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美国能源革命=联邦科研之五:国防部

 昵称14385615 2014-01-26
 
美国联邦科研之五:国防部 - 仰望星空 - 橘郡的山坡 Hills of OC
       LGM-118A 《和平守卫者》(Peacekeeper)多弹头洲际导弹系统:每枚导弹携带10枚W87氢弹,每枚W87氢弹威力是投放广岛的原子弹的25倍以上。这种系统2005年退役,被更先进的Minuteman-III (LGM-30G)系统取代。
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       2002年能源革命与伊拉克战争同时宣布启动,布什亲自驾机降落航母:“你们的任务完成了”。
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       美国国防部说“我们不仅是世界最大的公司,也是最繁忙的公司”:142万军人,约70万非军事雇员,25万辆军车坦克,1.5架飞机,1,000艘军舰,4万多处军事设施。最大单一能源消费单位,占美国政府全部燃料消耗的93%,每年电力消费相当260万美国家庭的电力消费。每月开出500多万张支票,每月完成90多万项合同或采购,安排340多万军人家属的衣食住行。每年复原约20万人,招收约20万人,培训操作复杂的海洋,陆地,空中和太空的各种武器装备。每年在国内出动30万人次以上,协助反毒品,反骚乱和反恐怖。二战后在国际上出动200余次,平均每90天出动一次,从朝鲜越南,到伊拉克阿富战争。
       但是,国防部最大的麻烦是每天白天要负责照顾20多万名军属子女,美国国防部是“世界上最大的照顾孩子的机构,被白宫推崇为所有其它部门的榜样”。
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       2012年美国国防部的5530.40亿预算中,支持美军家属的预算是83亿美元,其中:
       12亿美元:美军子女的教育预算
       24亿美元:美军家属的培训预算。
       47亿美元:美军军人的日常家庭生活预算。
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       国防部2.3万人全部在五角大楼上班:世界最大办公楼,60万平方米,使用面积33万平方米,131个楼梯,32套电梯扶梯,284个厕所,4,200个壁上挂钟,7,754扇窗户,16,250个固定灯具(平均每天换250个灯泡),每天打20万个电话,每月处理120万份军用邮件,230名厨师负责大楼里的10个大小餐厅,面积1,800亩的花圃绿地停车场需要照料……美国联邦政府总共不到200万公务员,其中国防部约65万公务员:占全美国的1/3。美国国防部深知,庞大的官僚机构非常不利于科研开发的组织和管理。所以国防部干脆放弃研究开发,采取了卓有成效的两种极端办法:
       第一,成立自由创新组织----国防先进研究工程局(DARPA,Defense Advanced Research Projects Agency),编制仅仅240个人,独立封闭式研究开发原创性的,极其新颖的高新技术。
       第二,武器装备的研究开发生产全部外包:参与美国军事装备招标的各国企业超过3千家,包括欧洲和以色列。国防部负责招标和采购,国防部本身不涉及研究开发,但是与中标的企业共同承担资金和风险。
 
       美国国防部
       美国军队的历史比联邦国家历史还早:
       1776年,独立战争爆发,美国军队组建。
       1789年,战争部成立,管理陆军。
       1791年,《人权法案》通过,联邦政府成立:美利坚合众国。
       1798年,海军部成立,管理海军和海军陆战队。
      1947年6月26日杜鲁门总统签署《1947年国家安全法案》(National Security Act of 1947),撤消了陆军部,海军部和空军部,统一组建国防部,军事力量实行单一领导。这个体制一直延续至今。
       美国国防部下属海军部,陆军部和空军部三个军事部,以及十七个国防局,九个联合作战司令部:
       十七个国防局                               九个联合作战司令部
       1.武装力量放射生物研究局          1.美国欧洲司令部
       2.国防先进研究工程局                  2.美国太平洋司令部
       3.国防物资局                                3.美国非洲司令部
       4.国防合同审计局                         4.美国北方司令部
       5.国防财政与会计局                      5.美国中央司令部
       6.国防信息系统局                          6.美国南方司令部
       7.国防情报局                                 上面按地域分,下面按功能分:
       8.国防司法服务局                          7.美国交通运输司令部
       9.国防后勤局                                 8.美国战略司令部
       10.国防安全协作局                        9.美国特殊行动司令部
       11.国防安全服务局
       12.国防技术信息中心
       13.国家威胁消减局
       14.导弹防卫局
       15.国家地球空间情报局
       16.国家巡逻观测局
       17.国家安全局-中央安全服务局
       美国总统是美国军队总司令,国防部长是最高行政长官,参谋长联席会议包括空军,陆军,海军和海军陆战队四个军种的司令,协调各个军兵种的联合行动并向总统,国防部长和国会负责。
       本博文仅论述美国联邦的科研,不涉及其他部门。
 
