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        立方體衛(wèi)星研制中的顛覆性創(chuàng)新

        2017-11-01 08:11:07林來興北京控制工程研究所
        國際太空 2017年9期
        關(guān)鍵詞:星群立方體研制

        林來興 (北京控制工程研究所)

        立方體衛(wèi)星研制中的顛覆性創(chuàng)新

        Disruptive Innovation in the Development of CubeS at

        林來興 (北京控制工程研究所)

        在我國“十三五”規(guī)劃中明確了,“大眾創(chuàng)業(yè),萬眾創(chuàng)新”是我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的新引擎。創(chuàng)新有兩種:顛覆性創(chuàng)新和漸進(jìn)性創(chuàng)新,顛覆性創(chuàng)新是最高層次。當(dāng)今對顛覆性創(chuàng)新的出現(xiàn)與發(fā)展可能還有些人不甚了解,特別是在航天領(lǐng)域。為此,本文將以最不引人注意的立方體衛(wèi)星(CubeSat)為例,來論證它是一個名副其實(shí)的顛覆性創(chuàng)新。

        1 顛覆性創(chuàng)新概念

        顛覆性創(chuàng)新是美國哈佛商學(xué)院克萊頓·克里斯坦森(Clayton Christenson)教授創(chuàng)造的一個術(shù)語,描述了一種產(chǎn)品或服務(wù)最初在低端市場的簡單應(yīng)用程序中的扎根過程,然后無情向上推進(jìn)市場,最后取代已有的競爭對手。換句話說就是把一個貴重物品做得很便宜,把原來一個很難獲得的東西變得容易獲得,把原來一個很難用的東西變成非常容易使用。這完全符合一切工程技術(shù)和科學(xué)與藝術(shù),其發(fā)展的最終目標(biāo)是追求簡單性和完善性的規(guī)律。例如:個人計(jì)算機(jī)顛覆主機(jī)計(jì)算機(jī)行業(yè),智能手機(jī)繼續(xù)不斷顛覆計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等。

        顛覆性技術(shù)由低端一直向上發(fā)展,最終滿足甚至還超過最為苛刻的用戶的要求。顛覆性創(chuàng)新應(yīng)包括技術(shù)和管理兩部分。特別要注意的是,要有滿足顛覆性創(chuàng)新技術(shù)的組織管理,若沒有組織管理,顛覆性創(chuàng)新技術(shù)也會夭折,因?yàn)轭嵏残约夹g(shù)創(chuàng)新是一個過程,短的也要幾年時間。概括起來顛覆性創(chuàng)新有以下幾個特征:

        1) 非競爭性。是指顛覆性創(chuàng)新并不是與現(xiàn)有主流市場競爭者爭奪用戶,而是通過滿足新的現(xiàn)有主流產(chǎn)品的“非消費(fèi)者”來求得生存與發(fā)展。

        2) 初始階段的低端性。這種低端性才使得它被現(xiàn)有主流市場的競爭者所忽略,避開與現(xiàn)有高端市場的激烈競爭,從而成長壯大。

        3) 簡便性。這令使用者變得更為廣泛,從而使產(chǎn)品的價(jià)格更加低廉,讓更多人能夠用得起,為此創(chuàng)造良好的市場條件,不至于過早夭折。

        4) 應(yīng)用價(jià)值導(dǎo)向性。投資成本低,應(yīng)用效果日益增長。這表明顛覆性創(chuàng)新的價(jià)值所在,缺少這一點(diǎn),顛覆性創(chuàng)新就失去了存在的價(jià)值。

        2 立方體衛(wèi)星的概念與技術(shù)發(fā)展

        在小衛(wèi)星中最小的兩個種類分別為:納衛(wèi)星,質(zhì)量為1~10kg;皮衛(wèi)星,質(zhì)量為0.1~1kg。有些人認(rèn)為這樣小的衛(wèi)星用處不大,沒有研究價(jià)值。納衛(wèi)星也只做些空間簡單試驗(yàn),皮衛(wèi)星幾乎僅作物理概念存在,20世紀(jì)發(fā)射數(shù)量極少。但美國斯坦福大學(xué)湯姆·肯尼(Tom Kenny)教授根據(jù)該校多年對納衛(wèi)星研究積累的經(jīng)驗(yàn),在1999年對納衛(wèi)星提出了新的概念,即質(zhì)量為1kg,結(jié)構(gòu)尺寸為10cm×10cm×10cm的正方體。

