《航天器系统工程导论》第一次大作业的要求发下来了,白纸黑字,打印得清清楚楚,贴在实验室的布告栏上。要求很简单,也很不简单:
“为一项假设的‘深空尘埃采样返回’微纳卫星任务,进行初步方案设计,并提交一份尽可能详实的成本估算报告。卫星总质量不超过50公斤,科学载荷(尘埃收集器与微型密封返回舱)质量不超过15公斤,任务寿命不低于1年。核心约束:在满足基本科学目标的前提下,成本越低越好。”
实验室里顿时一片低低的喧哗。留学生们,尤其是像阿米尔这样来自经费相对宽裕国家的,面面相觑,表情都有些微妙。
“成本越低越好?”阿米尔身边,一个来自中东另一产油国的留学生低声嘟囔,“难道不应该是性能越高越好吗?深空采样!这是前沿科学!成本应该是第二位的!”
阿米尔没说话,但心里也掠过类似的疑惑。在他的认知里,航天项目,尤其是这种带有探索性质的任务,首要追求的是成功率和科学价值,成本虽然重要,但往往在“不惜代价”的范畴内。把“成本越低越好”写在最前面,还加粗,这种直接的、近乎功利的表述,与他之前所接受的精英教育理念,有些格格不入。
他下意识地翻开自己带来的、厚厚的欧美航天器部件供应商目录,开始构思。高性能的星载计算机、抗辐射加固的存储器、高精度的姿态轨道控制系统(AocS)、经过飞行验证的推进模块……一个个在他脑海中组合,迅速形成一个技术先进、但同样“昂贵”的初步方案草图。他甚至在旁边备注了几个关键部件的供应商和大致报价——都是国际知名、以可靠性和高性能着称的巨头。
“阿米尔,你怎么想?”旁边座位上的李建国探过头,看了一眼他摊开的目录,眉头微微挑了挑。
“我在想,用什么级别的AocS比较合适。深空环境,辐射和可靠性要求都很高。”阿米尔指着目录上一款欧洲公司的产品,“这个不错,有深空探测任务经验,但价格……”
“先别急着看具体部件。”李建国用铅笔轻轻敲了敲作业要求,“看这里,‘满足基本科学目标’。基本,是多基本?尘埃收集,密封返回,一年寿命。这定义其实很宽泛。我们是不是可以先定义清楚,什么是‘基本’?”
阿米尔一愣。他习惯于从“最优”部件开始堆砌,然后考虑集成。李建国却让他从“需求”的最底层重新思考。
“还有,‘成本越低越好’。”李建国继续说,声音平静,“这个‘好’,不光指数字小,还得考虑来源的可靠性、供货周期、后续维护升级的便利性。有时候,一个部件便宜,但需要定制接口、特殊测试,总成本反而上去了。”
阿米尔若有所思。他合上那本华丽的供应商目录,看向李建国面前摊开的几份资料——有些是中文的技术手册,有些是打印出来的论文,还有一些似乎是……国产工业级元器件的数据手册?
“你打算用……这些?”阿米尔指着那些看起来没那么“高大上”的资料。
“看看总没坏处。”李建国笑了笑,抽出一份文件,“你看这个,国产的某型工业级陀螺仪,性能指标比航天级的差一些,但如果我们采用冗余设计和软件补偿,在非核心姿态控制环节,也许能满足要求,价格只有十分之一不到。还有这个,商用级(cotS)的存储器,抗辐射差点,但我们可以用纠错编码和定期刷新来弥补,成本又能降一大截。”
“可靠性呢?”阿米尔皱眉,“深空环境,一旦出问题,可没有维修机会。”
“所以要做系统级的可靠性设计,而不是堆砌高可靠部件。”李建国眼神认真起来,“用相对便宜的部件,通过架构设计(比如冗余、冷备份、功能降级)、算法补偿(比如用多个低精度传感器数据融合出高精度)、以及充分的地面测试和筛选,来保证整体任务的可靠。这叫……面向成本和可靠性的协同设计。我们陈教授常说的。”
“系统级”、“架构设计”、“算法补偿”、“地面筛选”……这些词阿米尔都懂,但如此直白、如此理直气壮地将它们与“降低成本”捆绑在一起,作为首要设计原则,对他而言,还是一种新鲜的、甚至有些“激进”的思维方式。
他沉默了一会儿,重新打开自己的笔记本,但这次,他没有先去看部件列表,而是在空白页上画了一个简单的方块图,代表整个卫星系统。然后在旁边写下两行字:
顶层需求:1. 基本科学目标(采集并返回尘埃样品)。2. 成本最低。
然后才是:性能、可靠性、进度……
他尝试着,像李建国暗示的那样,从“满足基本需求”和“成本”这两个边界条件出发,去反推需要什么样的子系统,什么样的部件“够用”,而不是“最好”。
这个过程有些别扭,像戴着镣铐跳舞。但隐隐地,他感觉到一种不同于以往的挑战性,甚至……一丝奇特的吸引力。这像是在解一道全新的谜题,规则更严苛,但解开了,或许成就感更大?