       国防先进研究工程局 
       1957年苏联卫星上天以后,美国的反应之一是在1958年2月7日成立了国防先进研究工程局(DARPA, Defence Advanced Research Projects Agency)。自成立至今,DARPA的宗旨一直是保证美国拥有最先进的技术并应用于军事,防止竞争敌手出现技术上的意外领先。成立54年来,DARPA始终是一个完全独立的机构,人员始终240人,其中140个技术人员,直接管理的约40亿美元年度预算。但是并无限制。
       虽然人员很少,DARPA却是美国军事科研的最高机构,不仅为美国的军事能力做出了重大贡献,今天进入千家万户的电脑、软件、通信、Internet和网络技术,很多也是发端于DARPA。
 
       DARPA的不变的5个基本原则
       DARPA的科研攻关工程组织,恪守以下五个基本原则:
       原则1  每个项目3,000-5,000万美元,2-4年完成。
       原则2  由单独一个计划经理,直接控制所有人力与资金。
       原则3  由一名合同承包人支持这个计划经理,负责协调各种资源,向国会、国防部长和相关军事首长汇报。
       原则4  由某一军事研究开发实验室的一名代理人提供技术支持和合同支持(费用从DARPA预算中列支)。
       原则5  由5-10个合同厂商,2所大学参加,联合针对某一个特定的“聚焦”目标攻关。
       上述只是典型工程基本要求。实际实施中有的工程小至100万美元以下,大的工程可达几亿美元,没有限制。
 
       DARPA的不变的10个组织原则
       组织原则:
       原则1   小而灵活。 
       原则2   扁平化管理。      
       原则3   绝对自由自主,完全不受官僚机构的任何干扰。
       原则4   技术精英选择世界最好的的科学家与工程师,来自企业,大学,政府实验室和联邦资助的研发中心。
       原则5   技术精英雇佣3-5年后必须离开,通过不断的人才流动,确保新的思维与新的专业分野。
       原则6   以工程为导向,集中精力于某一最终目标,全力以赴强攻3-5年。重大技术挑战如果要花费很长时间,必须划分为几个短期阶段,工程结束即予终止,亦即:即使从外界来看,下一个工程是同一领域中的另一个类似的工程或由同一个计划经理继续带队进行攻关,但对DARPA来说,新工程是对新机遇的清醒冷静的重新认识,是一项全新的决策,与以前的投资毫无关联。 
       原则7   必需的辅助人员全部以“临时短期雇佣”为原则,保持彻底的灵活性与流动性,排除任何人事困扰。 
       原则8   技术和管理的杰出人才----计划经理是DARPA的核心力量。选择最佳计划经理的首要标准永远都是:以永无止境的狂热追求既定的目标。
       原则9   管理层要全力以赴达成目标,不在乎任何条条框框。管理层的首要责任是使计划经理能够尽情发挥。
       原则10 由于成功的回报足够高,允许接受完全彻底的失败。
       美国国防部54年来对DARPA所做的“最大帮助”是竭尽全力地保证DARPA的独立自主性和灵活性。
       国防部认为:如果不能彻底隔离开任何政府官僚作风的任何影响,DARPA就会变得毫无价值,就会与传统的科研机构和组织一样,不敢创新,不敢冒险,不敢承担失败。所以,54年来,DARPA的10个组织原则和5个典型工程组织结构原则,都没有任何改变,并且:
       1. 根据国会的批准,DAPRA式的“独立自主”和“不受官僚机构干扰”的科研组织办法其它部门推广。
       2. DARPA的科研管理方式与军事技术成果,向企业界推介并且卓有成效,“远远超出了国防部的范围”。
       3. DARPA公开向社会征集好主意与提案,纳入科研计划,尤其是支持中小企业申报的新发现和新观念。DARPA成立了中小企业支持中心与全美市场联合实施《中小企业创新研究计划》和《中小企业技术转移计划》。
        国防部称DARPA是“王冠上的宝石”。
 
