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为什么说制造可重复使用的火箭“相当容易”?

来源 | 悦智网

作者 | Rodney Brooks


制造电动汽车和可重复使用的火箭相当容易。制造核聚变反应堆、飞行汽车、自动驾驶汽车或超级高铁系统却非常困难。这二者有何不同呢?

简而言之,答案就是:经验。可能性与实用性的区别只能通过尝试发现。因此,即便物理原理表明某产品未来可行,但只要尚未经过实验室验证或仅经过原型验证,你就可以认为它距离成功还远着呢。如果该产品相应的版本已进行量产,大部分必要改进都已取得进展,那么有可能很快就可用了。即使走到这一步,如果没有人想要使用它,它也只能躺在仓库的角落中沦为废品,无论技术人员在制造过程中为其倾注了多少热情。

究竟是什么造成一项有潜力的技术开发难易程度有所不同,这是非常值得考虑的问题,因为一次错误会导致一系列不明智的决策。例如,目前正在法国建设的国际热核聚变实验堆(ITER),预计建设费用约为220亿美元。如果各国政府认为经过如此的艰辛和努力之后,该项目自然会成功,并于短期内发展成为可商用的聚变反应堆,如果他们围绕这种假设制定本国的能源战略,那么国民们可能会很失望。

在此,我列出了一份简短的技术项目清单,所列项目目前都正在进行当中,或者至少处于严肃讨论阶段。在每一种情况下,我都将指出这项技术的哪些特性有利于/不利于市场推广。

电动汽车是一项相对简单的技术,因为汽车已经大规模生产了一个多世纪。在雨刷器、制动器、车轮、轮胎、转向系统、升降窗户、汽车座椅、底盘等部件的设计和制造方面,我们拥有100多年的经验。在制造数字化动力传动控制系统方面,我们拥有20多年的经验。

除此以外,我们已经具备了驾驶车辆所需的全套基础设施,包括道路、停车位、安全标准、汽车保险以及车辆和司机的政府牌照。因此,从内燃发动机汽车到电动汽车,你不必从零开始发明设计各个部件,然后解决如何量产的问题。

诚然,要以具有竞争力的价格大规模生产行驶里程较长、可靠性较高的电动汽车,你必须明智地认识到——首先要有性能良好的电池,并且资本充足。但是很多方面你无须改变。对于无须改变的这部分,有许多人已经从事相关工作长达几十年,制造和组装的经验丰富。电动汽车是一项新技术,但其难度在合理范围内。

同样,可重复使用的火箭听起来可能充满了革命性意味,但是我们仍然拥有很多现有技术。所有用液体燃料推进的火箭都是由V-2火箭演变而来,V-2火箭是沃纳•冯•布劳恩(Wernher von Braun)为希特勒制造的。V-2火箭配有高流速涡轮泵(433千瓦),可以循环燃料冷却发动机的部件,并携带液态氧,飞越大气层。V-2火箭首次飞行是在76年以前,而后由苦役劳工进行批量生产。

从那以后,世界上已研发出20多个不同系列的液体燃料火箭,其中某些火箭家族具有数百种不同的配置。联盟号火箭的家族历史长达52年之久,该系列火箭都是在20个液体燃料推进室燃烧产生的助推力作用下发射升空的。德尔塔(Delta)火箭家族中的德尔塔IV重型火箭有3个连成排的相同核心,每个核心都是早期单核德尔塔IV火箭的第一级。

使用喷气式发动机推进器的软着陆技术始于20世纪50年代,当时劳斯莱斯展示了其研发的“飞行试验器”。其后10年,鹞式战斗机出现,该款战斗机也能垂直起降。1969年,载人火箭——登月舱——载着宇航员垂直登陆月球。20世纪90年代,麦克唐纳-道格拉斯公司研制了单级德尔塔 “三角快帆”试验火箭(Delta Clipper Experimental,DC-X),在美国新墨西哥州的白沙导弹靶场进行了多次垂直起降。

今天的猎鹰火箭是由美国太空探索技术公司(SpaceX)研制的一款可重复使用的运载火箭,在返回至发射场或回收驳船进行软着陆的过程中,其利用栅格翼控制第一级。栅格翼所依据的理论于20世纪50年代由苏联的谢尔盖•别洛采尔科夫斯基(Sergey Belotserkovskiy)提出。自20世纪70年代起,装有栅格翼的火箭就被用于导弹和循航卫星导弹以及联盟号载人宇宙飞船的应急离机系统。

