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发展并保持创新锋芒

本帖最后由 红豆 于 2009-7-13 14:02 编辑

作者:彼得·拉斯坦博士,美国国家侦察局先进系统和技术部主任(Dr. Pete Rustan
1957 年 10 月 4 号,苏联成功发射“斯普特尼克”1 号人造卫星,标志着一个新纪元的开始。如今太空工业已经走过五十多年,我们有必要回顾许多太空应用的发展过程。最初的应用是把简单的数据从太空单向传回地面,而现在太空使命的内容已大量增加(见表 1)。这些任务不仅对国防部,而且对美国的整个工业基础都至关重要,所以,我们必须继续发展和保持创新锋芒。

表 1:太空使命内容
本文以作者视野,论述执行太空使命中所使用的一些突破性太空技术项目,以及采办这些卫星所使用的一些项目管理程序。由于在采办太空系统过程中发现了各种问题,所以本文就其中一些主要问题开展讨论,并提出具体的建议。最后,本文详细论述太空工业必须接纳的一些创新技术和程序,认为只有这样才能充分利用信息技术(IT) 和信息系统(IS)领域最新进展,而此两个领域的发展,通过全球互联网的传播和更方便的存取访问,必将使积累的知识信息能够更有效更快速地传播。
科技发展的趋势
各种卫星舱子系统(例如电源、结构、姿态控制、推进力、指挥与数据处理、热学、通讯)和有效载荷(例如望远镜、射频 [RF] 电子、激光通讯)领域的科技进步,极大提高了太空系统的能力。我将对过去 10-25 年间的六种卫星技术或子系统进行分析,归纳这些技术的发展趋势,并推测未来的发展方向。最后,我将讨论纳米技术和微型化元件的潜在应用。

图 1:卫星结构质量分数所占百分比
(结构重量 ÷ 卫星干重)

图 1 显示:相对于卫星总干重而言,卫星本体结构的平均重量大幅度降低。早期的卫星结构材料主要是铝,后来由于使用各种合成材料,比如多孔材料、金属基和金属树脂合成材料、碳、石墨等等,卫星结构平均重量所占百分比由二十世纪八十年代的 20% 一路下降,当前在某些特殊应用卫星中仅占到 6%。卫星结构重量减轻的结果,是有效载荷的质量比不断增加,从而提高了卫星重量中有效载荷功能部件的百分比。将来有可能使用碳纤维和碳纳米管来建造卫星结构,因此卫星结构的重量会继续减少。


图 2:航天器电力系统的平均功率密度(瓦/千克)
图 2 表示 1981 到 2006 年期间电力系统平均功率密度的变化。促成这些发展进步的因素是:多结曡层太阳能电池效能的不断提高、镍氢电池储能密度的增加、以及功率转换和配电系统效率的提高。在过去的 25 年里,平均功率密度(瓦/千克)呈数量级增长。在今后 10 年内,随着多结太阳能电池的结不断增多、纳米技术太阳能电池的使用、以及锂离子电池能量密度的大幅度提高,电力系统的效率应可再提高一倍。为了支持新一代高耗电的有效载荷,而同时不扩大太阳帆板的尺寸,就需要提高这个效率。

图 3:用于固定能力的航天器姿态控制系统的相对重量

图 3 说明:对于一系列固定特征(如位置、感知、控制)而言,卫星姿态控制系统的重量相对减少。卫星相机重量的大幅度减轻,全球定位系统(GPS)接收器的使用,同时用于卫星控制系统的各种作动器(反作用轮、控制力矩陀螺仪、磁力仪、惯性参照装置、推进器,以及各种其它仪器)重量的减轻 — 这种种因素结合起来,已经在过去 25 年中将卫星姿态控制系统的重量减少到原来的五分之一。如果卫星传感器和 GPS 接收器使用最新一代的微芯科技,而且各种反应控制作动器采用重量更轻的材料的话,相信姿态控制系统的重量还会进一步降低。


图 4:每秒百万指令的能力/瓦(MIPS/W)