几天后的方案讨论课,气氛有些微妙。陈教授——那位板书飞快的瘦高老者——让几个有代表性的小组上台讲解初步方案。
阿米尔所在的、由留学生和中国学生混编的小组,方案中规中矩,采用了大量经过验证的成熟商用货架产品(cotS),但等级较高,成本估算自然不菲。陈教授听完,点点头,没多评价,只在“成本控制”一栏画了个问号。
轮到李建国所在的小组。他们的方案一展示出来,下面就响起了一阵轻微的骚动。方案大量采用了工业级甚至消费级的元器件,并在旁边清晰标注了替代的国产化选项以及预计成本节省比例。在关键的系统可靠性保障措施一栏,他们详细列出了三重冗余设计、软件容错算法、加速老化筛选试验计划等一整套“组合拳”。
“……综上所述,”负责讲解的李建国语气平稳,“我们认为,在满足任务基本科学目标和一年寿命的前提下,通过上述系统级设计,完全可以采用较低等级的元器件,从而将总成本控制在……这个水平。”他指向投影幕布上一个数字。
那个数字,比阿米尔小组的估算,低了将近百分之四十。
教室里安静了一瞬。然后,质疑声四起。
“工业级器件能在深空辐射环境下工作满一年?数据支持呢?”
“软件容错?星上计算资源够吗?算法经过验证了吗?”
“国产器件?有空间应用经历吗?质量一致性如何保证?”
提问的多是留学生,问题尖锐。连一些中国学生也面露疑虑。
李建国和他的组员显然早有准备,不慌不忙,调出一页页仿真数据、地面试验结果、同类商用器件在轨统计、以及国内供应商提供的质量一致性报告。他们承认,单看任何一个部件,指标都不如“高帅富”的航天级产品,但他们用详实的数据和逻辑,论证了在系统层面,通过设计弥补,完全可以达到任务要求。
“可是,这增加了设计复杂度,引入了新的风险!”一个欧洲留学生坚持道。
“是的,”李建国坦然承认,“任何设计都有风险。用高价部件,风险可能在于单点失效和供应链;用我们的方案,风险在于系统设计和验证的充分性。我们的选择是,将成本压力转化为设计智慧和验证投入。我们认为,后者在当前条件下,是更可控、也更可持续的路径。”
陈教授一直安静地听着,这时才轻轻敲了敲讲台。教室里安静下来。
“同学们,”他推了推眼镜,目光扫过全场,“航天工程,从来不是简单的‘最好部件’的堆砌。它是一门在多重苛刻约束(质量、体积、功耗、成本、进度、可靠性……)下,寻找最优平衡点的艺术。很多时候,没有‘完美’的方案,只有‘最合适’的方案。”
他走到李建国小组的方案前,指了指那个刺眼的低成本数字:“这个方案,大胆,甚至有些‘激进’。但它体现了一种非常重要的工程思维——设计权衡(design trade-off)。他们不是在简单地选用‘便宜货’,而是在深刻理解任务本质和约束条件的基础上,主动地进行系统架构创新,用智慧和努力,去弥补元器件本身的‘不足’,从而在整体上达成目标。”
他停顿了一下,目光变得深远:“我们国家搞航天,起步的时候,要什么没什么。怎么办?等?靠?要?都没有。只能自己动手,用有限的、甚至是落后的东西,去干先进的事。逼着我们学会了‘系统优化’,学会了‘土法上马’,学会了在螺蛳壳里做道场。这不是寒酸,这是生存的智慧,也是后来追赶乃至超越的底气。”
他转向阿米尔和其他留学生,语气缓和了些:“我不是说,高可靠、高性能的部件不好。相反,它们很重要,代表了技术的巅峰。但巅峰,往往意味着极高的代价。对于绝大多数任务,尤其是探索性的、需要控制成本的任务,学会在‘够用’和‘完美’之间找到那个最佳的平衡点,是更重要的能力。这需要你对技术有更深的理解,对系统有更全局的把握,对风险和成本有更敏锐的嗅觉。”
陈教授最后看向李建国小组:“你们的方案,细节还需要大量打磨,验证更是重中之重。但方向,是有价值的。这次作业,我不只看最终的成本数字,更看你们思考的过程,权衡的依据,和面对约束的创造性。都记下了吗?”
“记下了!” 教室里响起参差不齐的回答,但很多人的眼神已经变了。
阿米尔坐在座位上,手指无意识地摩挲着作业纸的边缘。陈教授的话,李建国小组的方案,像一块石头投入他思维的湖面,激起的涟漪久久不散。他之前所学的,似乎是“如何建造一座用料最考究、工艺最精湛的宫殿”;而今天看到的,却是“如何在有限的砖石和时间内,搭建一座坚固、实用、能遮风挡雨的房屋”。两者没有绝对的高下,但后者所面临的约束和所需的智慧,似乎……更复杂,也更接地气。
下课后,他罕见地没有立刻离开,而是走到李建国旁边,犹豫了一下,开口问:“那些国产器件的测试数据……能借我看看吗?”
李建国有些意外,随即爽快地点点头:“没问题。不过很多是中文的,你需要翻译吗?”
“我可以学。”阿米尔说,声音不大,但很认真。他想起父亲曾说过,要了解一片沙漠,光看地图不行,得用脚去丈量。要理解一种思维方式,光听理论也不行,得亲手去触碰那些看似“粗糙”的砖石。
窗外,北航校园里的梧桐树叶已经开始泛黄。阿米尔夹着笔记本和那份借来的、充满各种曲线和表格的测试报告,走在去图书馆的路上。秋风带着凉意,吹动他手中的纸张哗哗作响。那上面密密麻麻的数据和曲线,不再只是枯燥的技术参数,仿佛变成了一把钥匙,一把可能打开一扇名为“另一种可能性”大门的钥匙。
成本与价值,最优与合适,部件与系统……这些概念在他脑中盘旋、碰撞。他知道,自己距离真正理解并掌握这种思维方式还很远,但至少,那扇门,似乎裂开了一道缝隙,透进了些许不同的光。
而真正的工程实践,那些冰冷的元器件、复杂的代码、严苛的测试,还在前方等待着他。这条路,注定不会轻松,但或许,会通向一个更广阔、也更真实的工程世界。