很多人说研发电动汽车或可重复使用火箭是勇敢的、艰难的和令人感动的创造性工作,我并不反对。但是,它们确实以大量前期工作以及现有业务和实体基础设施作为基。姓庑┒荚黾恿怂浅晒Φ母怕。对于可能出现的部分(并非全部)问题,也有已知的解决方案。因此,我们怀着某种程度的信心,可以估计这些技术将会取得成功,并批量生产。

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然而,全新的理念很难评估。它们何时甚至是否会成功尚不清楚,不管这些想法乍一看多么合乎逻辑。

热核聚变反应堆就是一个例子,尽管它早已有之,但与作为全新理念出现时相比,其距离目标实现方面几乎没有进展。这项技术的研发自20世界50年代开始,那时我们就知道持续核聚变是“可行的”。毕竟,太阳就是这样发光的。66年前,第一颗氢弹“艾维•迈克”(Ivy Mike)爆炸,人类制造出一种短暂的核聚变反应。在那时,未来主义者就信心满满地预测,在合理的时间内,核聚变将被用于发电,但时至今日仍未实现。我怀疑,现在是否还有很多人会相信在可预见的未来某日能实现核聚变发电。

实现持续核聚变需要在极高压力下控制极热的气体。任何物理容器都承受不了这种高温和高压。必须采用超强磁场作为非实体性容器。这种必需的磁场很难产生和控制,即使已经研究了50年,仍然无人相信我们即将解决所有的工程问题。

无须进一步讨论:这确实是个难题。

飞行汽车是另一个昔日梦想,现在又重新流行起来。最初,这个梦想蓝图是能够开车沿道路一直跑,找到一个清晰的空域,飞行至目的地附近,然后着陆,在道路上跑完最后一段路程。飞行汽车能够腾空跨过拥堵路段,以更快的速度前进。这一梦想过去一直未能实现,现在有十几家创业公司正在追逐这一理念,积极从事这一工作的工程师数量在过去十几年内猛增。

这一问题难度较大的原因在于,飞行汽车需要结合两种完全不同的工程体系。不仅要求既能在离地面数千米的空中飞行,又能适合道路和公路网狭窄空间对传统汽车的约束,还要始终满足飞行和地面交通的各种安全和效率要求。对其中一种系统进行优化,就意味着限制另一种系统的功能。

因此并不奇怪,今天的初创公司所称的飞行汽车通常是完全不同的东西:他们研究的是一种点对点的飞行交通工具,主要靠电能驱动,一些人声称这种交通工具能够由未经专门培训的普通人驾驶。这种交通工具通常没有在路上行进的轮子,这意味着你需要通过其他方式到达飞行汽车的停泊地点,着陆后,你还需要通过其他方式到达目的地。

虽然这种飞行汽车的变体无须在路上行驶,但是也存在其他问题:它们需要以某种方式进行充电或加注燃料。作为超轻型飞机,它们不允许飞越建筑物上空,这一限制将阻碍它们在通勤中发挥作用。业余飞行员几乎没有受过任何训练,但仍须遵守空中交通管制规则,并通过保险公司的审查。

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到目前为止,还没有任何一次公开演示飞行发生,甚至没有人声称进行过。相关的规章制度和保险条例尚未开始实施。请不要对飞行汽车抱有任何迫切的幻想。

自动驾驶汽车可以说是当前最值得期待的一种技术。其面临的困难是要尝试没有先例的事情。

我在一篇文章中论述了问题的一个方面:意想不到的结果是,自动驾驶汽车可能会改变人类的行为方式。我指出,行人和其他汽车的驾驶员可能会受到引诱,将自动驾驶汽车当作实施反社会行为的目标。同时,我还指出,自动驾驶汽车车主也有可能会屈服于反社会行为,以不同于驾驶普通汽车的方式使用自动驾驶汽车。

另一个问题是所谓的边缘情况,涉及提高机器人汽车能力极限。其中有些极限是事先未知的。我们确实已知的情况包括:汽车必须理解和解释临时道路标志,比如道路施工警告;回避法律条文的适当条件;叫车服务中必须算出允许乘客拥有多大控制权;当驾驶员无法与其他驾驶员进行沟通时汽车必须决定采取何种措施,比如进入一个小巷子时。

无人驾驶汽车不会简单地替代有人驾驶的汽车。我们将安装专用车道,甚至会在自动驾驶汽车的车道入口处或整条专用车道上设置地理栅栏,以保护自动驾驶汽车免受有人驾驶汽车的伤害,反之亦然。同时,我们还将更改乘客上下车地点、停车地点等相关规范。

