文|謝濤 余東峰 李云鵬 郭磊 賀躲強(qiáng)
北京九天微星科技發(fā)展有限公司
星鏈(Starlink)是美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)的通信衛(wèi)星項(xiàng)目。SpaceX 計(jì)劃在2024年前在太空搭建由約1.2 萬顆衛(wèi)星組成的星鏈網(wǎng)絡(luò)提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù),后續(xù)準(zhǔn)備再增加3 萬顆,使衛(wèi)星總量達(dá)到約4.2 萬顆。
星艦是SpaceX 未來用于遠(yuǎn)距離載人、貨物運(yùn)輸?shù)男乱淮苫厥栈鸺琒paceX 計(jì)劃用其來進(jìn)行載人繞月飛行、前往火星等太空探索。該火箭運(yùn)載能力是現(xiàn)有其他運(yùn)載火箭的5 倍,起飛推力大于7500t,星艦回收型可以提供大于100t 載荷入軌,一次可以支持發(fā)射400 多顆星鏈衛(wèi)星。
(1)衛(wèi)星批量化生產(chǎn)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)革命
據(jù)統(tǒng)計(jì),2022 年,SpaceX 共完成34 次星鏈衛(wèi)星發(fā)射,全年共發(fā)射1700 余顆衛(wèi)星,截至目前已累計(jì)發(fā)射星鏈衛(wèi)星3800 余顆。2023 年,SpaceX 計(jì)劃發(fā)射100 次以上,星鏈任務(wù)占三分之二左右,將創(chuàng)下火箭發(fā)射次數(shù)與星鏈衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量的新高。未來,要實(shí)現(xiàn)4.2 萬顆星鏈衛(wèi)星的發(fā)射目標(biāo),衛(wèi)星批量化生產(chǎn)能力是SpaceX 的一項(xiàng)重要關(guān)鍵技術(shù)。
馬斯克堅(jiān)持“為生產(chǎn)而設(shè)計(jì)”的理念,以衛(wèi)星的工廠化、規(guī)?;a(chǎn)為設(shè)計(jì)導(dǎo)向,將衛(wèi)星當(dāng)作汽車或其他工業(yè)產(chǎn)品一樣,所有的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作始終圍繞著能否實(shí)現(xiàn)快速、批量生產(chǎn)進(jìn)行。在此之前,衛(wèi)星制造還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),馬斯克通過把市場(chǎng)力量和航天技術(shù)相結(jié)合,完成批量生產(chǎn)衛(wèi)星的能力建設(shè)。
規(guī)?;a(chǎn)是星鏈與傳統(tǒng)衛(wèi)星生產(chǎn)模式的重大差異。相對(duì)于傳統(tǒng)衛(wèi)星生產(chǎn)周期長(zhǎng)、產(chǎn)量小、成本高的模式,星鏈以流水線方式,實(shí)現(xiàn)快速制造、規(guī)?;?、低成本目標(biāo)。一是不斷提升制造規(guī)模。SpaceX 于2018 年2 月發(fā)射的2 顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,其制造、集成時(shí)間長(zhǎng)達(dá)半年以上,而隨著新版衛(wèi)星的持續(xù)推出,其生產(chǎn)速度不斷加快、生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)上升。2020 年3 月為6 顆/天,已是其主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一網(wǎng)(OneWeb)公司生產(chǎn)速率的4 倍,而2023 年初已增至約8 顆/天。二是不斷降低制造成本。馬斯克早在2019 年前就表示,星鏈衛(wèi)星的成本遠(yuǎn)低于50萬美元,低于由火箭將其送入太空的成本。
為提高生產(chǎn)效率實(shí)現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn),同時(shí)確保生產(chǎn)線的穩(wěn)定和產(chǎn)品性能與質(zhì)量的一致性,SpaceX 為星鏈的生產(chǎn)引入了大量專業(yè)生產(chǎn)線、流水線機(jī)器人等設(shè)備。其中,在雷德蒙德生產(chǎn)設(shè)施內(nèi)裝備了日本富士公司SMT 貼片機(jī)、歐洲ABB 公司層壓機(jī)器人與總裝線等設(shè)備。先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備的引入,為衛(wèi)星自動(dòng)化快速、批量生產(chǎn)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。