       DARPA的组织结构
       国防部对DARPA没有限制,国防部也不是DARPA的领导:“二十世纪所有重要的武器发明都不是军队提出的,飞机,坦克,雷达,直升飞机,喷气式发动机,电脑乃至原子弹都不是军队提出的”。
       相反,DARPA是国防部的技术发动机。DARPA是国防部的一切原创性军事发明的来源。因此DARPA的组织机构随着研究计划和工程而不断改变的:组织机构本身并不重要,重要的是DARPA会带来哪些成果。
       所以,DARPA的组织机构的变迁巨大。
       10年前,DARPA下设7个办公室,每个办公室各自负责推进3-5个计划项目:
       ATO=先进技术办公室:早期介入,快速反应,特种部队,通信,海上事故
       DSO=国防科学办公室:生物国防技术,生物学,材料与设备,数学
       ISO=信息系统办公室:信息确保与安全,命令与控制,计划与物流,非法威胁
       ITO=信息技术办公室:网络,嵌入式计算与车载计算,用户界面与翻译,软件结构
       MTO=微系统技术办公室:电子学,光电子学,MEMS,组合微系统
       SPO=特种工程办公室:生物国防系统,对运动目标的低成本精确袭击,反地下设施
       TTO=战术技术办公室:空中-太空-地面平台,未来武器系统,太空基地制导精确袭击
       2011年,DARPA变为现在的6个办公室,这些办公室的工作内容也从10年前的具体的技术领域划分,转变为宽泛的原则性指导,如下:
       1. 自适应执行办公室 Adaptive Execution Office (AEO)
       2. 国防科学办公室 Defense Sciences Office (DSO)
       3. 信息创新办公室 Information Innovation Office (I2O)
       4. 微型系统技术办公室 Microsystems Technology Office(MTO)
       5. 战略技术办公室 Strategic Technology Office (STO)
       6. 战术技术办公室 Tactical Technology Office (TTO)
 
       DARPA现在正在执行的一些研究项目如下:
       Silent Talk Telepathy For Soldiers:战场一对一通信系统,不发出声音进行通话,系统模拟神经信号。
       TASC-DARPA's Psychohistory:原创性心理战技术,科学预测大群人类群体的行为。
       Guided Bullets By Exacto:在子弹飞行的过程中,改变子弹飞行轨道的一种技术。
       Gandalf Project:通过电话精确找出敌人的位置并且锁定敌人。
       Energetically Autonomous Tactical Robot:自行寻找和补充能源的机器人平台,可执行长期任务。
       Squishy SquishBot ChemBots:柔软灵活机器人系统,可以改变形状钻进小开口之后,再恢复原形。
       Submersible Aircraft:又称飞行潜艇,飞行半径1000海里的小飞机。
       Katana Mono:硬币大小的单翼直升飞机,纳米技术。
       High-Fidelity Computer Battlefield Simulations:从战略-战术-行动的角度高保真电脑模拟战场的各种事件。
       Aqua Sciences Water:只要消耗很少的能量,即可从大气的湿气中提取水分的设备。
       Vulture Five Year Flying Wing:可在65,000英尺高空飞行五年的飞行器,并且不会被察觉。
       以上仅为公开报道的项目和研发信息。
 