图4 展现了指挥和数据处理功能在过去 25 年中革命性的飞跃进展。由于子系统直接受到最新商业技术的影响,而且计算技术一直按照摩尔定律(增长速度每18个月翻一番)在发展,所以每单位功率每秒钟百万指令(MIP)的数目已经增长了两个数量级以上。此外,紧凑型存储能力和星载处理功能方面的进步,也不断推动数据处理功能增大。然而,由于太空计算机必须在太空辐射环境里操作,所以抗辐射加固是必需的。目前,太空工业比地面商业计算机市场落后大约八年。因此最新商业计算机的抗辐射型号需要约八年时间才能制造出。目前有几个科研项目在研究如何缩短这个周期,希望通过优化设计或使用高级材料提高抗辐射加固制造能力。


图 5 :不同镜材料的平均镜面密度

图 5 表示过去 25 年中镜面密度的发展趋势。以二十世纪八十年代早期的“哈勃”太空望远镜为例,其镜面密度最初是 240 kg/m2,而 2006 年某些特殊材料的镜面密度是 10 kg/m2。太空望远镜根据具体应用而使用几种不同的镜材料。最常用的镜材料是,如“哈勃”太空望远镜使用的玻璃、“快鸟”卫星使用的微晶玻璃、“韦伯”太空望远镜使用的铍、3.5 m ESA 赫歇耳空间观测站使用的碳化硅。镜面密度的大幅度降低,加之其他望远镜和探测器重量的减轻,正在总重量上为太空望远镜大幅度减重。


图 6:相控阵面平均密度

最后,图 6 表明:有源相控阵技术产品的重量从二十世纪九十年代早期的 28 kg/m2 降到现在的大约 12 kg/m2。这个重量包括装在天线上的有源和无源元件,但是不包括射频电子元件的重量。这些科技进步将推动相控阵天线在合成孔径雷达中的高效应用。

从 1981 年以来,通过这一系列的减重,再加上其它卫星子系统和部件方面类似的进步,卫星的重量每八年就减轻大约一半。卫星缩小的趋势在一般眼中不太明显,因为重量减少的益处都转化为大幅提高卫星能力了。

纳米技术和微型元件
过去的 25 年里,传统技术领域在不断发展,除此之外,纳米技术、微型传感器和小型部件等因素相互结合起来,也能引起重大的进步。这些都是制造新一代卫星必不可少的因素,可使卫星更小更轻而能力获得巨大提高。政府和工业部门也应该研究纳米技术对运载火箭的影响。纳米技术有望实现中型卫星单级入轨的梦想。

没有其它单一的技术进步能象纳米技术那样,对太空系统产生如此长期而巨大的影响。纳米级科技在突飞猛进。1 纳米技术将产生强大的(在拍浮点运算范围,即每秒 10 的 15 次方)、紧凑型、低功耗、抗辐射的星载计算机,从而能造出有自主智能的运载器。纳米技术有三个方面:材料、电子/计算和传感器/部件。

材料包括纳米管、纳米复合材料、多层功能结构。使用薄壁碳石墨圆柱的纳米管,是建造大型太空结构的理想材料。它的抗张强度是钢的 100 倍,导热性能最起码和钻石一样好,导电性能理论上比铜要好一万倍。高质量纳米管的批量生产还在初级阶段,但比石墨纤维生产最初几年的发展要先进得多。

在纳米复合材料领域,最紧要的工作是制作复合层状材料,每一层的厚度是几纳米(NM),而且要分层制作,每次制作一层。纳米复合材料的一些重要性能包括:强度极大提高和导热性能降低。离子铣削法可以用来把纳米复合材料的表层“抛光”成有限衍射表面图形。纳米复合材料可用来加强镜的结实度,以达到极低的面密度。

纳米技术材料的另一个关键之处是,它可以被制造成包含多功能属性。比如,表层可以是坚固的保护层,具有自适应发散属性,下一层可以包含触觉反应传感器和化学探测器,而第三层可以是用于储存能量的高强度结构层。它与生物系统的相似之处,即最终包括自我修复功能,将使非常先进的航天器可抵御小粒子的撞击。

