“瓢虫一号”精英团队助推中国商业航天之路

来源 : 原创 [ 2019-03-15 10:34:55]

随着城市一盏盏灯光亮起,天上的星光越来越暗淡,很多人已经逐渐失去了徜徉在璀璨星光下的机会,但我们的心中仍然怀着探索太空的冲动。近年来,商业航天发展迅速,“逐梦太空”的队伍越来越壮大。


2018年12月7日12时12分,中科创星投资孵化企业九天微星的“瓢虫系列”卫星在酒泉卫星发射中心成功发射升空。其中主星“瓢虫一号”由九天微星设计并研制,搭载中科院西安光机所和中科天塔联合研制的星光闪烁、太空自拍和太空VR三大娱乐载荷。


这是科研院所长期积累的技术经验在商业航天领域应用的成功案例,也为科研成果产业化进行了有益探索。


“瓢虫一号”在轨运行效果图


“瓢虫一号”卫星载荷的研制实现了富有创新意义的三大太空娱乐功能——星空闪烁、太空自拍和太空VR。其核心载荷依托中科院西安光机所在航天领域深厚的技术积累及学科优势,全部由曾承担“神舟八号”和“天宫一号”等国家重要航天任务的飞行器光学成像与测量技术研究室负责研制。

    VR载荷产品↑


     闪烁载荷产品

“瓢虫一号”光学载荷研制由中科院西安光机所和中科天塔的团队共同完成,其中研制团队主要由具有丰富航天产品设计经验的人员组成,中科天塔团队参与载荷论证和相关研制过程。其中设计师队伍全部为硕士及以上学历(包含研究员2名,副研究员3名,工程师多名),大部分人参与了载人航天工程、箭载光学设备、“萤火一号”火星探测工程等国家重大航天任务。生产和检测队伍均为中科院西安光机所从事航天产品生产和检测的专业人员,他们多年的丰富经验有力地保障了产品的质量。


“萤火一号”火星探测工程


据了解,“瓢虫一号”自拍载荷中的自拍相机和VR载荷中的VR相机所采用的光学系统是中科院西安光机所已有的成熟技术,已在天舟一号货运飞船载人航天工程上应用过,其余均为针对商业航天特点和用户的具体需求定制研发



天舟一号货运飞船


这些自主研发的技术专利可以延展应用到相应的航天项目中,如大功率闪烁技术可以用于有太空照明和太空可见光信息传递需求的场合,自拍支架技术可以应用在需要低成本太空展开的场合,VR载荷中的空间环境下多相机协同曝光技术可以应用于空间环境下需要多相机协同工作的场合,自拍相机为4K分辨率相机,可以应用于空间环境下要求高分辨监视成像与测量的场合等。这些自主研发的技术已经在太空的飞行试验中得到验证,一方面可以应用到后续的相关需求,另一方面也会为相关技术的完善提供十分宝贵的数据。



“瓢虫一号”星光闪烁

来自@北京天文馆朱进




瓢虫一号”星光闪烁

来自微博网友@马小虎



“瓢虫一号”娱乐载荷的验证成功,为未来太空娱乐产业打下了基础,拓展了商业航天的应用场景。

本次也是研制团队首次进行商业航天卫星娱乐光学载荷方面的研制工作,相比传统的航天卫星载荷研制要求,可谓是“机遇与挑战并存”。


1.预算低、时间短


一般此类项目周期约18个月,研制至少需要1年时间。本项目研制团队在2017年9月获取初步需求,经过多轮沟通、迭代与关键技术试验验证,2018年2月确定技术路线与方案,2018年3月确定技术状态,2018年8月中旬完成产品研制、试验、检测与交付。

周期对比之下,整体项目周期约12个月,其中研制7个月,整体时间缩短50%,研制时间缩短近一半,产品实际研发时间仅用了8个月左右。


2.商业亮点的技术挑战


(1)太空闪烁功能是第一次在太空实现,在亮度计算、大功率LED发射环境和空间环境适应性等方面可以参考借鉴的资料和数据很少,需要进行摸索。另外卫星不允许将大功率LED产生的热量直接传到给卫星,这给设计也带来了挑战。


(2)自拍屏由于完全暴露在太空中,国内外很少有这样使用的报道,太空环境对屏的功能、亮度、色彩还原度等方面的影响缺少可参考借鉴的数据,需要尽可能的在地面进行模拟验证,才能确保成功。


3.卫星平台资源有限


受卫星研制成本、体积和重量的影响,给卫星设计带来很大挑战。瓢虫一号为百公斤级卫星,能够提供给载荷的重量、空间、功耗以及热控资源有限(如要求载荷能够在-40℃~+60℃温度范围内工作)。



4.测控资源有限



指令上传及数据下传资源非常有限,无法根据下传的数据实时去调整载荷的工作参数,需要载荷自主运行。


种种限制因素给卫星的研制过程带来了很多技术上和管理上的困难。以自拍载荷中自拍杆的研制来说,传统的展开机构一般采用火工品的设计方案,但在该项目中火工品的方案不适用于这颗卫星平台的姿态需求,另外也受限于成本,无法采用目前最新的一些展开形式。

针对这样的条件,瓢虫一号”的光学载荷团队自主研制了“机械+电磁”的展开方案,为保证能够顺利展开,避免“非正常展开”,并且在周期又特别紧张的情况下,团队采用“仿真分析+试验验证”的方式,仿真分析指导设计,通过试验验证对设计进行验证和改进(试验包括力学、热学、真空等)。经过多轮改进设计(其中个别零件设计改进了6次),最终通过了试验,并在太空中一次就成功展开。


“瓢虫一号”的团队将其在国家任务中积累的技术经验成功应用到了商业航天领域,为我国在空间学科未来的发展布局以及商业航天的推广应用进行了有益的探索,而且,卫星用实实在在的方式让更多人认识并能参与到航天活动中,这与商业航天的意义不谋而合。


在此,特别鸣谢中科院西安光机所飞行器光学成像与测量技术研究室、九天微星以及中科天塔为本文作出的贡献。







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