航天專家談江蘇衛(wèi)星研發(fā)工作及3D打印如何推動(dòng)批產(chǎn)

魔猴君  行業(yè)資訊   930天前

據(jù)航天科技集團(tuán)發(fā)布的《中國(guó)航天科技活動(dòng)藍(lán)皮書（2021年）》，2021年，中國(guó)航天全年實(shí)施55次發(fā)射任務(wù)，發(fā)射次數(shù)位居世界首位，發(fā)射載荷數(shù)量和質(zhì)量持續(xù)刷新紀(jì)錄。2022年，中國(guó)航天依然“繁忙”，航天科技集團(tuán)計(jì)劃安排50余次宇航發(fā)射任務(wù)。

這其中，江蘇參與研發(fā)的衛(wèi)星數(shù)量不少。發(fā)射這么多衛(wèi)星都有什么作用？江蘇參與研發(fā)了哪些衛(wèi)星？3D打印技術(shù)在其中發(fā)揮了什么作用？《科技周刊》近日采訪了相關(guān)領(lǐng)域的航天專家。

江蘇參與研制的衛(wèi)星

第一顆人造衛(wèi)星于20世紀(jì)50年代的成功發(fā)射，標(biāo)志著人類正式進(jìn)入航天時(shí)代。談及衛(wèi)星發(fā)射的意義，江蘇省天文學(xué)會(huì)理事、科技傳播專家李志遠(yuǎn)表示：“人造衛(wèi)星的廣泛應(yīng)用不僅賦予了人類探索與利用廣闊地外空間的能力，也對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展起到了巨大的促進(jìn)作用。”中國(guó)科學(xué)院科普云平臺(tái)官方微博號(hào)“中國(guó)科普展覽”統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，自1970年4月24日我國(guó)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”至2020年4月，中國(guó)共發(fā)射400多顆人造衛(wèi)星。特別是去年，中國(guó)航天全年發(fā)射次數(shù)達(dá) 55次，居世界第一。

中國(guó)的衛(wèi)星發(fā)射次數(shù)為什么近年來猛增？“發(fā)射次數(shù)猛增非一日之功。近年來，隨著我國(guó)商業(yè)航天的發(fā)展，衛(wèi)星技術(shù)不斷創(chuàng)新，制造能力不斷提升，配套鏈產(chǎn)業(yè)鏈不斷開放完善，才有了現(xiàn)在的成果。”銀河航天衛(wèi)星技術(shù)專家金歷群介紹到。銀河航天衛(wèi)星研發(fā)制造基地位于我省南通經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。未來，南通基地也將更加直接和深度參與到我國(guó)的衛(wèi)星研發(fā)制造及空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。

2022年3月初，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心使用長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭，成功將我國(guó)首次批量研制的低軌寬帶通信衛(wèi)星——銀河航天02批衛(wèi)星（6顆）及其搭載的1顆商業(yè)遙感衛(wèi)星發(fā)射升空。這其中，就有一顆被命名為“南通一號(hào) ”的衛(wèi)星，是由銀河航天自主研發(fā)并批量制造的具有國(guó)際先進(jìn)水平的低軌寬帶通信衛(wèi)星，單星設(shè)計(jì)通信容量40Gbps，重量約190Kg。

銀河航天02批批產(chǎn)衛(wèi)星© 北青網(wǎng)

據(jù)了解，在太空中有不少江蘇參與研發(fā)的衛(wèi)星。如去年10月，由南京理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)小學(xué)學(xué)生參與研制的空間元器件在軌驗(yàn)證科普立方星 “田園一號(hào)”，也在太原發(fā)射中心由長(zhǎng)征二號(hào)丁遙53運(yùn)載火箭發(fā)射升空。近年來在深空探測(cè)領(lǐng)域，紫金山天文臺(tái)研發(fā)的“悟空”號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星和南京大學(xué)領(lǐng)銜研制的“龍蝦眼X射線探測(cè)衛(wèi)星”也在深空中翱翔，并不斷傳回科學(xué)數(shù)據(jù)。