纳米技术的第二个重点是在电子和计算领域。就像传统的微电子学之于集成电路那样,纳米级电子学很有可能为传统的微电子学带来革命性的进步。它将使我们把摩尔法则逼向原子级,从而造出紧凑型、低功耗、低成本的计算机,而它会有 100 倍的时钟频率、100 倍的 MIPS(每秒百万条指令)、1000 倍的浮点操作/秒。2 新一代的纳米级系统完全有能力生产出厚度仅 10 nm 的晶体管和存储单元,其电路元件特征与现在的概念非常不同,包括用硅纳米线作源和漏之间的栅,用分子作完整的电子元件(比如,晶体管、存储单元)。工业界正在利用这些性能,来展示密度为 1,000 亿位/cm2 的储存器,以及比现在的微型计算机体积小 10,000 倍、密度大 100 倍左右的电路元件。

最后,纳米技术可用来制造小型传感器和部件。纳米级系统的一个重要特征是,它们能展示出较大规模所看不到的性能。更换或改变一个原子,整个系统的行为都会有明显的不同。这种特征可以使系统对单一的分子、原子、电子、或光子起反应。比如,非常小的量子点可以用来制造对单一电子起反应的器件。目前正在研究用碳纳米管和硅纳米线作电压极低的电子发射器,由于它们的顶端很尖锐,所以电压很低时能造成很大的梯度。从太空系统的观点来看,关键的挑战是把传感器和部件整合成多装置模块,然后再进一步把模块整合成更大规模的系统。这些挑战包括相联电极、信号读出和处理、热控制和污染。

我论述了为什么进化性的和革命性的先进技术对太空界都至关重要。但是如果政府和工业界人员不能适当控制这些技术新动向的话,这一切都等于零。航天器管理程序必须加以改进和完善,才能迅速把新的、增强的能力用到军事界和情报界。

太空项目管理程序
在太空项目的早期,创造力驱动全世界 刚刚起步的太空工业向前发展。科学家、工程师和项目经理们热情高涨,目标明确。对各种技术或任务,他们没有前人积累的专业知识,因此可自由运用自己的创造性思维,不断尝试新事物。的确,使用手册每天都在修改,及时补充进经过证明为有用的实验。单一任务卫星大约一年后就被制造出来,并很快送入轨道;也有许多这样的卫星或发射这些卫星的火箭没有取得成功。冷战的需要,调动出人们极大的热情和勇气。肯尼迪总统在 1961 年宣布了具体的目标:“我认为,这个国家应该努力在六十年代内实现人类登月并安全返回的目标。”3 早期的时候,一些项目管理技术是严格按照能否降低成本并节省时间和/或能否提高工作效率的原则而发展的。从最初的项目开始,所有参与方都明白,太空应用不会限制在科学和商业领域,而是会很快扩大到军事和国防相关的应用。

到二十世纪九十年代初,太空工业已经相当成熟,形成严格的程序,用的是飞机工业的需求驱动法。业界没有制定具体规则来指导哪种类型的有效载荷应整合到哪个具体的卫星舱中,一切以满足客户需求为要。鉴于运载火箭成本极高,为了把其单位成本尽量降低,在制造卫星时就需要考虑如何把火箭抵达特定轨道的最大升力全部用足。这些因素的结合(客户需求、每颗卫星容纳多个有效载荷、运载火箭尽量少)驱使太空工业采纳某些做法,这些做法对今天的最优价值目标而言也许不再适用。以我之见,政府/工业太空采办领域存在十大问题(见表 2)。以下是针对这些问题提出的具有潜在革新意义的解决方法:


表 2:政府/工业采办问题
(1) 把用户需求转化为实用系统的程序过于繁琐

目前采用的受客户需求驱动的系统设计程序着眼于把用户意见纳入设计,这种做法仅有助于大型项目的逐步改进,且收益有限。重大的技术进步从来都不是通过分析用户需求而取得的,突破性的技术才带来真正的创新能力。政府项目经理、用户和企业领导人应该开展有序的反复讨论,商讨出可行的技术方案,不仅着眼于采纳渐进性技术成果,也要充分注重使用能带来突破的全新技术。这种对话必须反复进行,以揭示出各种能力之加强和削弱之间的互动关系,以及它们对计划、成本、风险等相应的影响。太空管理办公室应该理解这些对话所提供的指导,也要对具有突破性潜力的新技术有强烈的意识,在此基础上制定新的项目计划。如果出现问题,项目经理应该和用户一起研究,使性能与成本保持平衡。


