眼下，銀河航天首發(fā)星發(fā)射已步入倒計(jì)時(shí)階段，發(fā)射衛(wèi)星不同于其它，錯(cuò)綜復(fù)雜是它與生俱來(lái)的固有屬性。
接下來(lái)的兩篇專欄，我將從地面研制和在軌控制兩個(gè)篇章對(duì)銀河衛(wèi)星發(fā)射全流程進(jìn)行細(xì)節(jié)還原，讓衛(wèi)星不再陌生。
本文為第一個(gè)篇章，我想先從衛(wèi)星的功能切入，說(shuō)明白為什么衛(wèi)星的本質(zhì)是一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)，其次，我希望把地面制造的重要性和關(guān)鍵點(diǎn)講清楚，讓大家了解向天空中發(fā)射一臺(tái)“計(jì)算機(jī)”到底難在哪兒。
從本質(zhì)上來(lái)看，衛(wèi)星即計(jì)算機(jī)
在講述衛(wèi)星發(fā)射前的制造工作之前，我們要厘清一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，衛(wèi)星是什么？
從某種程度上來(lái)分析，衛(wèi)星的本質(zhì)是一個(gè)計(jì)算機(jī)，而銀河所做的事，正相當(dāng)于在地面上打磨出一個(gè)太空計(jì)算機(jī)。這或許讓人聽(tīng)起來(lái)過(guò)于抽象，我們可以將這個(gè)太空平臺(tái)具象成IBM的大型機(jī)：質(zhì)量大約200公斤，尺寸約為一立方米。
我之所以會(huì)把衛(wèi)星稱之為計(jì)算機(jī)，主要有以下三個(gè)方面原因：
第一，衛(wèi)星作為軟硬兼?zhèn)涞囊惑w機(jī)，本身的作用在于為用戶服務(wù)，它能夠接收一些類(lèi)似于in和out的指令集，也就是說(shuō)能夠快速響應(yīng)用戶服務(wù)。
第二，衛(wèi)星又具備自動(dòng)駕駛的功能，在太空中，衛(wèi)星配備的天體敏感器通過(guò)敏感天體輻射來(lái)測(cè)定衛(wèi)星相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的三軸姿態(tài)和位置，從而感知自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。值得一提的是，衛(wèi)星還要結(jié)合當(dāng)前的任務(wù)要求去控制它的指向，因而，衛(wèi)星相當(dāng)于是在太空中進(jìn)行自動(dòng)駕駛和實(shí)時(shí)控制的計(jì)算機(jī)。
第三，衛(wèi)星作為一個(gè)通信計(jì)算機(jī)，能夠在太空中完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化和交換。
除了以上幾點(diǎn)，衛(wèi)星作為計(jì)算機(jī)其實(shí)還有一個(gè)很重要的維度，即通過(guò)加載功能軟件實(shí)現(xiàn)更好的在軌運(yùn)行管理控制，從而取代傳統(tǒng)更換硬件的升級(jí)方式。
以衛(wèi)星熱控功能為例，通常我們?cè)谶M(jìn)行溫度傳感器采集、熱控決策與加熱器控制時(shí)需要一個(gè)獨(dú)立的熱控下位機(jī)。如今，銀河航天將這些合并到通用的平臺(tái)上，通用平臺(tái)里運(yùn)行操作系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)熱控功能的APP，衛(wèi)星通過(guò)通用平臺(tái)連接這些傳感器和加熱器，從而不再需要獨(dú)立的熱控下位機(jī)。同樣，通過(guò)在通用平臺(tái)里加載姿軌控、星務(wù)管理、電源控制等功能APP，也能夠去除上述分系統(tǒng)的下位機(jī)，最終達(dá)到讓下位機(jī)在衛(wèi)星中消失的目標(biāo)。
也就是說(shuō)，從某種程度上來(lái)講，衛(wèi)星其實(shí)就是在太空中自動(dòng)駕駛的一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)，這臺(tái)計(jì)算機(jī)不僅能夠快速接收指令服務(wù)于客戶，還能在太空中完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化和交換，并通過(guò)軟件的技術(shù)創(chuàng)新替代傳統(tǒng)的硬件替換。