據(jù)SpaceX 計(jì)劃,2024 年至2027 年每年需生產(chǎn)/發(fā)射約7000 ~8000 顆,2028 年后基本維持在每年8000 顆以上水平。SpaceX 成功將衛(wèi)星批量化生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行成熟應(yīng)用,打破了傳統(tǒng)航天制造領(lǐng)域的局限,必將促進(jìn)航天生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)的變革,引領(lǐng)新一輪航天產(chǎn)業(yè)革命。
(2)多星分離技術(shù)助力一箭多星發(fā)射
多星分離技術(shù)是指用一枚運(yùn)載火箭將兩顆及以上的衛(wèi)星發(fā)射至預(yù)定軌道的分離技術(shù),傳統(tǒng)多星分離模式需要依靠質(zhì)量體積較大的衛(wèi)星適配器,對(duì)整流罩內(nèi)寶貴空間的利用率不足,一次可發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量也受到限制。
為了能夠快速部署星鏈星座,最大化地利用火箭的整流罩內(nèi)部空間,SpaceX 創(chuàng)新性提出衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)接口,并將衛(wèi)星設(shè)計(jì)成扁平的結(jié)構(gòu),采用統(tǒng)一的承力支柱接口進(jìn)行堆疊安裝連接。在星鏈發(fā)射任務(wù)中,采用了“一箭60 星”的堆疊式搭載模式,60 顆星鏈衛(wèi)星共被分為兩堆,每堆各30 顆衛(wèi)星(圖1)。在衛(wèi)星堆疊的最上方的垂直支柱上設(shè)置一個(gè)橫向軸銷作為頂部壓緊裝置,通過兩個(gè)張力桿連接的機(jī)構(gòu)將軸銷壓緊,用于固定整體衛(wèi)星組。當(dāng)接到分離指令時(shí),靠近載荷支架的張緊機(jī)構(gòu)首先解鎖,解除衛(wèi)星組下端固定,接著張緊機(jī)構(gòu)在分離能源帶動(dòng)下緩緩拔出,至特定位置后,解除上方固定。該堆疊式衛(wèi)星不再需要專門的衛(wèi)星適配器,節(jié)省了運(yùn)載能力的同時(shí),也可以充分利用運(yùn)載火箭整流罩的可用空間,可突破一次發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量,提高發(fā)射效率。2021 年1 月,SpaceX 利用獵鷹-9 實(shí)現(xiàn)了“一箭143 星”的發(fā)射壯舉,將10 顆星鏈衛(wèi)星和133 顆小衛(wèi)星送入軌道,大幅刷新了世界“一箭多星”發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量的紀(jì)錄。
圖1 SpaceX 多星分離機(jī)構(gòu)
(3)高性能火箭為星鏈保駕護(hù)航
目前星鏈衛(wèi)星通過SpaceX 的獵鷹-9 重型火箭進(jìn)行發(fā)射,獵鷹-9 的LEO 運(yùn)力約22.8t,可以滿足星鏈計(jì)劃一箭60 星的發(fā)射。但根據(jù)星鏈2028 年后穩(wěn)定8000 顆/年的衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃,獵鷹-9 的運(yùn)力明顯不足,故而SpaceX研制了未來用于遠(yuǎn)距離載人、貨物運(yùn)輸?shù)男乱淮苫厥栈鸺桥灒▓D2)。
圖2 星艦
星艦的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為兩個(gè)方面:運(yùn)載能力大和成本低。在運(yùn)載能力方面,優(yōu)化的、完全可重復(fù)使用的星艦的有效載荷為150t(LEO),若不考慮重復(fù)使用,星艦的有效載荷可達(dá)250 ~300t,比我國(guó)現(xiàn)役的最大運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)的運(yùn)載能力高出10倍以上。在成本方面,SpaceX 已把航天運(yùn)輸?shù)某杀窘档土?0%,最終目標(biāo)是降低為原來的1%。降成本主要通過兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn),一是可重復(fù)回收液體火箭可以將原來單次使用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及一子級(jí)貯箱重復(fù)使用次數(shù)提高到數(shù)十次,且隨著技術(shù)的進(jìn)步,重復(fù)使用次數(shù)也會(huì)隨之增加,同時(shí)重復(fù)使用也會(huì)縮短生產(chǎn)周期;二是星艦本體采用更加低廉的不銹鋼材料,這與傳統(tǒng)航天行業(yè)對(duì)材料體系的認(rèn)知是矛盾的,這主要和運(yùn)載能力充足有直接關(guān)系,而我國(guó)目前運(yùn)載火箭的材料主要以鋁合金、碳纖維復(fù)合材料、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)等高成本材料為主。
