航天专家谈江苏卫星研发工作及3D打印如何推动批产
据航天科技集团发布的《中国航天科技活动蓝皮书（2021年）》，2021年，中国航天全年实施55次发射任务，发射次数位居世界首位，发射载荷数量和质量持续刷新纪录。2022年，中国航天依然“繁忙”，航天科技集团计划安排50余次宇航发射任务。
这其中，江苏参与研发的卫星数量不少。发射这么多卫星都有什么作用？江苏参与研发了哪些卫星？3D打印技术在其中发挥了什么作用？《科技周刊》近日采访了相关领域的航天专家。本期3D科学谷将对此报道进行分享。
江苏参与研制的卫星
第一颗人造卫星于20世纪50年代的成功发射，标志着人类正式进入航天时代。谈及卫星发射的意义，江苏省天文学会理事、科技传播专家李志远表示：“人造卫星的广泛应用不仅赋予了人类探索与利用广阔地外空间的能力，也对人类社会的发展起到了巨大的促进作用。”中国科学院科普云平台官方微博号“中国科普展览”统计的数据显示，自1970年4月24日我国发射第一颗人造地球卫星“东方红一号”至2020年4月，中国共发射400多颗人造卫星。特别是去年，中国航天全年发射次数达 55次，居世界第一。
中国的卫星发射次数为什么近年来猛增？“发射次数猛增非一日之功。近年来，随着我国商业航天的发展，卫星技术不断创新，制造能力不断提升，配套链产业链不断开放完善，才有了现在的成果。”银河航天卫星技术专家金历群介绍到。银河航天卫星研发制造基地位于我省南通经济技术开发区。未来，南通基地也将更加直接和深度参与到我国的卫星研发制造及空间基础设施建设中。
2022年3月初，我国在西昌卫星发射中心使用长征二号丙运载火箭，成功将我国首次批量研制的低轨宽带通信卫星——银河航天02批卫星（6颗）及其搭载的1颗商业遥感卫星发射升空。这其中，就有一颗被命名为“南通一号 ”的卫星，是由银河航天自主研发并批量制造的具有国际先进水平的低轨宽带通信卫星，单星设计通信容量40Gbps，重量约190Kg。
银河航天02批批产卫星
© 北青网
据了解，在太空中有不少江苏参与研发的卫星。如去年10月，由南京理工大学实验小学学生参与研制的空间元器件在轨验证科普立方星 “田园一号”，也在太原发射中心由长征二号丁遥53运载火箭发射升空。近年来在深空探测领域，紫金山天文台研发的“悟空”号暗物质粒子探测卫星和南京大学领衔研制的“龙虾眼X射线探测卫星”也在深空中翱翔，并不断传回科学数据。
“随着技术发展卫星的性能有了大幅度的提升，卫星正处于类似‘超大老式台式机’向‘笔记本电脑’的进化阶段，柔性太阳翼让‘超大能源’成为可能，软件定义卫星让卫星更智能、功能更加丰富，‘太空计算机’的算力加速提升。” “卫星不仅可以应用于地面应急救灾、预报预警，还可以应用于导航服务、网络通信等多个领域。而且低成本商业市场需求的增长，也是发射卫星次数增多的原因。”金历群解释说。
此外，一箭七星、一箭二十二星等先进核心技术也提升了卫星发射的效率。2019年，我国首次尝试一箭七星模式并取得成功。“一箭多星是一枚运载火箭同时或先后将数颗卫星送入轨道的技术，可提高发射效率，降低发射成本。”金历群介绍，随着运载能力的提升及航天器的轻小型化，一箭多星发射模式在航天器发射中已普遍采用，一箭多星是一个系统工程，难点存在于多星分离、多星适配器、卫星标准化、测运控多个环节，也有多项关键技术。
金历群以多星分离与轨道部署技术为例：卫星到达预定轨道后，多颗卫星和火箭如何分离？有的“跳”下车，有的“转”着下车，还有的“星不动车动”；从卫星分离的时序看，它们可以“排队”下车，还可以“天女散花”式下车。而多星适配器设计技术解决的是多颗卫星在整流罩里怎么放的问题，用于提供卫星在火箭整流罩内的安装布局位置。
金历群告诉记者，目前，多星发射的方式主要有两大类，一类是规模相当的多颗卫星一次发射,如卫星星座中导航卫星、通信卫星等，每颗卫星的质量、尺寸基本上一样，多星适配器可采用中心承力筒式适配器或盘式多星适配器。另一类是搭载发射,在多颗卫星中﹐一颗或几颗是主任务卫星，另外的多颗小卫星为搭载，主任务卫星一般多位于卫星适配器的顶端 ,搭载卫星多在适配器的侧壁或下方四周。
