NASA鐵腕屢屢受挫,我們是怎麼做出「上面級」的?

　　11月24日，嫦娥五號天團出發去月球「挖土」。這是我國迄今完成的最複雜的航天任務。

　　為啥要去挖土？月球上的土有多珍貴？

　　

　　簡單來說，月壤包含著大量信息，這些信息既涉及月球本身，還涉及太陽系空間的物質和能量。

　　為了率先掌握這些信息，上世紀60-70年代之間，美蘇沉迷於登月挖土。

　　前蘇聯三次上月，才挖回來330克的土。而美國為了挖土，把12名航天員送上月球，最後抱回來將近400千克的月壤和月巖。

　　美國在1978年送給我們中國重達1克的月壤，作為我們兩國深厚友誼的見證。

　　

　　當時咱們國家沒能力登月，這1克月巖實在寶貴。

　　如今中國終於有能力自己動手挖土了，我們準備一次性從月球上抱回來兩公斤！

　　這一回，輪到美國坐不住了。雖然美國愛背偶像包袱，但這回他們還是追著我們求最新數據，就差直接張口討月壤了。

　　

　　說起探索宇宙，我們並非一蹴而就，而是經過了艱苦卓絕的努力。

　　當然，我們的每一次進步，都備受美國關注。

　　2020年6月23日9時43分，北鬥三號「壓軸之星」、「收官之星」發射成功，中國北鬥全球導航系統正式組網。

　　北鬥組網的消息剛一發出，就引起了美國的恐懼。

　　7月1日，美國外交學者稱：北鬥是中國軍事力量的倍增器。

　　

　　8月，美國新聞業巨頭彭博新聞社就發出警告：GPS小心點，中國的系統來了！

　　

　　恐懼情緒不斷發酵。

　　全球證券和投資銀行傑富瑞集團也警告GPS：將面臨真正的競爭。

　　它甚至說，與美國GPS、俄羅斯格洛納斯相比，北鬥更先進、更精確、更尖端。

　　美國的擔心不無道理。中國北鬥問世之後，發展實在太快了。

　　今年11月，中國交通部表示，700萬輛運營車輛安裝北鬥導航系統，佔運營車輛總數的96%。

　　

　　中國國內，超過70%的智慧型手機支持北鬥系統；國外，北鬥導航系統銷往全球120多個國家和地區。

　　「北鬥完全取代GPS，這一天不會太遙遠！」北鬥三號系統衛星總師林寶軍說。

　　林寶軍之所以有信心用北鬥替代GPS，得益於北鬥衛星的快速組網。

　　而北鬥衛星之所以能快速組網，上面級是幕後功臣。

　　不過，很少有人知道，30年前，中國沒有上面級，沒有能力編織衛星天網，曾受盡外國欺辱。

　　01

　　眾所周知，全球導航系統中，GPS最為知名。

　　2019年，GPS的中國手機用戶約有八億人。涉及定位，國人也更習慣說「GPS一下」。

　　但是我們沒有自己的導航系統，曾受人鉗制，被重重地打過一個耳光。

　　

　　1993年7月7日，美國聲稱得到可靠情報，指控中國"銀河號"貨輪向伊朗運輸製造化學武器的原料。

　　他們強行扣留了銀河號，要求登船檢查。

　　然而，根據國際海洋公約規定，在公海上，一國商船就是一國的領土，強行登船，等於侵略！

　　中美交涉的十幾天裡，「銀河號」上的淡水和食物消耗殆盡。

　　船員們雖然沒有食物和水，卻還是死守船隻，拒絕美軍登船。

　　

　　對峙了半個月後，我國最高領導人親自出面擔保和協調，希望兩國化解誤會。

　　美國不給面子，堅稱船上有違禁品。

　　為了保護中國船員的安全，八月底，中國同意美國檢查運往伊朗的貨箱。但是美國翻遍了箱子，也沒找到所謂的化學危險品。

　　美國仍不死心，他們聲稱：所檢查的部分貨物不能代表全船貨物，應該打開所有箱子，查到美國滿意為止。

　　美國利用GPS，快速派出軍艦、飛機包圍銀河號。中國當時的機動性不如美國，只得同意美國二次檢查。

　　「銀河號」事件讓國人感到恥辱。

　　

