中国“天问一号”将在五月底择机着陆火星。此前，探测器在火星轨道上运行了3个月，国家航天局4月底也公布了中国第一辆火星车名称——“祝融号”，准备它接下来的登陆工作。我们满怀期待迎接这一光辉时刻。近年来，中国航空航天事业取得了一个又一个成就，我们借此机会介绍一下航空航天中的冗余思维，希望对学习者有所启发。

冗余设计保证成功

冗余，在日常生活里是一个贬义词，指多余、重复、啰唆、不需要的部分，但是在工程系上却是一个有意为之的设计，这个概念是由“计算机之父”和“博弈论之父”约翰·冯·诺伊曼在20世纪50年代提出的，是指人为增加的重复部分，目的是用来对原本的单一部分进行备份，以达到增强其安全性的目的。

在航空航天领域，需要保证出了故障也能正常运行，不会危及整个任务，因此常常需要把一些关键的组件安放一个以上，万一其中一个坏了，就会有另外一个备用的方案，机器（或者系统）依然能够正常运转，甚至可以在机器的运转过程中修复或者替换那个坏掉的组件。

比如，近日成功发射了最新一批60颗星链卫星的SpaceX的“猎鹰9号”火箭，就配备了9个引擎，每个引擎之间都有充足的隔离空间，如果一个引擎出了故障，航天器也能完成任务。这个设计曾在2012年挽救了一次航天任务，当时“猎鹰9号”在一次发射中有一个引擎失灵，但是其他8个引擎持续轰鸣，飞行计算机关闭了有故障的引擎，调整了火箭的飞行轨道，并让火箭任务顺利完成。

《像火箭科学家一样思考》指出，在航天器上的计算器也会使用冗余装置，比如说航天飞机上的计算器有4台计算机在运行着同样的软件，如果有1台计算器发生了故障，输出错误数据，其他3台计算器就会采用一个多数投票系统，把它排除在外。

在生活中很多工程设计上都有类似的设计，比如说医院会有备用的电源，汽车有备用的轮胎、紧急制动装置。冗余思维运用到我们的学习生活中就是常说的“有备无患”，比如由于天气原因，户外教学取消了，有没有其他的备用方案？学校可能会改成室内教学，甚至启用网络课程。对个人来说，你的学习有没有冗余设计？如果考试及格线是60分，那我们的目标可以定到70分，留点分数冗余；如果考试时间是2个小时，那练习时间就要控制在一个半小时，留点时间冗余。在学习的各个方面，你都要思考：需要做出什么样的准备来保证，如果某一部分出了问题，整个学习计划系统还能够继续执行。

独立运行系统再加一层保险

《像火箭科学家一样思考》还提到，航空航天的冗余思维里不只是要配备不同的方案，甚至还有一个独立的运行系统，比如一架航天飞机有4台计算机，但是都运行相同的软件，如果有一个软件出了错误，4台计算机都会同时瘫痪，所以航天飞机还配备了第5个不同于前4台计算机软件的备用飞行系统。如果是4台主计算机使用的相同的软件出了错误而瘫痪了的话，就会启动备用系统，依然可以安全地将航天飞机送回地球。

这对我们学习的启发就是保持思维的开放性和弹性，不能人与亦云，不能一条道走到黑，一旦某一个方法行不通，就要转换思路，寻找其他完全不同的思维方式。

冗余思维是一种保险措施，但是如果额外的冗余增加太多的话，也会无谓地增加复杂性、重量和成本，比如说飞机配的是4个引擎，那为什么不能加24个引擎呢？因为这样成本就太高了，飞机票会昂贵到一般人都坐不起。比如“猎鹰9号”火箭配备了9个引擎是最优设计，但是能运送64吨物质进入近地轨道的猎鹰重型火箭，安装的发动机就必须多达27个！少的话不够安全，再多又增加成本。

过度的冗余也可能会降低可靠性，增加了额外的故障点。比如说波音747的各台引擎，如果没有正确隔离，一台引擎发生故障就可能伤害其他的引擎，但是每增加一台引擎，风险也会增加。所以，波音777的飞机就只安了两台引擎。

我们在学习中也是如此，学习计划要考虑到各种可能的意外，但是考虑过多也是浪费时间。

冗余考虑之外，航天航空科学家还会考虑更为优秀的设计，打造安全边际来解决不确定的问题，比如说宇宙飞船会比看上去的更结实，隔热层厚度也超过标准要求，用更优秀的设计提高安全性，来保护宇宙飞船预防恶劣的太空环境可能遇到的各种风险。

《月背征途》这本书里记录了人类首次登陆月球背面全过程，中国探月国家队提出了各种设计方案来解决遇到的困难。例如，在嫦娥4号奔月之旅完美开局之后，出现了一个突发状况：探测器的燃料意外泄漏。初步计算，燃料损失量远远超过推进剂设计余量，那么就很有可能导致嫦娥4号无法安全落月，整个任务前功尽弃。怎么办呢？一位专家提出把每个阶段的预留余量拿出来，可能还差将近10千克燃料，建议从动力下降的燃料中再抠出10千克进行补充，但是动力下降关系到落月的安全，一克都不能抠！总指挥坚决反对这一个方案，同时提出整个轨道控制方案是飞控中心轨道专家组和探测器系统共同设计的，最好是让他们重新设计一个更安全的控制方案。早在任务准备阶段，其轨道专家就反复论证并提出了一种新的联合优化控制系统，保证各个阶段定点定时着陆的控制，还能为嫦娥4号的动力下降提供更多的推进剂节余。因为有事先有这样联合优化控制技术作为基础，当燃料意外泄漏发生之后不到两个小时，轨道专家组就给出了一套初步可行的应急轨道重构方案。经过方案调整，到实施动力下降的时候，嫦娥4号仍有近3千克的推进节余，没有动用一克动力下降燃料。这时，专家组又提出，探测器一共有4个燃料储箱分布在探测器两侧，一侧的燃料出现了泄漏，探测器的重心就会发生偏移，会产生干扰力矩影响落月的安全性。飞控中心又经过研究，最后采用了新的供给方案，修正燃料储箱不均衡的问题，包括轨道目标也重新进行了调整，去解决燃料储箱重心不平衡的问题，并保证动力下降时刻不变。

航空航天科技的发展就是这样，要制定各类应急控制方案，反复研究、调整最优方案，确保万无一失。

航天工作者面对未知的风险与挑战，勇于探索，精心准备，开启了探索太空的新纪元，科学工作者的思维方式也激励着年轻的读者不惧孤寂，保持好奇，去探索月球、火星，探索星辰大海。

（作者为教育硕士、金牌阅读推广人）