(2) 技术尚未成熟就开始采办


热切的项目经理经常在项目所需的一些关键技术尚未完善之前就开始启动太空项目。技术不成熟就开始采办,其后果往往是花费数月或数年的时间,在项目内部完善技术,同时要支付大量的非重复性工程设计探索所发生的费用,而成效甚少。因此,如果是建造采纳新技术成果的航天器,此技术产品性能及其生产工艺必须已经达到一定的完善程度,采办才能开始,此点至为重要。

(3) 预算缺乏灵活性

如果项目预算缺乏灵活性,工作进程中出现的问题就难以解决,我们就无法妥善管理复杂的采办项目。太空项目管理组织如果有权在项目内根据进展需要灵活调运资金,同时维持一定的备用资金以防备可能出现的问题,项目管理的成功机率就更大。

(4) 用户要求不断膨胀


现在的太空资产被众多的利益相关方所使用,又由于信息技术和信息系统的革命性发展不断提高地面能力,所以可想而知用户也不断提出要求,希望得到最先进的能力。在已确定的设计方案里增加新的能力会导致进度的拖延和成本的增加。项目经理必须取得上级管理的支持,抵制这些额外的要求。

(5) 管理经验不足


随着工业界不断制造出愈来愈复杂的航天器,政府部门为了弥补当前管理经验的缺乏,便为各种项目大量招进员工;承包商也相应地增加员工来解答政府这些新员工提出的各种问题。其结果是成本增加而生产力下降。为了终止这种盘旋上升的趋势,政府应注重聘用的质量,并尽量减少人员换岗做法,还要缩小政府项目办公室和提供支援的承包商的规模。项目团队的规模要精简,攻关课题要分细且明确,政府和工业部门应该进一步放责放权,允许项目组有更独立的决策权,同时承担更大的责任。维持并有效地聘用精英人才是科技创新项目取得成功的关键。

(6) 对分包商管理不善


总包商要花费数月或数年的时间,才能最后确定分包商的具体条款和任务。在项目开始的前几个月内,总包商通常做不出详细的系统设计分析,也不向分包商说明项目的具体条款。政府应该要求所有卫星合同在最初的几个月内定好分包合同。只有当项目经理看到了所有分包商的运作、成本和施工计划完全纳入总规划和总进度计划之中以后,政府才能信任总包商呈交的执行计划。对分包商管理不善和向下沟通不及时,也反映出太空界缺少良好的系统设计能力,这是因为太空工业缺乏既懂主系统也懂子系统并了解两者之间互动功能的专业人才。

(7) 电子部件不确定


随着过去 20 年里微晶片工业的巨大进步,大批以前离散的元件现在被集成为相当复杂的单一部件。这些新部件的市场受地面需求的驱动,所以不一定符合太空环境运作要求。它们通常需要重新设计和广泛的测试,才能达到抗辐射加固、随机震动、声或热真空的要求。使用有 20 多年历史的太空合格电子部件,和使用最新的商业部件一样,都会经常遇到问题。当充满活力的太空制造工业基础拥有一大批供应商时,这个问题才会有所缓解。

(8) 新航天器各自为阵


虽然用户要求一颗卫星满足多种任务要求,制造商总喜欢按一个卫星用于一个用途的方式制造独一无二的卫星。要解决这个问题,用户应该鼓励制造商开发标准接口和即插即用的模块结构。要想把研制新卫星的非重复性成本降到最低,最有效的方法就是重点发展分布式卫星网,及采用生产装配线做法。

(9) 忽视地面服务


现今的做法,往往倾向于把采办工作与负责分析和发布从卫星所获数据的组织分离开来。其实在卫星设计的初级阶段,就应该对那些将数据转化为产品、信息和知识的所有系统都做透彻的分析。缺少这种系统设计的分析常常导致后期对卫星设计做昂贵的修改。用来控制卫星及处理和发布所得信息的地面基础设施,必须在采办过程的最初阶段就获得充分的分析,以避免出现为优化航天器而牺牲地面系统的情况。