　　結果，因為缺乏過硬的定位導航技術，「銀河號」在公海上漂泊了33天；也是因為缺乏自己的定位導航技術，美國登船後態度蠻橫，拒不道歉。

　　研發不出定位導航技術，還可能帶來更大的安全隱患。伊拉克就是一個鮮活的案例。

　　2003年3月20日，美國挑起伊拉克戰爭，用GPS欺負伊拉克。

　　當時，美國動用177顆衛星，其中97顆軍事衛星，80顆民用衛星，編織起一張天網。美國幾乎做到了指哪打哪。

　　駐伊拉克戰地記者記錄說，當時每一戶伊拉克人都有親人被炸死。

　　

　　伊拉克沒有自己的導航系統，根本防不住美軍的行動，他們根本不知道美國的飛彈從哪裡飛來。

　　伊拉克戰爭讓中國和歐洲憂心，沒有導航系統，會不會成為第二個伊拉克？

　　

　　歐洲趕緊向中國示意，讓中國投資他們的伽利略導航系統。

　　當時說好中國支付2.3億歐元，拿伽利略20%的所有權，100%的使用權。

　　中方很有誠意，把第一筆錢——7000萬歐元很快匯到歐洲。

　　然而，歐洲剛拿上錢就翻臉。

　　他們一再降低先前承諾中國的待遇，甚至低於日本、印度等不投錢的國家。

　　面對中國的抗議，歐洲耍無賴：中國一旦停止投資，就算違約，之前的錢款別想拿回去。

　　中國不堪屈辱，轉身離開。

　　想打破巨人的封鎖，只有自己成為巨人。「伽利略」事件激發了中國航天人的鬥志。

　　即使不依靠任何外國力量，2007年4月14日，北鬥二號M1衛星還是發射成功了。

　　

　　M1率先搶佔了衛星頻率，卻惹怒了歐洲人。

　　中國的底子比歐洲薄，北鬥起步晚於伽利略，中間還被他們敲了竹槓，但北鬥愣是跑贏了伽利略。

　　歐洲人面子掛不住，他們跑來中國「理論」。

　　實際上歐洲不是來理論的，是來搞二次訛詐的。他們要求中國北鬥給伽利略騰地方，讓出空間頻率。

　　面對咄咄逼人的歐洲人，只有北鬥儘快組網，才能徹底擊垮對方。

　　但國內一枚火箭運載一顆衛星的效率顯然不夠支持衛星快速組網。

　　02

　　怎樣能讓北鬥衛星快速、準確地組網呢？

　　共和國勳章獲得者、中國航天的「大總師」孫家棟院士最早提出研發上面級。

　　

　　簡單來說，上面級是安裝在火箭上、用來運載衛星的工具。

　　傳統的火箭運載能力有限，它將衛星送到繞地飛行的中間軌道後，衛星需要自帶燃料「自駕出行」，獨立完成多次變軌。

　　然而，衛星「自駕」耗時較長，需要幾天時間，不僅折損衛星使用壽命，衛星在變軌過程中還可能迷路。

　　有了上面級後，上面級可以同衛星一起進入轉移軌道。

　　它脫離火箭後，可以多次點火，靈活調整方向，同時輸送多顆衛星到崗。

　　上面級自帶燃料，能給衛星「減負」，它還消除了衛星「徒步」走失的可能性，讓衛星的到崗時間從幾天縮短為幾個小時，因此它被形象地稱作「太空擺渡車」、「衛星快遞」。

　　

　　儘管上面級有諸多好處，但研發難度非常大。

　　上面級的運行環境特殊，運行路線長、動力系統複雜，世界上只有美國和蘇聯造出來過。

　　1957年10 月4 日，蘇聯率先把第一顆人造地球衛星送入太空。時任蘇共中央第一書記的赫魯雪夫和小兒子謝爾蓋一同分享著超越美國的快樂。

　　

　　但是他倆沒想到，蘇聯衛星一上天，美國不僅在研發衛星，還想研製能快速發射衛星的工具——上面級。

　　1958年，美國通用動力公司康維爾分公司啟動上面級研究。克拉夫特·阿諾德·埃裡克任上面級項目工程師。

　　埃裡克引用希臘神話中半人半馬的怪物，將之命名為Centaur，中文意思是半人馬座。

　　半人馬的下半身是馬身，代表Atlas運載火箭強壯有力；

　　他的上半身是人形，手持弓箭，意味著上面級作為火箭和衛星之間的中介推動工具，助力衛星的發射。

　　

　　經過三年的調整，美國原計劃在1961年1月使用半人馬座上面級。

　　但是半人馬座的技術問題實在太多了。

　　它的貯箱體積、燃料蒸發，隔熱性能等缺陷一直得不到妥善的解決，研製過程中，它的試驗臺還爆炸了。

　　

