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快造快發(fā)，新“星”新概念
2022-09-22
隨著(zhù)航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，衛星服務(wù)范圍越來(lái)越廣、越來(lái)越深地融入我們的生活，以至于傳統的衛星發(fā)射效率越來(lái)越不能滿(mǎn)足航天規劃者和客戶(hù)的需求了。有哪些辦法可以更快地制造衛星、部署衛星？會(huì )不會(huì )出現腦洞大開(kāi)的顛覆性未來(lái)方案？讓我們來(lái)看一看吧。
“籃球”“平板”花樣多
我們每天都在享受著(zhù)無(wú)線(xiàn)電通信與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，但隨著(zhù)人們活動(dòng)范圍擴大與各地區交流加強，傳統服務(wù)手段逐漸顯現出不足。成本和技術(shù)限制迫使高聳的基站信號塔無(wú)法覆蓋所有目標區，高速光纖也無(wú)法連通每家每戶(hù)。萬(wàn)一“驢友”在深山老林里中斷手機信號，怎么辦？如果南極科考人員長(cháng)期不能跟家人視頻聯(lián)系，會(huì )不會(huì )影響身心健康和工作效率？
為解決這些問(wèn)題，航天界規劃了宏大的天網(wǎng)計劃，希望依靠數量龐大的高性能衛星，搭建起對地球表面100%覆蓋并實(shí)時(shí)提供各類(lèi)服務(wù)的衛星網(wǎng)絡(luò )體系，比如SpaceX公司的“星鏈”計劃部署42000顆衛星組網(wǎng)。也許到那時(shí)候，行李箱大小的客戶(hù)端服務(wù)器就可以為數萬(wàn)平方公里的地區通信穩定提供保障，甚至某個(gè)網(wǎng)紅就能在珠峰上為粉絲們來(lái)一場(chǎng)流暢的視頻直播。
星鏈衛星部署示意圖
在美好的憧憬背后，需要實(shí)實(shí)在在的物質(zhì)支撐，那就是數量巨大的在軌衛星，而第一步需要攻克的是衛星快速制造的難關(guān)。
傳統的衛星制造流程被形容為“孤島”，享受奢侈的“私人訂制”，從方案論證到詳細設計、投產(chǎn)、交付、集成總裝測試，需要耗費大量時(shí)間和成本。
未來(lái)，在保證衛星性能“夠用”和易批量生產(chǎn)的前提下，小型化和集成化是衛星制造技術(shù)的關(guān)鍵。在這方面，SpaceX公司的技術(shù)暫時(shí)處于領(lǐng)先地位，“星鏈”專(zhuān)項發(fā)射已經(jīng)穩定在“一箭60星”左右。馬斯克甚至披露，新一代衛星的體積只有標準籃球的大小。宣傳視頻展示了未來(lái)“星艦”大規模發(fā)射“星鏈”二代衛星的壯觀(guān)場(chǎng)面，衛星密集排列成盤(pán)，一盤(pán)盤(pán)被火箭“吐”出，可見(jiàn)衛星被壓縮得有多小。
中國航天單位在衛星小型化、集成化方面也在不斷努力，因為這不僅蘊含著(zhù)巨大的商業(yè)利益，還涉及國家安全競爭。最近，我國新一代可堆疊平板衛星已進(jìn)入正樣預研階段。
據公開(kāi)資料顯示，相關(guān)企業(yè)在衛星設計優(yōu)化、新材料替代、零部件工序簡(jiǎn)化、持續迭代的過(guò)程中，逐步降低了制造成本，提高了生產(chǎn)效率，已達到年產(chǎn)約百顆的水平，未來(lái)有望做到年產(chǎn)數百顆。
具體來(lái)說(shuō)，由于成功使用了3D打印技術(shù)，科研人員改進(jìn)了高頻微距波導、高性能天線(xiàn)等載荷加工工藝，將載荷空間壓縮到傳統占用空間的1/3，還提升了綜合指標，如部分單機及系統的性能。
