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2023-01-31
瞭望 “未來我們也許會像生產汽車一樣生產衛(wèi)星”
更新時間：2022-07-12 18:10:23作者：未知
現(xiàn)在國內衛(wèi)星嘗試流水線生產，將為今后高效批量生產衛(wèi)星奠定基礎，“未來我們也許會像生產汽車一樣生產衛(wèi)星”
規(guī)劃建設民商發(fā)射場或發(fā)射工位，豐富發(fā)射場資源正當其時
中國星間通信在基礎材料、軟硬件核心零部件等方面仍有一定依賴，增強供應鏈的自主可控，是接下來要重點研究的問題
文 |《瞭望》新聞周刊記者李亞彪 吳慧珺 鄒樂 林翔
把一顆承接互聯(lián)網(wǎng)功能的衛(wèi)星鑲嵌到太空，究竟要分多少步？天地兩端需要哪些技術支撐？接下來還要做哪些準備？
回答這些問題，首先要清楚：低軌衛(wèi)星系統(tǒng)技術主要包括衛(wèi)星發(fā)射技術、衛(wèi)星制造技術、星間通信技術、用戶終端相控陣技術等，其中發(fā)射環(huán)節(jié)格外關鍵。
2022年初發(fā)布的《中國航天科技活動藍皮書（2021年）》數(shù)據(jù)顯示，全球2021年實施的發(fā)射任務次數(shù)、航天器發(fā)射總數(shù)量，均為歷史最高。然而專家認為，這些發(fā)射密度尚未達到峰值，現(xiàn)在還只是世界各國諸多星座天基組網(wǎng)計劃大規(guī)模實施的前夜。
隨著國內外相應技術壁壘逐漸消除，通過衛(wèi)星提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設，已不存在難以逾越的技術瓶頸，低軌道、高帶寬衛(wèi)星星座建設正在步入快車道。
在這場激烈的競賽當中，中國準備好了嗎？
銀河航天批量研制的低軌寬帶通信衛(wèi)星 銀河航天供圖
突破星座建設瓶頸
在一張張環(huán)布地球的巨大太空網(wǎng)絡中，衛(wèi)星是構成其中的最基礎要素，衛(wèi)星制造是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的根本。
“衛(wèi)星制造成本正在不斷降低?！苯衲?月在合肥舉辦的空天信息與數(shù)字地球創(chuàng)新峰會上，中科院院士、中科院空天信息創(chuàng)新研究院院長吳一戎談到，當單顆衛(wèi)星的制造成本降到100萬美元以內時，也將極大地降低發(fā)射成本。
目前，國際上大部分低軌衛(wèi)星已可以做到在總質量不到500千克情況下，每顆成本控制在100萬美元以內。
據(jù)中國電科發(fā)展戰(zhàn)略研究中心戰(zhàn)略與規(guī)劃研究部高級工程師鄒明介紹，近年來，衛(wèi)星天線系統(tǒng)、自主避撞系統(tǒng)、星敏感器等方面以及材料、工藝的技術進步，使衛(wèi)星集成度更高，小型化、模塊化、批量化成為可能，極大降低了衛(wèi)星體積、質量和制造成本，縮短了生產周期。
在上海松江，一個年產300顆衛(wèi)星的生產線正在建設。上海航天技術研究院副院長李昕對《瞭望》新聞周刊記者說，現(xiàn)在國內衛(wèi)星嘗試流水線生產，將為今后高效批量生產衛(wèi)星奠定基礎，“未來我們也許會像生產汽車一樣生產衛(wèi)星”。
2021年初，國內的銀河航天就啟動了衛(wèi)星小批量研制工作，不到一年時間，就完成小批量衛(wèi)星的全部設計、總裝、測試、試驗和出廠工作，這是中國首次成批量研制低軌寬帶通信衛(wèi)星。
今年初，銀河航天的6顆低軌寬帶通信衛(wèi)星順利下線，完成出廠評審，運抵發(fā)射場。銀河航天擬通過該批衛(wèi)星構建可以提供寬帶通信服務的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)試驗網(wǎng)絡，為大規(guī)模組網(wǎng)應用積累經(jīng)驗。
即便如此，產能依然是中國低軌衛(wèi)星制造需要突破的瓶頸之一。低軌道星座建設需要在較短時間內建造成百上千顆衛(wèi)星，對產能要求高。國內一些實力雄厚的衛(wèi)星工廠正在建設的具備每月生產30顆小型衛(wèi)星的生產線，已經(jīng)接近英國“一網(wǎng)”公司產能，但和太空探索技術公司每月120顆相比仍有差距。