我國(guó)從2015 年逐步開放商業(yè)航天領(lǐng)域以來,我國(guó)商業(yè)衛(wèi)星制造取得了很大的進(jìn)步和發(fā)展,商業(yè)衛(wèi)星設(shè)計(jì)也從十公斤級(jí)的3U、6U 衛(wèi)星發(fā)展到目前百公斤級(jí)以上衛(wèi)星,但我國(guó)商業(yè)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)制造產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)仍處于成長(zhǎng)初期,與國(guó)外商業(yè)衛(wèi)星研發(fā)制造相比仍有巨大差距。
目前,我國(guó)衛(wèi)星星座計(jì)劃也逐步增多,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)發(fā)射數(shù)量在30 顆以上衛(wèi)星的星座規(guī)劃就有數(shù)十個(gè),面對(duì)如此多的衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量,衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方式就必須發(fā)生根本改變。而目前我國(guó)絕大多數(shù)商業(yè)航天公司還是走衛(wèi)星定制化的老路,這種制造成本高、周期長(zhǎng)的傳統(tǒng)衛(wèi)星制造方式,以300kg 衛(wèi)星為例,國(guó)內(nèi)商業(yè)公司普遍研制周期在一年以上,而SpaceX 目前可以實(shí)現(xiàn)每月上百顆的批量生產(chǎn),由此可見,國(guó)內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星的制造效率和國(guó)外存在巨大差距。
當(dāng)前隨著微小衛(wèi)星的發(fā)展,一箭多星已經(jīng)成為微小衛(wèi)星的主流發(fā)射方式,而星箭分離技術(shù)又是一箭多星發(fā)射的關(guān)鍵,關(guān)系到一箭多星是否正常入軌,對(duì)衛(wèi)星任務(wù)的成敗有著重要影響。目前,國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星在運(yùn)載上的布局一般都是承力筒側(cè)掛式或者平面支撐式,這種傳統(tǒng)的衛(wèi)星搭載方式在整流罩內(nèi)的靜空間利用率低,單次發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量較少。當(dāng)前國(guó)內(nèi)單次發(fā)射搭載最多的就是長(zhǎng)征八號(hào)遙二的一箭22星發(fā)射,這次發(fā)射通過支撐艙的設(shè)計(jì),將壁掛和平面支撐方式有機(jī)結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)單次多星發(fā)射的紀(jì)錄。
SpaceX 采用的堆疊式衛(wèi)星,不再需要專門的衛(wèi)星適配器,節(jié)省運(yùn)載能力的同時(shí),也可以充分利用運(yùn)載火箭整流罩的可用空間,通過合理設(shè)計(jì)可突破一次發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量,提高發(fā)射效率,實(shí)現(xiàn)“一箭60 星”的常態(tài)發(fā)射。通過與星鏈衛(wèi)星常態(tài)發(fā)射數(shù)量的對(duì)比,國(guó)內(nèi)一箭多星發(fā)射技術(shù)還有不小差距,在多星分離技術(shù)上還需繼續(xù)沉淀,尋找新的技術(shù)創(chuàng)新和突破。
在商業(yè)火箭領(lǐng)域,我國(guó)才剛剛起步,中科宇航的力箭一號(hào)運(yùn)載火箭近地軌道的運(yùn)載能力不超過2t。目前國(guó)內(nèi)運(yùn)力最大的運(yùn)載火箭是國(guó)家隊(duì)的長(zhǎng)征五號(hào),近地軌道運(yùn)載能力25t,而且尚未實(shí)現(xiàn)回收發(fā)射,發(fā)射成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SpaceX,故而從數(shù)據(jù)上來看,我國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭運(yùn)力與重型獵鷹相比還是遠(yuǎn)落后的。
從星鏈計(jì)劃的提出到現(xiàn)在短短幾年,已經(jīng)發(fā)射三千余顆衛(wèi)星,已為40 多個(gè)國(guó)家提供服務(wù),到2022 年底,用戶總數(shù)已達(dá)到80 萬。SpaceX 能在幾年時(shí)間內(nèi)能成為航天領(lǐng)域的佼佼者,離不開其強(qiáng)大的創(chuàng)新能力,其發(fā)展模式對(duì)我國(guó)商業(yè)航天有著很大啟發(fā)。要想趕超星鏈技術(shù)發(fā)展,盡可能占據(jù)有限的軌道資源和頻率資源,緩解我國(guó)嚴(yán)峻的國(guó)際安全形勢(shì),我國(guó)商業(yè)航天技術(shù)發(fā)展應(yīng)抓住機(jī)遇,緊跟世界先進(jìn)技術(shù),才能在世界商業(yè)航天格局中占據(jù)一席之地。九天微星作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的小衛(wèi)星全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)商,有責(zé)任為我國(guó)商業(yè)航天發(fā)展作出貢獻(xiàn)。近年來,九天微星瞄準(zhǔn)世界最新前沿技術(shù),在衛(wèi)星批量化生產(chǎn)和多星分離技術(shù)上進(jìn)行了有益探索。