(10) 刻板遵循反映以往问题的成本过程

目前,政府每制造一颗新卫星,都要进行独立的成本估算。尽管这种方法的目的是想确保掌握项目的总成本和项目的有效价值,但独立成本估算只能反映新卫星基于现有程序的成本。由于在过去 10 年里采办过程中存在问题,所以独立成本估算使用的数据是在假设:使用同样的程序,这些问题会继续出现。现在,要想创新,有必要摈弃现有的程序,而使用本文所讨论的合理化的项目管理方法。

展望未来,我相信,太空工业制造卫星的目前方法中存在着一些根深蒂固的问题。我们不可再使用传统的烟筒式的研发方式,而应鼓励转向网基系统,通过网络平台开展技术研发。在网络上,许多工程师可以同时研究同一个问题,并同时共享解决方案。使用计算机辅助设计工具,可以把原型机开发周期从数月缩短到数天时间。用这种工具设计的电路板可重复使用和修改,只需几天时间就能取得最优方案。初步的原型机制作完成之后,就可以通过网络来招标,利用其他公司开展大量生产测试。中小型企业在世界各地不断涌现,它们进行产品开发时并不一定了解具体的应用。这类小企业可为大公司节省出许多研发时间,大大缩短产品上市的周期。目前,我们的太空工业在卫星制造中没有利用这种快速研发原型机的优势,相反,我们的周期时间在加延,而商业界原型机研发和生产周期方面正在取得真正的大突破。因此我们必须鼓励航空航天公司与更加纯私营的商业公司携手,研制互相兼容的标准界面。卫星公司必须大力加快原型机研发步伐,否则太空工业的革命化就不可能出现。

其它引领 21 世纪的技术和程序

除了进化的和革命性的技术发展和改进的管理程序之外,IT/IS 领域中还有两项发展也必须在本文中讨论,这两大发展是我们保持创新锋芒所必需的。太空系统是网络中心结构中必不可少的一部分, 但卫星本身只是一个传感器或通信链,它们只有结合到更大的网络中,才能成为真正强大的工具。

网络中心结构

IT/IS 在网络方面的发展应该被利用起来,以把卫星变成全球信息网络的一个节点。Web 2.0 是因特网早期的进化版,它从孤立的实体(比如使用它把电子邮件从一个用户发给另一个用户)发展成了相互联网的社会系统,比如播客(Podcasts)和博客( Weblogs)。后来的 Web 3.0 可以把面向人的数据操作变成可机器处理的信息。Web 3.0 在因特网平台上结合了大批的传感器和装置,能够自主地累积信息,并让使用者从中获取知识。运用 Web 3.0,可以把批量生产的传感器和设有因特网太空平台的商业产品相结合,从而取得全球态势感知。比如:带有 GPS 导航和手机功能的摄录机可与航天器的传感器自动整合,纳入 Web 3.0 网络中心的面向服务的结构。随着各种新型装置大量问世,政府和企业开始使用互联网协议第 6 版(IPv6)。上一代的 IPv4 支持
232 个地址(大约 43 亿个地址),而 IPv6 则支持 2128 个地址(大约 5 x 1028 个地址),足可为目前生存的 65 亿人口的每个人服务。在 IPv6 结构中,象 Wikis、YouTube 和 iTunes 这样的应用,能够成为知识内在的一部分,而整个知识结构将通过来自太空信息的自动整合而得到加强。4 网络中的每位开发人员都能创作、修改和登载内容,而每位用户都能存取并操纵这个内容。用户应可观赏视频点播,而不仅仅是独立的图片和文字。Web 3.0 网络中心结构的问世,加上向用户直接提供视频和音频,必将大幅度提升生产力。