“包罗万象”的卫星功能
放眼太空站400多颗中国卫星，都有什么作用？专家表示，卫星系统关注的重点领域是民生，“风云”“北斗”等众多系列卫星的升空印证了这一点。
刚刚过去的世界气象日，江苏省气象台发起了一场名为观云测天的千里眼——风云气象卫星的科普报告，我们耳熟能详的天气预报离不开气象卫星的观测。“风云卫星星座是目前世界上在轨数量最多、种类最全的气象卫星星座之一，其在天气预报、气候预测、科学研究等多个重要领域，以及气象、海洋、农业航天等行业得到广泛应用，成为我国现代化气象业务系统中重要的组成部分，我省气象台的气象预报业务就以风云气象卫星的数据为基础。”南京气象科技创新研究院的唐飞博士说。
卫星类型
© 3D科学谷白皮书
导航卫星是我们最熟知的专业卫星，开车导航或者定位都会使用到GPS和我国的北斗导航卫星。“以我国北斗导航卫星为例，其芯片被植入到手机、手环、学生卡、老人卡等终端设备中让你用户时刻知晓自己的位置。”金历群介绍，导航卫星能在地球表面或近地空间的任何位置，为用户提供全天候的三维坐标、速度以及时间信息，目前我国600多万辆道路运营车辆和 36个中心城市8万辆公交车都安装了北斗的终端系统。
据中国卫星导航系统管理办公室发布的《北斗卫星导航系统应用案例》显示，来自江苏的多项科研成果入围。江苏北斗卫星应用产业研究院研发的北斗网格化巡防管控系统，采用网格化管理理念与高精度北斗定位、物联网感知等信息技术，解决城市风险源分布情况、巡防人员位置、突发事件等位置信息采集相关问题。“使用北斗巡更APP，走到任何一个巡查点拍照上传后，电动车内置的北斗导航位置就会自动发送模块让指挥中心随时能够监控巡查轨迹。”南京汤泉街道巡查员王恒说。
“通过北斗卫星导航基础，我们打造了山体滑坡预警南京示范工程、南京长江二桥自动监测系统。”江苏科博空间信息科技公司负责人介绍，公司专注于北斗地质灾害与气象灾害监测预警，目前已拥有该领域较大的市场份额。
此外，卫星还广泛应用于深空探测。“深空探测的最大使命是探索宇宙的起源，对了解宇宙的形成，以及太阳系，地球生命的演化等研究具有重要意义。深空探测有助于解答地球如何起源与演变，行星和太阳系究竟是如何形成和演化，人类是不是宇宙中唯一的生命、地球的未来将如何等一系列问题。”金历群说。
3D打印推动卫星批产
过去，卫星动辄发射成本过亿。随着科技的发展，卫星发射成本逐步下降。在李志远看来，本世纪以来，随着相关技术的迅速发展，传统的卫星功能已可以通过微小型的卫星来实现。微小型的卫星的研制的周期更短，使用的成本更低，为许多领域尤其是科学领域的研究注入了新的动力。
3D打印在卫星方面的应用
© 3D科学谷白皮书
卫星价格是如何“打”下来的？金历群告诉记者，长期以来，国家面向重大航天工程构建了一套完整的航天产业体系，以航天院所研制的宇航级设备为主，来确保航天工程圆满成功。目前，银河航天面向卫星互联网星座快速构建需求，尝试与社会化工业体系进行合作，依托我国强大的社会工业体系，提高卫星部组件以及整星的批量化生产能力，降低成本。“我们认为只有建立在航天产业和社会化大制造业融合的基础上才能实现真正意义上的卫星批产。”
“卫星批产和手机电脑批产有着天壤之别。”银河航天卫星批产主管郭大宝说，卫星工作环境在太空，在卫星研发时需在地面模拟真空、失重、地磁场等等太空环境，这些试验的成本往往都很高，也就造成了卫星的研制成本比较高；同时卫星发生故障也很难维修；这些原因造成卫星研制周期长，批产难度高。
不过在卫星批产的过程中，银河航空开始应用3D打印技术“降本增效”。“在载荷的研发生产中，通过3D打印技术实现高频微距波导、高性能天线等载荷的加工，将部分载荷互联的空间压缩到传统占用空间的1/3，同时电性能还得到一定程度的提升，使得部分单机及系统的性能更上一层，也极大促进了行业的进步。”金历群说。
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