自动驾驶汽车似乎突然间取得了巨大的进步。然而,如果你回顾一下,从恩斯特•迪克曼斯(Ernst Dickmanns)和其德国慕尼黑联邦国防军大学的同事在开放的高速公路上实现无人面包车自动驾驶至今的32年里,这种进步其实是渐进式的。

直至2017年,真正的无人驾驶汽车(无安全驾驶员)才开始在公共道路上行驶,这是Waymo(谷歌母公司Alphabet旗下的另一子公司)在凤凰城附近的拼车项目中实现的。Waymo的这个项目当前还仅处在演示阶段。

传感器的价格仍需大幅降低,这类汽车的使用方式也需要确定。我们还需要修改安全法规和法律责任分配。在法律改变的同时,态度也必须改变。

当这些汽车通过科学实验的验证并进入商业企业时——也就是说,当这些汽车的制造商实际上开始从销售(无论是销售给个人还是车队运营商)中获利时,自动驾驶汽车才真正有实现的证据。起初,这类汽车只能在有限的区域和市场内行驶,比如商场、工业园区以及其他有人驾驶的汽车不能进入的区域。在一天中的某些时段或特定天气条件下,这类汽车的使用可能会受到限制。自动驾驶汽车的各种问题终会得到解决,但比热衷者想象的要慢。

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超级高铁是另一种较难实现的技术。这一概念是建造一条真空通道,载满乘客或货物的太空舱可在空气压力或磁感应线圈的作用下加速穿越这一通道。这一概念激发了很多企业家的想象力,也从很多银行获得了投资。但到目前为止,尚未有任何类似的车辆进入验证阶段,更不必说规模化运营了。

问题之一是如何找到建造这样一条通道——一个超稳定密闭的圆柱体,直线延伸数百公里——的方法。你还需要设计太空舱,并能以接近音速的速度载人运行。封闭的太空舱内需要有一个完全独立的生命支持系统。经过不停靠的站点时,太空舱需要保持密封状态;在站点停靠时,要保障乘客上下车。舱内需要具备应急措施,例如,太空舱在距离最近站点100公里处被困时,要能够将乘客救出,然后移走故障太空舱,以便通道重新畅通。你需要与太空舱内通信,而太空舱可能是一个相当严密的法拉第笼。

还要研发能保护乘客安全的座椅和约束设施,还要保持乘客头脑清醒——挤在加速度极高又无窗户的车厢里,座位上的乘客很难保持清醒。整个系统需要具备防震功能,且不受地壳板块发生一两厘米位移导致通道微小位移的影响。而且不要忘记,还需获得该路线的土地使用权,确定保险(包括明确如何实现超级高铁本身的保险与乘客已有保险之间的协调)、经营模式等等。

你可以认为,实现超级高铁的任何一个方面都不是太困难,但是将所有方面加在一起就会构成难题。很多新技术和设计必须从头开始进行研发,然后进行验证。这方面的问题不胜枚举。

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所有技术挑战得以解决并经过成功验证后,还存在一个完全不同的问题,即心理问题:说服乘客进入无窗的高速系统,至少一开始是很难的。最后,即便超级高铁已经实现了安全性且功能强大,可能也会有很长一段时间无法获得投资收益,起码比支持者预期的长得多。

有时,即便不存在明显的障碍,一项简单技术的进展可能也会非常缓慢。其中一个最好的例子就是我们管理互联网地址的方式。

互联网协议IPv6的寻址方式由之前版本IPv4的32位升级为128位。这样就将互联网内所有设备中潜在唯一地址的数量由40亿剧增至7.9×1028。工程师在20世纪90年代开发出这一新版本时就清楚地认识到,加入网络的设备将远远多于此前的预期——不仅是计算机,还有电表、工业传感器、交通传感器、电视机、电灯开关等。设计人员耗费了大量的精力才把远远超过数万亿计的设备塞进小小的40亿设备地址空间。虽然IPv6在1996年就已完成,但是至今仍未完全取代IPv4。

2010年,人们预测2012年将完成从IPv4向IPv6的转换。2014年,99%的网络流量仍在使用IPv4。2017年底,在IPv6上运行的网络流量由不足2%(阿姆斯特丹国际网络交换中心使用)提高到刚刚超过20%(谷歌服务的用户使用)。很明显,IPv6是一项正在发展的技术,进展缓慢。

我的目的在于指出造成技术难易不同的因素,并不是要宣扬技术失败主义。我只是建议,无论别人说哪一项技术会成为下一个爆点,我们都要正确估计其难度。如果某个想法是建立在实际经验的基础之上,那么对其抱有谨慎的乐观态度便顺理成章。如果不是,就不要盲目天真。希望难得,我们不应该浪费它。