從地面到空間，大規(guī)模星座工程建設面臨全新挑戰(zhàn)。在建設經(jīng)驗方面，北斗衛(wèi)星定位導航是中國目前在軌規(guī)模較大的星座系統(tǒng)，積累了衛(wèi)星、運載火箭中等規(guī)模批產批次發(fā)射經(jīng)驗，也具備長期管理、異常處置等在軌管理能力。然而，專家認為，同北斗系統(tǒng)相比，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)規(guī)模更大、功能更復雜，目前中國還缺少數(shù)百顆甚至上千顆衛(wèi)星所構成星座的建設經(jīng)驗。
星座建設的投入也不容忽視。國內低軌衛(wèi)星星座建設主體齊全，但研究部門從已規(guī)劃的星座建設需求測算，預計投入規(guī)模將超過800億元，這是一筆巨大的前期投入。此外，按單星設計壽命5年計算，即便星座組網(wǎng)成功，維持星座運營還需要不停發(fā)射補網(wǎng)衛(wèi)星，預計每年補網(wǎng)硬投入也在百億元左右。
中國電科發(fā)展戰(zhàn)略研究中心工程師吳明閣等專家認為，國外發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的多是商業(yè)部門，追求的是互聯(lián)網(wǎng)接入帶來的巨大經(jīng)濟利益。但衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座除商業(yè)用途之外，不應忽視其具有的公益屬性。因此，構建可實現(xiàn)資源共享的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座，走出一條具有中國特色的建設之路，需要盡快破題。
衛(wèi)星發(fā)射能力不斷增強
衛(wèi)星發(fā)射在低軌星座建設成本中比重較大，如果沒有高效、充足的太空發(fā)射能力，大規(guī)模星座建設難以實現(xiàn)。
太空發(fā)射有賴于火箭技術的進步。在國際上，最新的可重復利用火箭技術已大幅降低了發(fā)射成本，提升了大規(guī)模星座建設效率。來自相關國際大公司的實踐表明，在實現(xiàn)火箭回收重新利用之前，每次發(fā)射費用在數(shù)千萬美元；而實現(xiàn)火箭回收可重復利用后，單次發(fā)射成本平均可望降至600萬美元。
對火箭而言，“大推力”和“低成本”相輔相成。上海航天技術研究院產業(yè)發(fā)展部副部長陳昌敢認為，在這兩方面，目前較成功的技術案例是太空探索技術公司的“獵鷹9”火箭。
早在2018年2月，太空探索技術公司就以一枚“獵鷹9”火箭將一顆西班牙衛(wèi)星送入軌道，同時還將該公司衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項目首批原型衛(wèi)星送入太空，為搭建由上萬顆衛(wèi)星組成的“星鏈”做準備。
有分析指出，“獵鷹9”火箭將其太空運費削減到每千克2600美元，同20年前的運費相比下降了四分之三。下一代“獵鷹”重型運載火箭有可能把成本進一步降至每千克1500美元。“獵鷹9”火箭具備一箭搭載60星能力，其下一代重型運載火箭的設計能力為每次可將400顆“星鏈”衛(wèi)星送至相應軌道，發(fā)射成本將降至原來的五分之一。
其他的方法也在探索之中。在英國，維珍銀河公司設計的做法是，由白騎士特種飛機將發(fā)射者火箭帶到離地面15千米高度后，再由發(fā)射者火箭點火將小型衛(wèi)星帶到近地軌道。如此一來，發(fā)射費用可以做到只有太空探索技術公司報價的六分之一。
“一箭多星”和可重復利用火箭技術在中國太空發(fā)射領域同樣方興未艾。
在以長征系列運載火箭為主的中國航天運輸系統(tǒng)中，多種運載火箭可“一箭多星”。今年2月，長征八號運載火箭在文昌成功將22顆衛(wèi)星發(fā)射升空，創(chuàng)造中國“一箭多星”新紀錄。
可重復的液體燃料火箭燃料成本最低僅為固體燃料的二百分之一，雖然目前尚無發(fā)射記錄，但隨著可重復商業(yè)火箭的關鍵技術近期不斷取得突破，國內可重復的液體燃料商業(yè)運載火箭首飛時間也未來可期。
“推力決定運載能力，國內的火箭噸位與國際巨頭相比有差距。”李昕說。在剛剛過去的2021年，美國共完成了51次航天發(fā)射，發(fā)射載荷總質量403.34噸，超過其他各國總和。中國執(zhí)行55次發(fā)射任務，次數(shù)居世界首位，但總質量不足美國一半。
衛(wèi)星發(fā)射還需要準備好的是發(fā)射場——航天器進入空間的最后一站。