“隨著技術(shù)發(fā)展衛(wèi)星的性能有了大幅度的提升，衛(wèi)星正處于類似‘超大老式臺(tái)式機(jī)’向‘筆記本電腦’的進(jìn)化階段，柔性太陽翼讓‘超大能源’成為可能，軟件定義衛(wèi)星讓衛(wèi)星更智能、功能更加豐富，‘太空計(jì)算機(jī)’的算力加速提升。” “衛(wèi)星不僅可以應(yīng)用于地面應(yīng)急救災(zāi)、預(yù)報(bào)預(yù)警，還可以應(yīng)用于導(dǎo)航服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信等多個(gè)領(lǐng)域。而且低成本商業(yè)市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，也是發(fā)射衛(wèi)星次數(shù)增多的原因。”金歷群解釋說。

此外，一箭七星、一箭二十二星等先進(jìn)核心技術(shù)也提升了衛(wèi)星發(fā)射的效率。2019年，我國(guó)首次嘗試一箭七星模式并取得成功。“一箭多星是一枚運(yùn)載火箭同時(shí)或先后將數(shù)顆衛(wèi)星送入軌道的技術(shù)，可提高發(fā)射效率，降低發(fā)射成本。”金歷群介紹，隨著運(yùn)載能力的提升及航天器的輕小型化，一箭多星發(fā)射模式在航天器發(fā)射中已普遍采用，一箭多星是一個(gè)系統(tǒng)工程，難點(diǎn)存在于多星分離、多星適配器、衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)化、測(cè)運(yùn)控多個(gè)環(huán)節(jié)，也有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

金歷群以多星分離與軌道部署技術(shù)為例：衛(wèi)星到達(dá)預(yù)定軌道后，多顆衛(wèi)星和火箭如何分離？有的“跳”下車，有的“轉(zhuǎn)”著下車，還有的“星不動(dòng)車動(dòng)”；從衛(wèi)星分離的時(shí)序看，它們可以“排隊(duì)”下車，還可以“天女散花”式下車。而多星適配器設(shè)計(jì)技術(shù)解決的是多顆衛(wèi)星在整流罩里怎么放的問題，用于提供衛(wèi)星在火箭整流罩內(nèi)的安裝布局位置。

金歷群告訴記者，目前，多星發(fā)射的方式主要有兩大類，一類是規(guī)模相當(dāng)?shù)亩囝w衛(wèi)星一次發(fā)射,如衛(wèi)星星座中導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星等，每顆衛(wèi)星的質(zhì)量、尺寸基本上一樣，多星適配器可采用中心承力筒式適配器或盤式多星適配器。另一類是搭載發(fā)射,在多顆衛(wèi)星中﹐一顆或幾顆是主任務(wù)衛(wèi)星，另外的多顆小衛(wèi)星為搭載，主任務(wù)衛(wèi)星一般多位于衛(wèi)星適配器的頂端 ,搭載衛(wèi)星多在適配器的側(cè)壁或下方四周。

 “包羅萬象”的衛(wèi)星功能

放眼太空站400多顆中國(guó)衛(wèi)星，都有什么作用？專家表示，衛(wèi)星系統(tǒng)關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域是民生，“風(fēng)云”“北斗”等眾多系列衛(wèi)星的升空印證了這一點(diǎn)。

剛剛過去的世界氣象日，江蘇省氣象臺(tái)發(fā)起了一場(chǎng)名為觀云測(cè)天的千里眼——風(fēng)云氣象衛(wèi)星的科普?qǐng)?bào)告，我們耳熟能詳?shù)奶鞖忸A(yù)報(bào)離不開氣象衛(wèi)星的觀測(cè)。“風(fēng)云衛(wèi)星星座是目前世界上在軌數(shù)量最多、種類最全的氣象衛(wèi)星星座之一，其在天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)、科學(xué)研究等多個(gè)重要領(lǐng)域，以及氣象、海洋、農(nóng)業(yè)航天等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，成為我國(guó)現(xiàn)代化氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)中重要的組成部分，我省氣象臺(tái)的氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)就以風(fēng)云氣象衛(wèi)星的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。”南京氣象科技創(chuàng)新研究院的唐飛博士說。

衛(wèi)星類型

導(dǎo)航衛(wèi)星是我們最熟知的專業(yè)衛(wèi)星，開車導(dǎo)航或者定位都會(huì)使用到GPS和我國(guó)的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。“以我國(guó)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星為例，其芯片被植入到手機(jī)、手環(huán)、學(xué)生卡、老人卡等終端設(shè)備中讓你用戶時(shí)刻知曉自己的位置。”金歷群介紹，導(dǎo)航衛(wèi)星能在地球表面或近地空間的任何位置，為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)、速度以及時(shí)間信息，目前我國(guó)600多萬輛道路運(yùn)營(yíng)車輛和 36個(gè)中心城市8萬輛公交車都安裝了北斗的終端系統(tǒng)。