針對(duì)我國(guó)衛(wèi)星產(chǎn)能相對(duì)不足的問題,九天微星首先在衛(wèi)星系統(tǒng)和新技術(shù)衛(wèi)星的自主研發(fā)和設(shè)計(jì)上開展了探索,提出了“太空班車”計(jì)劃:面向衛(wèi)星星座應(yīng)用需求,圍繞衛(wèi)星批量化生產(chǎn)、智能化應(yīng)用等所面臨的核心技術(shù)難點(diǎn),打破當(dāng)前宇航以載荷為核心、圍繞任務(wù)深度定制、以地面管理應(yīng)用為主的研產(chǎn)與服務(wù)模式,開展面向衛(wèi)星星座的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)研究,突破衛(wèi)星通用化/開放式平臺(tái)架構(gòu)、星座級(jí)星地協(xié)同自主導(dǎo)航與軌道控制、星座級(jí)星地協(xié)同對(duì)地觀測(cè)態(tài)勢(shì)感知、智能協(xié)同資源管控與邊緣計(jì)算、空間網(wǎng)絡(luò)化操作系統(tǒng)、基于智能星群的“云—邊—端”協(xié)同服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)。完成智能衛(wèi)星系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),促進(jìn)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā),大幅提升衛(wèi)星的快速制造能力和應(yīng)用效能,支撐基于星座的空間云腦體系構(gòu)建。
為了開展衛(wèi)星研發(fā)及其工業(yè)化生產(chǎn)和智能制造,目標(biāo)打造全國(guó)領(lǐng)先的衛(wèi)星智能制造基地及衛(wèi)星研發(fā)實(shí)驗(yàn)基地,實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)100 顆標(biāo)準(zhǔn)化衛(wèi)星或50 顆定制化衛(wèi)星的產(chǎn)能,九天微星在唐山建立了九天微星衛(wèi)星研發(fā)制造基地(圖3),占地約50 畝,其中第一期占地25 畝,目前一期工程已基本完工。九天微星還與知名高校、科研院所合作,在衛(wèi)星研發(fā)基地內(nèi)設(shè)立相關(guān)實(shí)驗(yàn)室,為基地提供衛(wèi)星“批量化+自動(dòng)化”的生產(chǎn)技術(shù)支撐,實(shí)現(xiàn)科研成果的轉(zhuǎn)化,提升基地綜合技術(shù)水平。目標(biāo)建設(shè)成為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的“批量化、自動(dòng)化、智能化、柔性化”的衛(wèi)星制造與研發(fā)基地。該基地生產(chǎn)裝配工藝采用半自動(dòng)生產(chǎn)線,測(cè)試過程選用全自動(dòng)測(cè)試設(shè)備,設(shè)備選取行業(yè)主流品牌,生產(chǎn)線主要考慮具有柔性化生產(chǎn)已使用衛(wèi)星的多型號(hào)、多平臺(tái),工藝流程卓越、工藝裝備高端、機(jī)械化和自動(dòng)化等方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位。
圖3 九天微星唐山工廠
生產(chǎn)組裝區(qū)將全程使用AGV 搬運(yùn)機(jī)器人和自動(dòng)組裝機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備,在提高工藝精度的同時(shí)降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。生產(chǎn)線還將采用柔性化布局,可實(shí)時(shí)調(diào)整產(chǎn)量和工藝,以適應(yīng)訂單量和衛(wèi)星型號(hào)變化。衛(wèi)星的每一個(gè)零部件都將擁有唯一的“身份證”,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程可視化和產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量追溯。依靠MES 生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)、AGV 集群和協(xié)作機(jī)器人等智能化工藝裝備,衛(wèi)星工廠實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星研制過程中物料管控、裝配執(zhí)行、信息采集以及專項(xiàng)測(cè)試的高度自動(dòng)化和智能化,大幅提升了衛(wèi)星總裝研制的能力和效率,滿足低成本、短周期商業(yè)衛(wèi)星對(duì)AIT 研制提出的新要求。