       国防部的采购与研究开发
       国防部的预算,2000年度为2,800亿美元,约为冷战高峰时期的一半,赶不上卫生部的一个局。
       冷战结束10年后,美国减少了40%的陆军,30%的空军和海军,预算中“工资与福利”占一半:1,400亿美元,另有400余亿美元用于武器系统的运营与维修保养。但是,美国国防部没有减少采购军火和支持分担研发的预算。10年前美国国防部的采购和研发预算(单位:亿美元):
                          物资采购       研发-实验-评估     合计
       1998             448.84         371.84                820.68
       1999             491.76         374.43                866.19
       2000             530.21         373.75                903.96
       2001             617.83         342.99                960.82
       2002年的伊拉克和阿富汗战争以后,国防部预算和战争经费开始增加,2000-2011年的预算如下:
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       绿色是2000年的预算,蓝色是增加的预算,红色是海外战争支出。
       美国国防部物资采购和研发支出的具体作法,遵循三个基本原则
       基本原则1  公开招标=军方提出性能指标要求
       基本原则2  合同生产=由国防合同审计局进行谈判、签约、验收等全过程的生产监督。
       基本原则3  成本分担=国防部与军工产品生产厂商,共同分担军事研究开发的高昂支出(Cost Sharing),尤其是高风险高成本的新型武器系统的研究开发。
       也就是说,美国国防部用三个基本原则,将庞大的官僚机器和战争机器,与军事科技研究开发和生产体系,彻底隔离开来。与国防部做生意的美国企业有三千余家,其中订单金额超过1亿美元的超过100家企业。欧洲以色列等国的军工企业,也允许参加美国军方的合同竞标。美国的军事工业产品,也出口世界各地。
       武器系统是最复杂的系统,所以会形成军事-工业复合体(Military-industrial complex),一般认为:1880-1890年,英国和法国首先形成军事-工业复合体,后来德国,美国和日本也形成军事-工业复合体。
       现在美国是世界上最大的军事-工业复合体,包括研究开发体系,但是不属于国防部。
       每年供应国防部超过100亿美元的五大公司为:
       洛克希德-马丁      Lockheed Martin
       波音                     Boeing
       诺斯洛普-格鲁曼  Northrop Grumman
       通用动力              General Dynamics
       雷神                     Raytheon
       2010年度美国国防部的采购总金额为3659亿美元,2011年的数据没有查到。美国国防科研分担和军事采购,宏观上分为几个阶段实施。
       第一阶段  国家战略制定
       1997-2006年,美国进行了长达10年的国家战略研究:《新美国世纪工程》(Project for the New American Century),包括政治经济军事等很多方面,其中“重建美国国防”的四个核心目标如下:
       1.保卫美国人的家园。
       2.在多场同时发生的大型战争中参战,并赢得决定性胜利。
       3.履行“警察部队”职责的同时,在危机地区达成安全环境
       4.通过多次“军事革命”,提升美国的武装力量的能力。
       第二阶段 组织与装备表(TOE,Table of Organization and Equipment)。
       从军师旅团营直到每一个士兵的配备及其能力要求,列出表格,军工企业招标研发设计生产。这些表格体现了美国国防部的很多规划,但并非科技角度的规划,而是战略和战术角度的规划。
       例如,美军运输机系列设计必须与直升飞机,军用车辆等的设计全面配套,确保一架运输机可以恰好装下若干种不同组合的直升飞机,装甲车,坦克,军车或军用发电机等:所有尺寸与重量,都有多种组合方案可以合理空运。
       又如,2009年美国国防部提出一项新规划:《旅级战斗单位现代化》(BCT Modernization, Brigade Combat Team Modernization),大大提升美军旅级单位的战斗能力:提出各种新的战斗车辆,通信设备和作战武器的设想,包括多种新型无人驾驶车辆,新一代单兵武器系统,新的通信和后勤系统等项目。其中还有一些系统开发:旅级战斗单位网络(BCT Network),旅级战斗单位士兵(BCT Soldier)等,范围涉及陆军旅团营连班至单兵军备的全面升级换代。有的要求非常具体,例如:“敌人发出第一枪之后,任何一个士兵都可以锁定这个敌人的精确位置”,这些规划也列出多份表格,交由军工企业招投标研究设计,国防部分担部分研发经费。
       综上所述,美国的国防科研分为两个方面:
       第一,DARPA为首的原创性创造发明体制,与国防部官僚体系无关。
       第二,国防部提出战略-战术-组织-功能的规划设想,军工企业招投标研发设计,与国防部官僚体系无关。
       科学研究,必需自由的环境。
       美国国防部提供两个东西:自由的环境,庞大的资金。仅此而已。
       美国国防部因此获得了史无前例的强大的军事科技和装备。
       美国国防部以全球视野研发军备并全球部署军队的思想,源自一战,二战和冷战。
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       1945年,德国军队洪水一样向美军投降,合计超过500万人。
 