        立方體衛(wèi)星從概念產(chǎn)生至今已有十幾年了,技術(shù)得到極大發(fā)展。正像顛覆性創(chuàng)新發(fā)展過程一樣,這個過程大致可以分成為低端、中端和高端用戶提供產(chǎn)品這3個階段。

        概念深化與研究階段—為低端用戶提供產(chǎn)品

        立方體衛(wèi)星概念出現(xiàn)以后,首先得到全世界大學(xué)和部分研究機(jī)構(gòu)的擁戴,并積極參與開發(fā)和研究。從立方體衛(wèi)星概念產(chǎn)生至2003年,據(jù)初步估計(jì),全球最少有60~70個大學(xué)和研究機(jī)構(gòu),包括美國波恩公司空間研究中心、美國國家航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心(Ames)等,都加入到立方體衛(wèi)星研究開發(fā)行列當(dāng)中。特別是在美國大學(xué),立方體衛(wèi)星已成為影響最大的小衛(wèi)星研究項(xiàng)目。國際上對立方體衛(wèi)星的研究逐漸形成一個熱潮。并開始進(jìn)入低端市場,以成本低、研制周期短、具有一定空間應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)品為用戶服務(wù)。

        2003年6月30日,世界首批立方體衛(wèi)星成功發(fā)射,這批立方體衛(wèi)星共有6顆,它們包括:日本2顆,丹麥2顆,加拿大1顆,這5顆衛(wèi)星的質(zhì)量皆為1kg;美國1顆地震研究衛(wèi)星,質(zhì)量為4kg。

        2003-2009年,各國相繼發(fā)射70多顆立方體衛(wèi)星,它們的共同特點(diǎn)是費(fèi)用低,僅需要幾萬到十幾萬美元,相比而言,當(dāng)時一顆常規(guī)衛(wèi)星至少需要2~3億美元,兩者相差3~4個數(shù)量級,而且研制周期縮短5~6倍。雖然技術(shù)水平和應(yīng)用價(jià)值較低,但也有一定的空間應(yīng)用價(jià)值。這正是顛覆性創(chuàng)新初期的特點(diǎn)。

        空間演示和應(yīng)用階段—為中端用戶提供產(chǎn)品

        2010-2013年已經(jīng)進(jìn)入為中端用戶提供產(chǎn)品階段。也就是立方體衛(wèi)星技術(shù)水平和應(yīng)用價(jià)值有很大提高,個別產(chǎn)品開始接近現(xiàn)有中小型衛(wèi)星水平。經(jīng)費(fèi)少,研制周期短仍然是這個階段的特點(diǎn)。在這4年間全世界發(fā)射立方體衛(wèi)星大約170顆。下面列出其中2顆典型實(shí)例:“生命體/有機(jī)物暴露在軌實(shí)驗(yàn)”衛(wèi)星和“美國觀測空間碎片望遠(yuǎn)鏡”衛(wèi)星。

        立方體衛(wèi)星爆炸式增長—為高端用戶提供產(chǎn)品

        2014-2017年,立方體納衛(wèi)星已經(jīng)開始進(jìn)入為高端用戶提供衛(wèi)星產(chǎn)品階段,也可以說,它代表了立方體衛(wèi)星當(dāng)前的發(fā)展技術(shù)水平和應(yīng)用價(jià)值。這個階段,立方體納衛(wèi)星發(fā)射量劇增,每年平均發(fā)射量約為190顆,超過全世界總發(fā)射量的一半。其技術(shù)水平已經(jīng)和當(dāng)前衛(wèi)星技術(shù)相當(dāng),有些應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到現(xiàn)有單顆衛(wèi)星難以達(dá)到的程度,比如時間分辨率。另外,仍然保持著經(jīng)費(fèi)投資少,研制周期短的優(yōu)勢。