结语
在航天工业诞生后的 50 年中,人类的太空能力突飞猛进,从最初简单的太空通信发展到现在许多复杂的任务。在此期间,进化性的和革命性的技术及程序获得发展和成功运用。本文表达了作者对最相关的技术和程序的观点,文中列举的技术在过去 25 年里把结构重量至少减少到原来的三分之一,把平均功率密度提高了一个数量级,把姿态控制系统重量减到原来的五分之一,把太空计算能力增加了至少两个数量级,把镜面密度降低到原来的二十分之一。一些较新的技术如相控阵等因此明显受益,在过去的 12 年中,相控阵面密度比原来减少了二分之一以上。这诸多技术因素结合起来,在以往 25 年里,大约每隔 8 年就能把操作参数相同的卫星的重量降低二分之一。卫星重量的减轻不容易被注意,是因为卫星的能力在不断加大。由于过去 10 年中,采办项目管理做法中被发现存在严重缺陷,作者在文中列出了自己认为最关键的一些问题,并提出了解决办法。而今太空工业刚迈进下一个 50 年,我们必须保持前瞻和主动,了解我们面临的机遇和挑战,才能发展和保持领先地位。因此,文章对纳米技术、原型机快速研发和网络中心结构做了详细分析。作者认为,要想充分发挥和利用太空资产的价值,这些技术和程序必不可少。

注释:
  • 一纳米是十亿分之一米,或是一米的 10-9 。相较而言,一般的碳–碳键的长度,或者说在分子中这些原子之间的距离是 .12 –.15 nm。一个 DNA 双螺旋的直径大约是 200 nm。从另一方面看,最小的细胞生命形式,即属支原体细菌,其长度约为 200 nm。参看:www.wikipedia.org.
  • 摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。他根据 1965 年的经验观察提出:以最低的部件成本,集成电路可容纳的晶体管数将每两年翻一番。参看:www.wikipedia.org
  • 1961 年 5 月 25 日,肯尼迪总统针对国家的紧迫需要,向国会发表题为“人类登月”的特别演说。
  • Wiki(维基百科)是一个网站,它允许访客方便地增、删或者编辑、更改现有的内容,通常不需注册。这种可以互动操作的便利,使 Wiki 成为一个大众集体创作和累积知识的有效工具,网址是 www.wikipedia.org。YouTube 是一个流行的免费视频分享网站,使用者可以上载、浏览、分享视频片段,还可对各段视频发表评论,平均得分和浏览次数均公诸于世,网址是 www. YouTube.com。iTunes 是苹果公司推出的一个数码媒体播放器,用来播放和整理数码音乐和录像。此外,iTunes 还能下载数码音乐、音乐录像、电视节目、iPod 游戏、各种播客节目、电影等等。具体介绍参看:www.wikipedia.org
作者简介彼得·拉斯坦博士(Dr. Pete Rustan),伊利诺伊理工大学电机工程学士和硕士;佛罗里达大学电机工程博士。现任美国国家侦察局先进系统和技术部主任。拉斯坦博士在美国空军服役26 年,业绩卓著。他管理过七个航天器开发项目,这些项目使用先进技术,并实行“快、省、优”的方法采办太空系统。他是 Clementine(克莱门汀)号飞船的任务经理,此飞船测绘月球表面,使用 11 条谱带,获取了 180 多万个图像。Clementine 飞船的制造和测试从概念到发射仅用了 22 个月的时间,花费仅 8

千万美元。Clementine 飞船第一次证明:可以在较短的时间内制造出相对复杂的、带有 6 个相机的航天器。值得注意的科学发现是:飞船的雷达回波信号强烈表明,月球南极有冰的存在。拉斯坦博士在军队的最后任职正好是在国家侦察局,他倡导并证明:可以建立更小更便宜的卫星网来达到国家侦察局的任务目标。拉斯坦博士一直提倡快速成型技术,并选择能满足国家情报需要的最佳价值方案。 拉斯坦博士多次荣获国家奖和国际奖,其中有:《航空周刊与太空技术》奖,并入选其《名人堂》、迪斯尼技术创新奖、国家太空俱乐部航天工程师奖、NASA 杰出领导奖章、并在《太空新闻》的“1989–2004 年太空 100 名人”节目里有专题报道。
 


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