美国“重返月球”、美欧火星采样，为什么都鸽了？
近日，由于预订的多款火箭首飞拖延，亚马逊公司不得不向SpaceX公司预订了3次发射服务，以便加快部署柯伊伯互联网星座。回顾2023年，一系列国际航天大项目宣布拖期，包括美国“重返月球”、美欧火星采样返回等，原因何在？各国航天工作者有可能采取哪些方法，尽量抢回项目进度？
星座遭遇“鸽群”
我们平时用“放鸽子”来形容失信于人。这么说来，亚马逊公司之前已为柯伊伯星座发射计划“打足了冗余”，无奈发现一系列新型火箭进度滞后，被迫面临航天项目拖期这个老大难问题，堪称遭遇“鸽群”。
柯伊伯星座曾签约的3款火箭均一再推迟首飞
柯伊伯星座的目标是向近地轨道发射至少3236颗卫星组网，并在2024年部署首批578颗卫星后，提供宽带互联网服务，与SpaceX公司的星链星座竞争。而后者已发射了超过5000颗卫星，服务几乎覆盖全球，进度遥遥领先。
2019年，亚马逊公司宣布向“柯伊伯计划”投资100亿美元，并在2020年7月获得发射许可。不过，美国审批方要求亚马逊公司必须在2026年7月之前发射至少50%的卫星，也就是1618颗卫星，且在2029年之前必须发射所有卫星。
为此，亚马逊公司在2022年4月6日发起了有史以来最大的航天发射服务商业采购，向阿里安空间公司、蓝色起源公司和联合发射联盟预订了83次火箭发射，计划在5年内将柯伊伯星座所有卫星送入地球轨道。
其中，亚马逊公司与联合发射联盟签署了38次火神-半人马座火箭发射服务，每次发射45颗卫星；与阿里安空间公司签署18次阿里安6火箭发射服务，每次发射35～40颗卫星；与蓝色起源公司签署12次新格伦火箭发射服务，另外保留15次发射选择权，每次发射61颗卫星。
此外，亚马逊公司向ABL空间系统公司购买了RS1火箭发射服务，用于部署2颗原型卫星，又在2021年向联合发射联盟购买9次宇宙神5火箭发射服务，作为“保底手段”。
然而，今年初RS1火箭首飞失败，阿里安6火箭首飞从2020年底一路推迟到2024年中期，火神-半人马座火箭首飞已推迟到2024年初。至于自2012年开始研发、原定于2020年首飞的新格伦火箭，至今尚无确切的首飞时间表。这些“鸽子”迫使亚马逊公司在今年10月6日用近地轨道运力超过8吨的宇宙神5火箭发射了仅有数百公斤的2颗原型卫星，又在今年底被迫向“假想敌”SpaceX公司低头。
拖期屡见不鲜
纵览各国航天计划，航天大项目普遍经历过进度一再拖延的窘境，其中最著名的要数詹姆斯·韦布空间望远镜了。
韦布空间望远镜翱翔宇宙效果图
从1989年美国首次规划“下一代空间望远镜”，到“韦布”最初预计2005年飞天，再到2021年底发射升空，项目累计推迟发射20多次，耗资从最初的5亿美元预估成本一路上涨到近100亿美元，拖期“花絮”几乎与其强悍性能、巨大成就齐名。
其实，柯伊伯星座当初选定的“火神”和“新格伦”之所以成为新一代火箭中有名的“鸽子”，与蓝色起源公司负责的BE-4发动机密切相关。
BE-4液氧甲烷发动机自2011年开始研发，原定于2017年准备就绪。然而，该发动机的研发进度缓慢，而且频频传出各种部件故障新闻，2019年初甚至将整个预燃室-涡轮泵系统“推倒重来”，之后仍长期不能在额定推力水平稳定工作。
等到BE-4第一批飞行级发动机下线后，联合发射联盟为了抢回火神-半人马座火箭被耽误数年的进度，今年初为火箭第一级配备了2台BE-4发动机，进行了短暂的静态点火测试，宣称达成重要里程碑。
然而，今年6月30日，将用于第二次火神-半人马座火箭验证飞行的第三台BE-4发动机进行地面点火试验时发生爆炸。这次事故为火神-半人马座火箭的前景增添了巨大的不确定性，因为该型火箭成功发射2次后才有望获得美国太空军认证。