地面制造篇四大關(guān)鍵點(diǎn)
盡管衛(wèi)星的本質(zhì)是一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)，但向太空中發(fā)射這樣一臺(tái)計(jì)算機(jī)并不容易，僅在克服地心引力進(jìn)入軌道前，除完成所有機(jī)電產(chǎn)品都必需的集成測(cè)試外，還需要邁過(guò)其他的四道坎兒。
首先，是關(guān)于力的方面。眾所周知，衛(wèi)星在升空時(shí)要經(jīng)歷加速度沖擊和振動(dòng)的過(guò)程，這就要求衛(wèi)星在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上要進(jìn)行增強(qiáng)處理。通俗來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星在制造上要比IBM大型機(jī)要結(jié)實(shí)、粗壯的多，只有這樣，才能承受火箭發(fā)射時(shí)的動(dòng)載；而能否經(jīng)受住上述力學(xué)環(huán)境影響，就要求我們?cè)诘孛嫔弦獙?duì)衛(wèi)星做一系列的振動(dòng)試驗(yàn)，包括縱向和橫向等不同維度試驗(yàn)，是衛(wèi)星制造時(shí)不可或缺的一環(huán)。
其次，是關(guān)于熱的方面。所謂的熱是什么？簡(jiǎn)而言之，是衛(wèi)星在太空中受太陽(yáng)影響所承受的溫度變化（零下80多度—零上100多度）。在這樣的熱環(huán)境影響下，幾乎所有衛(wèi)星機(jī)、電設(shè)備性能都會(huì)受到影響，這就要求我們必須在衛(wèi)星溫度過(guò)高時(shí)，將熱量散去；在溫度過(guò)低時(shí)，對(duì)其進(jìn)行保溫或者加熱處理，確保衛(wèi)星上的設(shè)備工作在設(shè)定的溫度范圍。
對(duì)于整星熱耗小的衛(wèi)星，其熱控制從技術(shù)上來(lái)說(shuō)難度相對(duì)較小。但對(duì)于上千瓦的小衛(wèi)星平臺(tái)，重點(diǎn)則在于大功率器件的導(dǎo)熱和整星對(duì)外散熱。為了驗(yàn)證衛(wèi)星熱控制的有效性，我們會(huì)在衛(wèi)星發(fā)射前進(jìn)行熱真空試驗(yàn)，通過(guò)將熱衛(wèi)星放入真空罐，并對(duì)其加熱、制冷以及抽真空等太空真實(shí)場(chǎng)景模擬，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行各種工況的熱實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)或架構(gòu)上的調(diào)整。
接下來(lái)，是針對(duì)太空粒子輻射做好衛(wèi)星防護(hù)方面的工作。我們都知道，太空是存在輻射的，其中有兩種輻射有可能會(huì)對(duì)電路板造成損傷：其一是重粒子，它會(huì)將集成電路打翻；其二則是硅器件的輻射累積效應(yīng)，這種輻射會(huì)一直存在，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，就像原來(lái)材質(zhì)不夠好的塑料，在太陽(yáng)的曝曬之下塑料會(huì)發(fā)生形變，硅器件也會(huì)如此。為此，需要采用宇航級(jí)器件，或者為降低成本采用商業(yè)宇航級(jí)或汽車(chē)級(jí)等低等級(jí)器件，需要對(duì)其做輻射防護(hù)加固措施。要對(duì)低等級(jí)器件或加固之后的電路板進(jìn)行輻照試驗(yàn)，以評(píng)估其整個(gè)壽命期內(nèi)長(zhǎng)期空間輻射的適應(yīng)能力。