        上面3個發(fā)展階段充分說明,立方體衛(wèi)星完全符合顛覆性創(chuàng)新應(yīng)具有的性質(zhì)和特征。從2003年第一批立方體衛(wèi)星發(fā)射成功到2015年,其間發(fā)射立方體衛(wèi)星共有425顆,這些衛(wèi)星分布在各個應(yīng)用領(lǐng)域,對地觀測和空間技術(shù)試驗(yàn)兩項(xiàng)占2/3左右。這里所指技術(shù)試驗(yàn)不僅包括新技術(shù)空間試驗(yàn),更多是大型星座應(yīng)用試驗(yàn),其衛(wèi)星技術(shù)已經(jīng)比較成熟。在這發(fā)射的425顆衛(wèi)星中,美國占76%,其他國家僅占24%。

        3 立方體衛(wèi)星發(fā)展前景—研制最苛刻用戶要求的產(chǎn)品

        從顛覆性創(chuàng)新概念和發(fā)展過程得知,今后立方體衛(wèi)星已處在顛覆性創(chuàng)新的最高位置,這也是立方體衛(wèi)星今后的發(fā)展方向,研制最苛刻用戶要求的產(chǎn)品。為了便于討論,從下列幾個方面來說明。

        立方體衛(wèi)星組合形式

        立方體衛(wèi)星已經(jīng)不是以前簡單的2~3U組合,已經(jīng)有下列組合形式:

        1)眾多基本單元(U)組合。目前已有27U的組合形式,今后可能發(fā)展30~40U的大型組合,衛(wèi)星質(zhì)量估計(jì)在50kg以下;

        2)幾個基本單元(3~6U)作為基本組合主體,外面設(shè)有可展開式機(jī)構(gòu)。太陽電池翼和多種形式天線,這些可展開設(shè)備仍然作衛(wèi)星平臺組成部分;目前已做成大型可折疊柔性太陽電池翼,面積在幾十平方米以上,可發(fā)電幾百瓦以上。

        今后5年立方體衛(wèi)星發(fā)射量預(yù)測

        立方體衛(wèi)星從2012年起每年發(fā)射量都在增加,2013年和2014年的發(fā)射量劇增,今后立方體衛(wèi)星年度發(fā)射量仍保持增長趨勢。

        根據(jù)美國Space Works咨詢公司在2016年初的市場預(yù)測,統(tǒng)計(jì)出1~50kg微小衛(wèi)星每年發(fā)射量。市場預(yù)測的發(fā)射量會有些波動,衛(wèi)星具體發(fā)射量常有變化,因?yàn)轭A(yù)測中很多項(xiàng)目都是大型星座,少則幾十顆衛(wèi)星,多則上百顆。但是,衛(wèi)星發(fā)射量日益增加的態(tài)勢是肯定的。預(yù)測1~50kg微小衛(wèi)星發(fā)射量在未來幾年可能占全球航天器發(fā)射量的2/3左右。這種微小衛(wèi)星功能密度很高,成本低,研制周期短,將有可能取代相當(dāng)一部分傳統(tǒng)中小衛(wèi)星,但是它不可能也不會取代大型衛(wèi)星。

        大型納衛(wèi)星編隊(duì)飛行

        大型納衛(wèi)星編隊(duì)飛行可以認(rèn)為是最苛刻要求的空間產(chǎn)品,這里列出兩項(xiàng)正在設(shè)計(jì)研究階段的星群。

        (1) “硅片集成飛衛(wèi)星” (SWIFT) 星群計(jì)劃

        SWIFT衛(wèi)星(100g)組成大型星群任務(wù)由美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)資助,NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)等單位負(fù)責(zé)研制。采用眾多飛衛(wèi)星(FemtoSat,質(zhì)量為10~100g)組成星群,在地球低軌道飛行。該任務(wù)的研究目的是由星群組成稀疏孔徑陣列和空間分布式敏感器網(wǎng)絡(luò)。星群在軌道要形成三維編隊(duì)飛行。另外星上裝有通信系統(tǒng)、三軸姿態(tài)和位置敏感器、電源分系統(tǒng)、微型反作用輪和一套微小型肼推進(jìn)系統(tǒng)。數(shù)字微推力系統(tǒng)總功率1.6W,總質(zhì)量95.5g。小型熱氣肼系統(tǒng)總功率1.7W,總質(zhì)量104.7g。