相比火神-半人马座火箭需要2台BE-4发动机，由蓝色起源公司开发的新格伦火箭拟装备7台BE-4发动机，依赖性更加严重，至今前途不明。据估算，蓝色起源公司想要确保供货不中断，必须年产数十台BE-4发动机，这显然面临着巨大的困难。
作为欧空局在21世纪20年代航天发射的主力担当，阿里安6火箭的情况更加复杂。2014年，欧空局正式确立阿里安6火箭的新一代主力地位，大量采用阿里安5火箭的成熟技术，希望降低研制风险。但是，该型火箭的配套产品涉及欧盟内部诸多利益纠葛，参与供应链的公司过多，产品交付时间参差不齐，导致项目整体进度大受影响。而且，发射场更新测发模式和发射设施等建设工作也频频出现拖延进度的情况。
2023年更引人关注的航天大项目拖期当属西方两大深空探测任务。11月底，美国政府问责局针对“阿尔忒弥斯计划”发布报告，得出结论：即使追加预算，“阿尔忒弥斯-3”载人登月任务也不太可能在2027年前发射；美国宇航局早前发布的2025年底航天员“重返月球”目标，更是缺乏可行性。
报告给出的主要理由包括：SpaceX公司开发的基于“星舰”的载人登月舱以及任务中途补加版“星舰”均进展缓慢，毕竟“星舰”至今仍未入轨，已晚于原计划；公理太空公司研制的新款登月航天服进度不顺，难以及时穿戴测试。
美欧合作火星采样返回任务示意图
此外，美国宇航局下属的独立审查小组对其与欧空局合作推进的火星采样返回计划发出了警告。该计划在4年前敲定，希望从火星上采集约600克样本，送回地球。报告称，火星采样返回计划的初始预估成本为44亿美元，目前已上涨到80亿～110亿美元。
按原计划，美国将在2026年发射火星着陆器，预计着陆器（可能包括火星车、火星无人机）和上升器在2028年8月登陆火星。然而，采样技术等方面的问题导致航天器发射时间不会早于2028年夏，整个任务的完成时间预计不早于2033年。至于更复杂的火星轨道对接并转移样品、送回地球的过程，以及美欧工作协调问题，恐怕同样不容乐观。
终将更加“守时”
很多航天项目经历了进度一拖再拖、经费一涨再涨甚至是指标一降再降等项目管理“灾难”，究其根本原因，是航天技术的高度复杂性，以及对于产品功能、性能的极致要求。
众所周知，航天产品在发射升空过程中必须克服复杂环境的重重考验，难关包括高温、高压、振动、噪声、冲击等。进入太空后，航天产品还需要经历太阳风、宇宙射线等“冲刷”，遭受高低温、高低压反复锤炼。与此同时，随着越来越强调经济性，航天产品还要追求极致的轻质化，导致安全系数选取不能过于保守。这些颇有矛盾、必须认真权衡的要求都使得航天产品的技术方案更加复杂，需要攻关达成指标的关键技术过多。
数字孪生等仿真技术有助于航天产品研发
与之相对的是，当前技术水平对于航天产品的仿真预示能力仍存在不足，科研过程中需要经过大量试制、试验环节，甚至是实物飞行试验，才能检验方案设计的正确性。这就意味着，仅依照所谓“标准的方法和要求”去设计航天产品，不足以保证可靠性，返工、拖延是难以避免的。
尽管存在诸多困难，但随着航天技术进步，加上商业航天蓬勃发展促进产业链壮大，相信航天项目难以管理、进度难以控制的难题终将得到有效解决。
随着时代发展，航天产业形态呈现出更加鲜明的开放性，社会广泛参与的趋势越来越明显。一些先进航天技术逐渐从极少数国家垄断的“屠龙之技”，转变为经过商业开发普及、“飞入寻常百姓家”的日用品，广泛服务于大众社会生活。
未来，航天产品有望更充分地融入庞大工业体系中，具备大批量制造、检测流程精简顺畅、模块化易替换升级、备品充裕等特点。届时，航天项目也会像建筑工程一样更易掌控进度，降低拖期风险。
本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》
本文来自微信公众号：中国航天报（ID：wht_htb），作者：于远航，编辑：高辰
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