小衛(wèi)星大規(guī)模的應(yīng)用直接推動(dòng)了一箭多星發(fā)射技術(shù)的發(fā)展,而多星分離技術(shù)則是一箭多星發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)組成部分。九天微星是最早一批研制平板衛(wèi)星的單位之一。同時(shí)為配合未來堆疊式衛(wèi)星發(fā)射的重大戰(zhàn)略要求,九天微星在同步研發(fā)配合平板衛(wèi)星的多星解鎖分離裝置,開展了平板結(jié)構(gòu)衛(wèi)星多星分離解鎖技術(shù)研究,可為我國(guó)平板結(jié)構(gòu)衛(wèi)星批量發(fā)射部署提供技術(shù)支撐(圖4—5)。
圖4 九天在研平板衛(wèi)星
圖5 平板衛(wèi)星堆疊式多星分離
基于堆疊式設(shè)計(jì)的一箭多星發(fā)射技術(shù)是在對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行輕量化、薄片化、集成化等設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)單顆質(zhì)量為200 ~300kg 的平板結(jié)構(gòu)衛(wèi)星進(jìn)行堆疊,為保證堆疊結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及保證結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單可靠,并且避免增加整體重量,綜合考慮重量、技術(shù)成熟度、可靠性等因素,九天衛(wèi)星采用了基于芳綸纖維繩和記憶合金解鎖器的多星分離解鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。每顆衛(wèi)星通過4 個(gè)承力框與豎直方向相鄰的衛(wèi)星堆疊壓緊,承力框之間無剛性連接。堆疊完成后,通過壓緊螺釘給芳綸纖維繩施加一定的壓緊力實(shí)現(xiàn)組合體的整體壓緊。壓緊解鎖采用相對(duì)成熟的記憶合金解鎖裝置,解鎖釋放時(shí),給釋放底座通電解鎖,芳綸纖維繩預(yù)緊力釋放,星與星之間通過分離彈簧(集成在承力框中)及運(yùn)載提供的微小軸向角速度實(shí)現(xiàn)無碰撞分離。
該多星分離解鎖機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星方和運(yùn)載方的快速適配,大幅提升火箭一次發(fā)射所攜帶衛(wèi)星的數(shù)量,大幅提升批量集群衛(wèi)星發(fā)射能力,達(dá)到中低軌小微型衛(wèi)星快速部署、應(yīng)用和重構(gòu)目標(biāo),保障中低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及快速重構(gòu)。
九天微星通過平板衛(wèi)星和多星分離技術(shù)的研究,結(jié)合衛(wèi)星工廠的批量化生產(chǎn)能力,可服務(wù)我國(guó)平板結(jié)構(gòu)衛(wèi)星“一箭多星”發(fā)射任務(wù)。該系列技術(shù)的實(shí)現(xiàn),可以縮短衛(wèi)星星座快速部署建設(shè)、批量集群發(fā)射衛(wèi)星的技術(shù)差距,并可根據(jù)需求短時(shí)間內(nèi)快速響應(yīng)發(fā)射多顆衛(wèi)星來彌補(bǔ)或提升原有系統(tǒng)。
與星艦和星鏈相比,我國(guó)在運(yùn)載火箭與衛(wèi)星研制方面仍有一定差距,突出體現(xiàn)在運(yùn)載火箭不可復(fù)用、產(chǎn)能不足、成本過高等方面。一方面,國(guó)內(nèi)航天產(chǎn)品研制過于強(qiáng)調(diào)高可靠性與繼承性,從而導(dǎo)致技術(shù)更新迭代速度慢,產(chǎn)業(yè)升級(jí)速度較慢,過于關(guān)注產(chǎn)品性能而忽略成本。另一方面,相比于其他行業(yè),航天產(chǎn)品具有研發(fā)周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大、投入高的特點(diǎn),且受政策影響因素較大,目前國(guó)內(nèi)投資熱情普遍不高。
雖然和國(guó)外商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)存在差距,但我國(guó)商業(yè)航天發(fā)展仍具有巨大的想象空間。時(shí)至今日,許多商業(yè)航天企業(yè)的研發(fā)成果與應(yīng)用服務(wù)已將商業(yè)航天藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),在“征途是星辰大海”的新航天時(shí)代,中國(guó)商業(yè)航天發(fā)展定會(huì)星耀蒼穹,大放異彩。