　　發射計劃一拖再拖，一直拖到第二年的五月。

　　1962年5月8日，半人馬座-A首次發射，然而，點火後的第54秒，半人馬座在空中燃燒起來。

　　壓力撕裂了半人馬座上的一塊隔熱板，燃料一接觸大氣，瞬間燃燒，火焰接連吞沒衛星、火箭。

　　第一次發射就星箭俱毀，這個結果讓美國「現代航天之父」馮·布勞恩惱火。布勞恩認為上面級是冒進、燒錢、耗時還不出成績的項目。

　　「你們必須現在立即停掉半人馬項目！」他拍著桌子咆哮道。

　　

　　但是馮·布勞恩一定沒想到，他發火後，半人馬座又發射了兩次，也因為各種故障失敗了。

　　在這種情況下，美國國家航空航天局NASA仍堅持做上面級，為此換上在NASA工作了30年的鐵腕領導希爾斯坦跟進項目。

　　

　　希爾斯坦接手後，親力親為地盯項目進度，他感到很吃力，暗地裡加派了科研人員，將隊伍擴充到40多人。

　　儘管如此，希爾斯坦還是意識到項目的難度。上面級絕不是短平快項目，研發不出來又不好交代。

　　上面級項目讓NASA公認的鐵腕也露怯了。

　　為了降低民眾和國家的期望值，希爾斯坦對外聲稱半人馬座已經失敗過8次，很可能繼續失敗，實在不行就砍掉這個項目。

　　同時他又狡猾地主動請示上峰，可以削減上面級的預算，節省費用。

　　希爾斯坦把手上這一期的研發預算削減至3.5億美元，這意味著之前美國在半人馬座項目上每期至少投入3.5億美元。

　　燒錢、爆炸、爭執、換將……在立項後的第6年才成功發射，但是，它在太空裡仍沒能實現二次點火。

　　

　　美國半人馬座上面級幾度難產。

　　在美國半人馬座立項後第51年，發射成功後的第45年，中國才啟動上面級研發項目。

　　不過，當2009年中國上面級立項時，根本拿不到有價值的資料。

　　美國把上面級的核心技術捂得很嚴實。而俄羅斯雖然有微風等上面級，但它更加神秘，就連具體的研發時間和型號都很難獲得。

　　國外沒參考，國內零經驗，即使中國有意研發，該從哪裡著手呢？

　　03

　　立項前，中國運載火箭總設計師龍樂豪院士為上面級命名「遠徵」，他希望「遠徵」能接力長徵火箭，直接送衛星入軌。

　　

　　萬事開頭難，中國的上面級從0到1，難度可想而知。

　　2009年，遠徵一號和遠徵二號同時立項。時間短，任務重，同時研發豈不難上加難？

　　「當時接到了這個型號任務，只想著怎麼儘快開展工作。」

　　長三甲系列運載火箭副總設計師葉成敏來不及考慮個人仕途，接下這個任務。

　　

　　項目開始了，可連人馬也沒有。葉成敏只能從別的部門抽調人員。他選了17個精銳人員，一行18人全身心撲在研發上。

　　「事情千頭萬緒，每天想的都是要解決儘可能多的問題。」

　　但是現實很殘酷，沒有技術，沒有參考資料，沒有經驗，一切都是從零開始。他們只能試著從原理上進行演繹和推論。

　　「我們通過不斷地爭論、研討，為什麼火箭這樣做、衛星那樣做，從而推導出上面級應該怎麼做。」

　　遠徵一號的問題沒解決，還得操心「遠徵二號」。

　　為了給「遠徵二號」爭取更多研發時間，上面級團隊在構思階段就花費了很大的心血。

　　團隊決定在遠徵一號上儘可能突破所有的基礎技術難點，讓「二號」主要負責技術升級的任務。

　　這種規劃意味著團隊從一開始就承擔上最重的壓力。

　　「我們不怕工作量大，只怕方向不對」，遠徵一號上面級型號辦副主任肖澤寧說。他們做了海量的空間環境數據分析，並開展了千餘項地面試驗。

　　