而中國新一代衛星的外形也出乎很多人的預料。它與我們常見(jiàn)的方盒子或大圓球不同，呈現出扁平狀，其表面密集地排列著(zhù)小型設備和線(xiàn)束。而與它搭配的超薄太陽(yáng)翼則是12折“推拉門(mén)”結構，由多塊太陽(yáng)能板連綴而成，折疊壓緊后，厚度據說(shuō)只有幾厘米。
可以想見(jiàn)，在不久的將來(lái)，長(cháng)征火箭的載荷艙內層層堆疊著(zhù)幾十塊甚至上百塊酷似平板電腦的新一代衛星。它們將組成中國衛星快速反應部隊，集群沖向太空上崗，“獻身”于地球全方位實(shí)時(shí)通信與太空互聯(lián)網(wǎng)大業(yè)。
“巨鯨”“大炮”來(lái)助陣
在衛星實(shí)現了小型化與集成化之后，發(fā)射部署方式也有必要嘗試創(chuàng )新，一些航天科研人員與愛(ài)好者腦洞大開(kāi)，想出了很多別出心裁的新點(diǎn)子。而他們的目標一致：降低發(fā)射成本，大量快速部署衛星。
首先有超級飛艇發(fā)射方案。與熱氣球的原理類(lèi)似，飛艇升高無(wú)需自身消耗能量，而是利用大氣層無(wú)處不在的空氣浮力。只要飛艇的體積足夠大，那么載重能力也會(huì )大得驚人，足以放置上千顆微型衛星，飛上數萬(wàn)米高的平流層也很有希望。
這個(gè)方案最大的魅力是利用空氣的升力，飛艇將大量衛星提升至臨近空間，有望顯著(zhù)節約發(fā)射成本，且在水平面上可以行動(dòng)自如，靈活掌握發(fā)射時(shí)機，順帶提供觀(guān)光服務(wù)。
試想，深藍色“巨鯨”在數萬(wàn)米高空上游弋，紡錘形表面其實(shí)是碩大的太陽(yáng)能面板，既能為飛艇提供動(dòng)力，又可為發(fā)射衛星存儲能量。直到某一時(shí)刻，“巨鯨”周?chē)W爍起五光十色的煙火，在魔幻般的光暈中，一顆顆衛星已飛向了太空中的坐標位置。
其次有電磁炮發(fā)射方案。電磁炮是利用電磁場(chǎng)的安培力對炮彈進(jìn)行加速的“大炮”。20世紀70年代，西方國家進(jìn)行了電磁炮初期實(shí)驗，成功地將2克物體加速到11000米/秒。這已超過(guò)了第一宇宙速度，換句話(huà)說(shuō)，如果不考慮空氣阻力，這個(gè)2克的小家伙有希望成為地球的迷你衛星。隨著(zhù)衛星越來(lái)越小型化、輕量化，一些國家又測試了擁有更大功率和能量的超級電磁炮，用電磁炮發(fā)射衛星的想法自然而然出現在航天科研人員的腦海中。
美國研制的電磁炮
各國對電磁炮研究多年，卻遲遲未能實(shí)用化列裝部隊，主要原因有二：第一，電磁炮及其配套設備體積巨大，很難安裝在飛機、艦艇和車(chē)輛上；第二，電磁炮發(fā)射炮彈的耗費太大，單枚炮彈的運作成本需要數萬(wàn)美元。
不過(guò)，如果用電磁炮發(fā)射衛星，這些缺點(diǎn)似乎都可以忽略不計，甚至成了優(yōu)點(diǎn)：一方面，電磁炮相關(guān)設備再多，在基地也足夠容納，而且占地面積比傳統火箭發(fā)射基地要小得多；另一方面，數萬(wàn)美元的發(fā)射成本比起傳統火箭的制造成本和燃料費，更是九牛一毛。
當然，電磁炮發(fā)射衛星還面臨很多技術(shù)挑戰。比如，未來(lái)衛星小型化能做到什么程度？如果衛星能壓縮到蘋(píng)果大小，電磁炮的能耗壓力肯定會(huì )減輕很多。另外，衛星能否在巨大的加速度過(guò)載下、強烈的電磁場(chǎng)中安然無(wú)恙？相信航天技術(shù)將來(lái)會(huì )給出令人欣喜的答案。但有一點(diǎn)令人好奇：那時(shí)候衛星“大炮”是單發(fā)還是連發(fā)？上萬(wàn)顆衛星發(fā)射任務(wù)或許一周就有希望完成吧。
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