       武力维持世界和平的国策
       两次世界大战使美国认识到孤立主义是错误的,“只有世界和平才是美国和平与繁荣的基础与保证”(马歇尔)。于是美国推行《马歇尔计划》:各国提出重建国家的计划和资金额,美国支付全部资金。马歇尔计划的唯一前提是受援国家必须进行政治改革和民主选举。苏联及其集团没有接受。马歇尔亲自飞到莫斯科也没有说服斯大林。
       1947年,欧洲开始执行马歇尔计划。4年后,除西德外,西欧所有国家都恢复到战前经济水平。
       1952年,马歇尔获得诺贝尔和平奖:西德花费6年时间成为最后一个恢复到战前经济水平的国家。
       马歇尔计划的4年里,美国合计资助西欧各国130亿美元。当时美国GDP为每年2400-3000亿美元,马歇尔计划仅占其中很小一部分:不足1%。但是,如此少的支出确保美国和世界没有再次进入世界大战。
       这个“以武力确保世界和平”的政策,从此成为美国的国策。
       这就是美国国防部,设立九个联合作战司令部的理论来源。
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       美国武力维持世界秩序是继承了英国百年统治的基本思路和作法:
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       1815-1914年,英国以武力维持世界和平100年,直到第一次世界大战爆发。
       1945年二战结束至今,美国“以武力维持世界秩序”的政策已经实践67年,并且是与英联邦-欧盟-日本等签订协定联合执行这一政策。其中3亿人口的美国和21亿人口的英联邦被合称为英美主流国家群。这种支出远远低于战争的代价,右图是美国GDP(绿色)与美国联邦政府支出(蓝色)的比例,国防部全部支出约占美国GDP的3.5-3.8%。一些“聪明的国家”利用这种和平环境大力发展经济,尤其是二战战败国德国和日本成为仅次于美国的科技大国和出口大国。中国最近30年也成功利用了这种和平的世界环境。
       没有和平的环境,任何进步和发展都不可能。
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       美军家属欢迎回家的丈夫。
美国联邦科研之二:内务部,商务部 - 仰望星空 - 橘郡的山坡 Hills of OC
       加州,圣地亚哥,空间与海军战争系统指令总部(Space and Naval Warfare Systems Command Headquarters)房顶的太阳能设施----加州的美军全力以赴支持国防部和加州地方的新能源法令:
       加州州长法令:2025年之前,35%的电力来自太阳源。
       国防部的计划:2025年之前,25%的电力来自太阳能。
       联邦法令通常比州政府法令宽松。美军总司令奥巴马说过:“我们将让全世界看到一个完全不同的美国”。美国《能源战略》里有北美土著的一句古老格言:
       善待地球。它不是你父母给你的,它是你的孩子们借给你的
       Treat the earth well. It was not given to you by your parents, but is loaned to you by your children

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