最后，則是關(guān)于EMC（電磁兼容性）方面。對(duì)于通信衛(wèi)星，當(dāng)眾多微波部組件集成到一起時(shí)，彼此之間會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。這有點(diǎn)類(lèi)似于兩部手機(jī)放置在一起會(huì)產(chǎn)生干擾一樣，而在小衛(wèi)星內(nèi)部，部件往往都是緊密集成在一起，電磁干擾現(xiàn)象更為嚴(yán)重，這就要求我們?cè)陔姶鸥蓴_的專業(yè)實(shí)驗(yàn)和前期設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試的各個(gè)環(huán)節(jié)下足功夫。
在衛(wèi)星制造中，前期設(shè)計(jì)、后期的研制與試驗(yàn)三者密不可分，商業(yè)航天亦是如此，從時(shí)間占比來(lái)看，設(shè)計(jì)和研制、試驗(yàn)占比約為2:1。需要著重說(shuō)明的是，設(shè)計(jì)實(shí)際上是自始至終貫穿的，它并不是一個(gè)階段就能夠完成的任務(wù)，而是全路徑的。設(shè)計(jì)給制造畫(huà)出外骨骼，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)制造過(guò)程中存在的工藝問(wèn)題并向設(shè)計(jì)反饋，設(shè)計(jì)再進(jìn)行改進(jìn)，三者相互迭代、促進(jìn)。
銀河的亮點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)
除了跨過(guò)地面制造的四道坎兒，衛(wèi)星的發(fā)射還需要應(yīng)對(duì)什么挑戰(zhàn)？我們認(rèn)為解決衛(wèi)星頻軌資源供需矛盾至關(guān)重要。
從某種程度上來(lái)說(shuō)，銀河航天首發(fā)星將是國(guó)內(nèi)乃至全球第一個(gè)使用Q/V通信頻段的低軌寬帶衛(wèi)星。
目前，Ku 頻段資源已經(jīng)趨于飽和，隨著頻率協(xié)調(diào)的難度日益增大，國(guó)際商業(yè)通信衛(wèi)星通信載荷在繼續(xù)使用傳統(tǒng) C、Ku 頻段的基礎(chǔ)上,已經(jīng)逐步向頻率更高的 Ka 頻段發(fā)展。
可以預(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)商業(yè)衛(wèi)星帶寬資源需求仍會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，Ka 頻段的資源也會(huì)日趨擁擠。而Q/ V 頻段作為毫米波頻段中最適合開(kāi)展衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的頻段，擁有的帶寬更寬（銀河航天自身所使用的帶寬約為5GHz），單個(gè)關(guān)口站可管理更多的用戶波束，這也是有效減少地面關(guān)口站數(shù)量、控制系統(tǒng)成本的重要手段之一。
其次，銀河航天更注重性價(jià)比。我們會(huì)用相對(duì)便宜的器件去實(shí)現(xiàn)約為0.05度的控制精度，在規(guī)模小的衛(wèi)星里算得上較為先進(jìn)的水平。進(jìn)一步更深層次去分析性價(jià)比這件事，你會(huì)發(fā)現(xiàn)本質(zhì)還是在于高水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。在這方面，銀河航天下足了功夫：航天體制認(rèn)定的副總師級(jí)別2人、研究室主任級(jí)別7人、主任設(shè)計(jì)師20余人，遠(yuǎn)高于同行水準(zhǔn)。
在商業(yè)航天未來(lái)已至的大環(huán)境下，銀河航天從成立第一天起，將航天工業(yè)從原來(lái)的單件模式變成批量模式便是我們的首要戰(zhàn)略。這有點(diǎn)像福特做T型車(chē)，將依靠手工打磨的汽車(chē)變成一個(gè)流水線工作。在這個(gè)方面，我認(rèn)為銀河航天仍需要兩年的時(shí)間去腳踏實(shí)地的鉆研。
下一篇章，我會(huì)繼續(xù)講述什么是“在軌控制”，以及如何做好“在軌控制”。
（本文作者 | 銀河航天創(chuàng)始人&CEO徐鳴；編輯 | 桑明強(qiáng)，來(lái)自鈦媒體CEO專欄）
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