據(jù)中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室發(fā)布的《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用案例》顯示，來自江蘇的多項(xiàng)科研成果入圍。江蘇北斗衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)研究院研發(fā)的北斗網(wǎng)格化巡防管控系統(tǒng)，采用網(wǎng)格化管理理念與高精度北斗定位、物聯(lián)網(wǎng)感知等信息技術(shù)，解決城市風(fēng)險(xiǎn)源分布情況、巡防人員位置、突發(fā)事件等位置信息采集相關(guān)問題。“使用北斗巡更APP，走到任何一個(gè)巡查點(diǎn)拍照上傳后，電動(dòng)車內(nèi)置的北斗導(dǎo)航位置就會(huì)自動(dòng)發(fā)送模塊讓指揮中心隨時(shí)能夠監(jiān)控巡查軌跡。”南京湯泉街道巡查員王恒說。

“通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航基礎(chǔ)，我們打造了山體滑坡預(yù)警南京示范工程、南京長(zhǎng)江二橋自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。”江蘇科博空間信息科技公司負(fù)責(zé)人介紹，公司專注于北斗地質(zhì)災(zāi)害與氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警，目前已擁有該領(lǐng)域較大的市場(chǎng)份額。

此外，衛(wèi)星還廣泛應(yīng)用于深空探測(cè)。“深空探測(cè)的最大使命是探索宇宙的起源，對(duì)了解宇宙的形成，以及太陽系，地球生命的演化等研究具有重要意義。深空探測(cè)有助于解答地球如何起源與演變，行星和太陽系究竟是如何形成和演化，人類是不是宇宙中唯一的生命、地球的未來將如何等一系列問題。”金歷群說。

3D打印推動(dòng)衛(wèi)星批產(chǎn)

過去，衛(wèi)星動(dòng)輒發(fā)射成本過億。隨著科技的發(fā)展，衛(wèi)星發(fā)射成本逐步下降。在李志遠(yuǎn)看來，本世紀(jì)以來，隨著相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的衛(wèi)星功能已可以通過微小型的衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)。微小型的衛(wèi)星的研制的周期更短，使用的成本更低，為許多領(lǐng)域尤其是科學(xué)領(lǐng)域的研究注入了新的動(dòng)力。

衛(wèi)星價(jià)格是如何“打”下來的？金歷群告訴記者，長(zhǎng)期以來，國(guó)家面向重大航天工程構(gòu)建了一套完整的航天產(chǎn)業(yè)體系，以航天院所研制的宇航級(jí)設(shè)備為主，來確保航天工程圓滿成功。目前，銀河航天面向衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座快速構(gòu)建需求，嘗試與社會(huì)化工業(yè)體系進(jìn)行合作，依托我國(guó)強(qiáng)大的社會(huì)工業(yè)體系，提高衛(wèi)星部組件以及整星的批量化生產(chǎn)能力，降低成本。“我們認(rèn)為只有建立在航天產(chǎn)業(yè)和社會(huì)化大制造業(yè)融合的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的衛(wèi)星批產(chǎn)。”

“衛(wèi)星批產(chǎn)和手機(jī)電腦批產(chǎn)有著天壤之別。”銀河航天衛(wèi)星批產(chǎn)主管郭大寶說，衛(wèi)星工作環(huán)境在太空，在衛(wèi)星研發(fā)時(shí)需在地面模擬真空、失重、地磁場(chǎng)等等太空環(huán)境，這些試驗(yàn)的成本往往都很高，也就造成了衛(wèi)星的研制成本比較高；同時(shí)衛(wèi)星發(fā)生故障也很難維修；這些原因造成衛(wèi)星研制周期長(zhǎng)，批產(chǎn)難度高。

不過在衛(wèi)星批產(chǎn)的過程中，銀河航空開始應(yīng)用3D打印技術(shù)“降本增效”。“在載荷的研發(fā)生產(chǎn)中，通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)高頻微距波導(dǎo)、高性能天線等載荷的加工，將部分載荷互聯(lián)的空間壓縮到傳統(tǒng)占用空間的1/3，同時(shí)電性能還得到一定程度的提升，使得部分單機(jī)及系統(tǒng)的性能更上一層，也極大促進(jìn)了行業(yè)的進(jìn)步。”金歷群說。

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