体就是一个客机舱，这个大的壳体盛满低温液体，它的500T 级发动机将给结构设计带来什么挑战？我们应该理出一些自己认为2035年前必须攻下来的基础技术，特别是底层的创新活跃度。这点不把一线动员起来是不行的！基于院里、所里、室里的工作经验，我感到关键的是“工程组”！

什么叫“跟跑”：跟跑就是目标十分明确，结果十分清楚，只是我们尚未完全掌握。这种“项目的可行性”变成“我们干的可行性”，下决心就是了吗！正像习主席指示的那样，“精准扶贫”属于跟跑的项目，我们主要关注的要害是“你跟踪的目标是不是最好？”“你跟的目标有没有可能是个影子，真人在另一个位置？”“我们有没有更好的路子跑过去？”。把这三个问题回答了，心中有数了，就应该“马上干”。

什么叫“并跑”：并跑表达的是当我们已经达到对手的同一标线上，我们不能停，因为并跑的特征是“你停他不停”“停就是后退”。为了保持同一水平，我们花费的精力和财力是不能少的，而且其中的关键技术要不断有新的突破，只有更努力，才能真正地并跑。

什么叫“领跑”：这是达到了强国目标的一项指标。领跑的前提是你必须创新，因为前面没有标杆，创新就有可能失败，所以在领跑阶段，要允许几种方案并行，没有这种机制就不能保持领跑的状态。这点需要大量的资金支撑，人才队伍保持的政策支持，特别是顶级的专业领头人的团队奋斗。

我觉得我们离领跑所需的环境尚不具备，我们应当在领跑的环境建设、创新的生态建设上认真研究，才是正确的，不可轻谈领跑，它是有条件的！

面对2035 年航天的创新问题

创新是发展的动力，所以发展与创新是并存的。从辩证的角度可以说“要发展必须创新”。要想创新必须站在发展的前沿，没有发展也就没有创新。从这个层次讲，愈发展就愈有机遇去创新，愈站在前沿就愈能实现首创。

创新需要条件，一般讲创新需要人才、资金，没有创新的领军人才也实现不了创新。但我认为，虽然人才是创新的条件，但我们要相信一个现实，人才一定会在创新中产生和锻炼出来。所以实践活动才是产生人才的道路，实践的需求才是产生创新的动力，而资金和人才也是由需求这个号角召唤而来的。

谈这两点创新的源头，我想提出一个问题：中国航天的创新如何产生出来，是特殊人才的带领，用他们聪敏的智慧创造出来的，还是从实践需求中产生的？我认为是后者。

在我们思考如何创新时，要从航天强国建设的需求看起。

从我过去从事的某型号控制系统就反映了这个问题。当潜艇沉入深海的条件下，艇体是会变形的，而在艇体没变形的船坞调整好的方位控制系统到了海底后，其统一的艇体基准已经产生方位偏差，且这个偏差是各处异值的，无法进行统一的比较和补偿。这个挑战是实践中产生的，所以我们承担这个任务的技术人员完全用中国人的智慧，创新地解决了这个难题。这个创新使艇体变形量消失在系统之中，且不论测量装置在何处，所有系统都能得到自补偿。这个创新技术一直沿用至今，成果获得国防科技进步奖。在我看来，这个成果既是科学的，又是技术的，也是工程的。

比如某型号导弹处理大姿态的控制问题，惯性导航系统的基准传逆，目标点和发射点的弹道涉及的时变性问题艇惯导及弹惯导的联合制导律设计问题，都是该类型导弹在水下已经失去大地测量保障和天文测量提供条件下产生的系统创新。

所以我认为，需求、产品、系统的技战指标的挑战是我们航天创新的源泉，航天在这些创新中出成果、出人才、出技术。

按这个思路，我们来看面对未来15 年我们遇到挑战是什么？只要确定了目标，明确了进步点（也即困难、矛盾、短板点），也就有了攻关的切入点。我们在这些切入点上发力，我相信一定会产生出创新成果，因为你不创新是闯不过去的。

现在我们把问题推给了创新者本体，首先他们要确立出15 年后的目标。因为我们进行的是强国建设，它要求我们能在相对进步上达到强国水平，而不是绝对进步的程度。就如我讲过的，在20 年前我们搞大火箭规划时，LEO 瞄准在当时20T 级的国际水平，但当20 年后长征五号在海南成功发射时，别人已经进入到50T 级，SpaceX 的重型火箭已经达到60T 级。我们努力了，绝对地进步了（自己和自己比），但相对而言我们的差距又拉大了，因为“在我们进步的时间，别人没有停着等我们”，这就是绝对进步和相对拉大的竞争现状。所以在确定目标时一定要有进步和发展的远期比较分析。

以美国SLS 为例：实际上他们从2010 年12 月确定空间发射系统立项到10 年后2030 年首飞，也是20年。在这20 年中，他们以航天飞机成熟技术的改进完善来成就其第一型SLS-1（芯一级是航天飞机外贮箱，发动机用航天飞机主发动机S-25D，助推采用航天飞机固体助推，以德尔塔4 上面级作芯二级），预计在2021 年首飞。