　　工作量具體大到什麼程度呢？

　　僅上面級的一項發動機技術——泵壓式發動機，就動用中國航天科技集團六院共11個研究所的全部科研力量。

　　大家每天工作十三四個小時，幹了整整一年。

　　工作人員把單位當家，一年中的大半時間都住在發射場。好幾個月不著家，自己家的孩子都不認識父母了。

　　長三甲型號辦副主任的覃藝7個月沒回家，有一次他深夜回到北京家中，1歲多的兒子已經睡著了。

　　他悄悄地在兒子身邊躺下，結果兒子醒了，看見他這個陌生人，「哇」的一聲大哭了起來，並用小手拼命驅趕覃藝。

　　「這一幕像烙印一樣烙在了我的心裡」，覃藝紅著眼睛說。

　　葉成敏和妻子都是航天人，倆人常年泡在發射場趕進度、盯項目。他家的孩子自小學起就習慣了獨自搭乘航班到發射場地探望父母。

　　「火箭女神」、現任長三甲總設計師姜傑工作繁忙，她每個月要在北京和西昌往返七八次。她覺得回家反而像是出差，每次都是匆匆忙忙的。

　　

　　這樣的航天故事還有很多。承擔著重大科研項目，航天人身不由己。

　　2018年8月，上面級科研團隊裡的郭銘傑動了手術，9月初，隊裡缺人手，他傷口還沒好利索就奔赴發射場，接過遠徵上面級的加注任務。

　　有的科研員攢了半輩子錢，終於湊足了北京買房的首付款，但他要和房產公司籤訂合同那天，接到一項突擊性任務，他連夜趕到西昌。

　　任務結束後，他再回來北京看房子，結果房價又漲了，他的首付款比市價差了一大截。

　　當時幾個年長的工程師們開解他說，個人雖然損失了幾萬、幾十萬，但是，避免了國家可能遭受的幾百萬、幾千萬甚至幾個億的損失。

　　儘管如此，買房這件大事還是在青年研究員裡引發了爭議。

　　高級工程師何兆偉說：「選擇火箭事業就是選擇犧牲奉獻」，並以自己做例子。

　　他博士畢業後進入長三甲團隊，而他很多同學進了央企、外企，工資比他高出好幾倍。

　　一些同學隨著公司上市實現了財務自由，每天活得悠閒自在。

　　他不是不羨慕，也不是沒機會。

　　有些民營航天企業給何兆偉開出誘人條件：火箭技術科研骨幹年薪百萬。但他沒同意。

　　不僅他不同意，他們團隊的骨幹沒一個人點頭跳槽。

　　總指揮岑拯說：「別看他們年輕，但他們既傳承了紅軍長徵精神，又傳承了一代代航天人的航天精神。」

　　

　　在數萬航天人集體的努力下，2015年3月30日1點56分，遠徵一號把衛星成功送達軌道。

　　

　　遠徵一號上面級成功，北鬥開啟了高密度組網之路。

　　2015年7月25日，上面級送第18、19顆北鬥衛星入軌；2018年1月12日，第26、27顆衛星入軌；同年3月30日，第30、31顆衛星……「一箭雙星」常態化。

　　依靠遠徵系列上面級，中國平均每月發射1.2顆北鬥衛星，組網速度刷新了世界紀錄。

　　

　　2020年6月23日，北鬥三號最後一顆全球組網衛星成功升空，55顆衛星織就起天網，中國受制於其他導航系統的歷史徹底終結。

　　尾聲

　　北鬥系統是世界上第4個全球定位導航系統，國際上公認其超越俄羅斯的格洛納斯、歐洲的伽利略，媲美美國GPS的系統。

　　傑富瑞集團的分析師認為北鬥衛星導航系統更好一些。因為北鬥能提供的空間信號精度平均值為0.41米，優於GPS的0.5米。

　　在上面級的護航下，北鬥已經讓國人徹底擺脫外國定位系統的監視，無憂享受技術便利。

　　不僅如此，北鬥迄今為止服務過非洲、東歐和東南亞等120多個國家，成為某些國家擺脫GPS鉗制的最佳選擇。

　　如今，科學家、工程師們開始將北鬥系統用在港口和陸地測繪等基建項目上，也應用於計程車、卡車和漁船等民生行業中。

　　

　　未來，上面級還將不斷「遠徵」。

　　它將參與探月探空任務，服務於空間軌道任務，在新材料和新技術的空間驗證任務中發揮自己的能量。

　　如今，我們已經實現「上九天攬月」的夢想，那我們是不是能很快看到月球上印下中國人自己的腳印呢？

　　

　　最讓我感動的是，不論遠徵系列上面級、北鬥全球導航系統，還是如今的月球「挖土」技術，都是我們中國人靠自己的聰明才智，自強自立地拼出來的！