        微小衛(wèi)星(1~50kg)今后5年發(fā)射量 顆

        在軌道飛行實(shí)驗(yàn)中,要求保持編隊(duì)飛行隊(duì)形持續(xù)時間能達(dá)到100~1000s。是否能夠成功尚需空間演示驗(yàn)證。

        (2) “自主納衛(wèi)星技術(shù)星群”(ANTS)任務(wù)體系結(jié)構(gòu)

        在太陽系中,火星軌道與木星軌道之間存在一條小行星帶,約有50多萬顆小行星。體積大小差異很大,最大的直徑有上千千米。過去很長歷史時期,由于缺乏有效的觀測手段,探測小行星帶的收獲很小。為此,NASA計(jì)劃在2025-2030年在小行星帶建立一個“自主納衛(wèi)星技術(shù)星群”探測體系,從而可以長期探測小行星帶。這個星群設(shè)想由1000顆納衛(wèi)星組成,每顆衛(wèi)星質(zhì)量為幾千克。它們分批由火箭發(fā)射在太陽與木星間的拉格朗日點(diǎn)上,然后擇機(jī)進(jìn)入小行星帶,組成星群。

        這些立方體衛(wèi)星在飛行軌道上組成各種功能模塊。所謂星群是類似于被動編隊(duì)飛行,它依靠一種仿自然界昆蟲的組織方式,例如螞蟻覓食、蜜蜂筑巢行為的人工智能方法,使星群內(nèi)所有納衛(wèi)星可以自主保持松散隊(duì)形,也就是說不會發(fā)生某些衛(wèi)星走失情況,而且不消耗燃料。這項(xiàng)飛行任務(wù)目前還處在研究和方案設(shè)計(jì)階段。

        空間飛行試驗(yàn)任務(wù)技術(shù)指標(biāo)如下:任務(wù)壽命5~10年,軌道距地球1~3.5天文單位,納衛(wèi)星質(zhì)量約為1kg,星上功率100~300mW,姿態(tài)三軸穩(wěn)定。

        應(yīng)用3D打印技術(shù)研制立方體衛(wèi)星

        俄羅斯聯(lián)邦航天局和NASA都在積極研究應(yīng)用3D打印技術(shù)研制立方體衛(wèi)星。該方法目前有兩種類型:第一種類型是用3D打印機(jī)制造立方體衛(wèi)星結(jié)構(gòu),然后把立方體衛(wèi)星有關(guān)部件組裝進(jìn)去,這些都在地面上進(jìn)行,最后送到空間站或者載人飛船,由航天員送入太空。對于這種類型,2016年3月31日,俄羅斯的4顆由6U立方體衛(wèi)星已經(jīng)由進(jìn)步MS-2(Progress MS-2)貨運(yùn)飛船成功送到“國際空間站”。

        第二種類型是美國NASA目前正在研究的,方法是把3D打印機(jī)、材料和有關(guān)部件(模塊化)一起送入空間站,目前計(jì)劃由航天員或者空間機(jī)器人在空間站組裝,最后由空間站專門通道把立方體衛(wèi)星送入太空(2015年已經(jīng)有多顆“鴿群”立方體衛(wèi)星通過這種釋放方式部署)。將來有可能在空間站建立立方體衛(wèi)星組裝流水線。

        4 結(jié)束語

        立方體衛(wèi)星是一個典型的顛覆性創(chuàng)新。當(dāng)前立方體衛(wèi)星正在步入顛覆性創(chuàng)新的最高位置,研制最苛刻用戶要求的空間產(chǎn)品。今后,立方體衛(wèi)星的發(fā)展將引發(fā)空間技術(shù)的一場革新。

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