《2021中國的航天》白皮書指出，酒泉、太原、西昌發(fā)射場適應性改造全面完成，酒泉發(fā)射場新增液體火箭商業(yè)發(fā)射工位，文昌航天發(fā)射場進入業(yè)務化應用階段，基本建成沿海內陸相結合、高低緯度相結合、各種射向范圍相結合的航天發(fā)射格局，能夠滿足包括各類衛(wèi)星在內的多樣化發(fā)射需求。
中國海上發(fā)射也有了新的突破。2021年，海上發(fā)射平臺投入使用，填補了中國海上發(fā)射火箭的空白。從理論上看，隨著低傾角衛(wèi)星的需求越來越旺盛，衛(wèi)星發(fā)射距離赤道越近，運載能力損失就越小，發(fā)射成本也就越低，選擇機動性更強的海上發(fā)射，值得重視。
據(jù)陳昌敢等專家觀察，綜合現(xiàn)有發(fā)射計劃，未來3年剩余工位總運載能力仍存不足，還不能充分滿足衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座大規(guī)模發(fā)射任務需求。中關村領創(chuàng)商業(yè)航天產業(yè)發(fā)展聯(lián)盟、錢學森空間技術實驗室發(fā)布的《中國商業(yè)航天產業(yè)研究報告（2021年）》指出，隨著商業(yè)火箭型號的發(fā)展，當前發(fā)射場能力難以滿足民商航天發(fā)射需求。
國家“十四五”規(guī)劃明確提出，要“打造全球覆蓋、高效運行的通信、導航、遙感空間基礎設施體系，建設商業(yè)航天發(fā)射場”，因此規(guī)劃建設民商發(fā)射場或發(fā)射工位，豐富發(fā)射場資源正當其時。
星圖地球GEOVIS Earth視角下的海南三亞 受訪者供圖
星間通信技術逐漸成熟
隨著低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座的加速建設，星間通信的話題也逐漸被提上日程。
從衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)鏈看，衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間段、地面段、用戶段組成。空間段包括衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、星座建設等環(huán)節(jié)。地面段指衛(wèi)星地面關口站、地面衛(wèi)星控制中心、指令站等，可以完成衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡的連通，分配資源并計費。用戶段指的是各種用戶終端，包括車載、機載、船載終端以及手機、電腦等移動終端。
研究資料顯示，基于毫米波、激光通信的星際鏈路等星間通信技術逐漸成熟，可以實現(xiàn)星座天基組網(wǎng)，既減少了地面站數(shù)量，也降低了通信時延。在關鍵的用戶終端相控陣技術方面，近年來國內也出現(xiàn)了一批民營企業(yè)。
合肥若森智能科技有限公司總經(jīng)理桂萬如對記者說，大規(guī)模天線陣列和波束成形技術逐步成熟，大幅提升了終端性能，減少了體積、功耗和成本，進一步推動終端小型化。國際上，可移動終端也在研制中。不過，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)所需的快速跟蹤、高集成和低成本相控陣天線，以及新型高集成基帶芯片、地面核心網(wǎng)產品和運控管理系統(tǒng)等，國內尚無成熟產品，需盡快部署研制。
專家表示，從供應鏈看，中國星間通信在基礎材料、軟硬件核心零部件等方面仍有一定依賴，如何增強供應鏈的自主可控，是接下來要重點研究的問題。
另一個值得關注的事是，在地面移動通信標準化演進中，中國實現(xiàn)3G跟隨、4G趕超、5G領跑，為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)標準化的突破提供了技術基礎和實施經(jīng)驗。而中國的相關標準化機構尚未全面開展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)標準化等相關工作，對國際衛(wèi)星電視廣播標準、第三代合作伙伴計劃非地面網(wǎng)絡標準的跟蹤和參與還有所不足。
讓衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應用場景直接觸達C端，是無數(shù)“星網(wǎng)人”的夢想。抬首問天，星河燦爛。征途漫漫，未有窮期……■