国内同类卫星中“乘客”最多的太空航班
作者/ IT时报记者 毛宇 郝俊慧
编辑/ 郝俊慧 孙妍
24亿年前,茫茫宇宙深处,一颗比太阳重20多倍的“超级太阳”生命走到了尽头,瞬间坍缩,释放出一朵巨大的“宇宙烟花”。24亿年后,火球与星际物质摩擦后生成的大量万亿电子伏特(TeV)高能伽马光子抵达地球。
人类看到了这朵“烟花”。2022年10月9日,“创新X”空间新技术试验卫星(以下简称“创新X”卫星)上的载荷“高能爆发探索者(HEBS)”抓住了这束最亮伽马光。短短数百秒内,HEBS与“慧眼”卫星、高海拔宇宙线观测站(LHAASO)联合,精确测量了这个编号为GRB 221009A的伽马射线暴完整爆发过程,其亮度是地球已知最大伽马暴的50倍。
此时,距离“创新X”卫星上天仅仅过了2个多月,这次千年不遇天文事件的科学观测,只是这颗卫星“触摸”宇宙时带来的“惊喜”之一。
在这颗重量只有620公斤的卫星上,搭载着20余家单位研制的16套载荷,它是国内同类卫星中“乘客”最多的太空航班。自发射以来,“创新X”已完成44项空间新技术验证。
科学的进步,似乎总是孕育于一次次偶然中,但每次不经意突破背后的必然,一定是创新。
“创新X”卫星的成功,在于其创新性地提出并跑通了由科研机构“众筹”太空科学试验的新范式,在此基础上推出的“创新X科学航班”计划,将在今后几年中,陆续发射更多的“众筹卫星”上天,让全球科学家以更低成本和更高效率完成“太空试验”。
为了上天
科学家“众筹”一颗星星
2022年7月27日12时12分,酒泉卫星发射中心,伴随一声巨响,由中国科学院自主研制的、我国当前最大固体运载火箭“力箭一号”(ZK-1A)发射,“一箭六星”,成功将六颗卫星送入预定轨道并进入500公里高度的太阳同步轨道,“创新X”是其中最重的主星。
21世纪的航天产业,正处于剧烈变革之中。随着空间科学和商业航天的蓬勃发展,新技术如雨后春笋般涌现,太空试验的需求急剧增加。但原有模式就像一个顽固的枷锁,限制了新技术的快速验证。
对于许多面向空间科学、空间应用研究的新载荷、新技术产品而言,火箭发射任务有限,上星的机会“一票难求”,很多科研成果只能停留在地面试验阶段。
2021年初,中国科学院“力箭一号”首飞工程立项,目标是在500公里太阳同步轨道实现1500公斤的运载能力。同时,经中国科学院审议通过,按照“经费自筹、风险自担、科学先行、过时不候”的原则,“力箭一号”可以免费搭载一颗空间新技术试验卫星上天,但这颗星和星上载荷需要科学家们自筹经费。
如果将卫星看作一艘太空飞船,那载荷便是船上的“乘客”,每个载荷都是不同的科学设备和仪器,承担着太空试验的重任。对“众筹者”来说,这笔经济账很好算,在卫星成本相对固定的前提下,载荷越多,各自平摊的成本越低。根据常规配置,600公斤左右的卫星一般能搭载三套载荷,但最终,“创新X”卫星搭载了16套载荷,创下国内同规格卫星载荷数记录。
为了完成这个创举,总抓“创新X”卫星的中国科学院微小卫星创新研究院(以下简称卫星创新院)走过了一年半的“未知之旅”。
初时,众多载荷如同潮水般涌来,但得知要自筹经费后,不少机构打起了退堂鼓,但也有不少项目已经在地试验多年,就差上天“临门一脚”。最终经过层层筛选,极紫外太阳成像仪、CPT原子磁场精密测量系统、全铝自由曲面相机等载荷脱颖而出,成为此次太空航班的“乘客”。
范式创新
一颗星担“十几副担子”
“唯一的不变就是变化,甚至直到发射前,才安装了最后一个载荷。”回忆起“创新X”研制的整个过程,卫星创新院副院长张永合颇为感慨。
火箭不等人。彼时距离“力箭一号”发射只剩一年半,要想“上箭”,必须改变传统的卫星研发和制造范式。
以往发射的空间科学卫星多为某个领域的专业卫星,但因为是“众筹”项目,“众筹者”来自中国科学院散落在全国的不同科研机构,涉及科研领域五花八门,最终入选的载荷涵盖了天文、量子、遥感、在轨制造等不同方向。
如此多的载荷集中在一颗卫星上,通讯是首要挑战。微小卫星创新院对载荷的 CAN、422、LVDS 等接口做了统一规范,如同在复杂的信息传输丛林中开辟出了一条标准的“高速公路”,大大降低了测试验证的时间成本。
在轨试验有着非常严苛的科学要求,许多在地面可正常使用的硬件载荷,很可能在太空中因遭受空间高能粒子辐射而无法启动,而合作单位中有一半没有航天产品研制的经验。
“载荷要创新,卫星要成功。”李飞是“创新X”卫星的总体主任设计师,他深知每次太空试验的风险,一旦“宕机”便不可弥补,创新也成无源之水。因此,卫星创新院为每一个载荷的研制单位提供“保姆式服务”,精心制定各项工作的明确规范,确保这些载荷在设计时便符合在轨运行的要求。
经过一年多的反复试验,卫星创新院打造了一套可通用、可扩展、快速响应的空间新技术试验卫星平台,打破了资源瓶颈,可以让“乘客”随时上下车。
最终,“创新X”卫星成功地将20多家机构的16套载荷送入太空,“我国首幅太阳过渡区图像”“国际迄今最亮伽马暴”“国产量子磁力仪首次全球磁场勘测”“国际首次获得并公开发布的大视场X射线聚焦成像观测结果”等一系列突破性成果随之而来。
不断“进化”
年轻团队创新无极限
“创新X”卫星各类复杂技术的背后,是一支年轻团队在创造奇迹。
13位“85后”,2位“95后”,8位主任设计师中有6位是首次担任相关工作。年轻的热血为团队注入活力和新意,但以往他们大多以基础研究为主,工程经验相对不足,就像初出茅庐的冒险者,怀揣着对航天的热情却缺乏足够的实践经验。
为了弥补这一不足,团队启用“以老带新”的双责任制,既放手让年轻人担任设计师,主导项目推进,同时由经验丰富的主任设计师和室主任负责关键节点的把控。
“说是师徒,其实年龄相差也不大。”“创新X”卫星的总师张晓峰笑言,出生于1987年的“师父”刘瑞带着出生于1994年的“徒弟”李天童,撑起了卫星的结构设计。
新的管理模式让这个开放式项目的迭代变得更加灵活。在CPT原子磁场精密测量系统载荷的研制过程中,一家合作单位专注于伸杆的研究,另一家合作单位则迫切希望降低卫星本身的磁场干扰。于是,年轻的成员们大胆提出可以通过伸杆将CPT原子磁场精密测量载荷伸出卫星本体以外来解决问题。
一开始,这个想法并没有得到一致认同。显然,它增加了系统设计的复杂性。但经过深入的研究和讨论,年轻团队做出的试验结果超出所有人预期,磁场干扰问题不仅得以解决,还为系统带来了更优性能。
张晓峰介绍,“我们卫星创新院有一个传统,是成立临时党支部。其中一个活动叫党员‘亮身份,践承诺’。我们所有的党员到了发射场,都会写下自己的承诺书,去尽自己最大努力,确保发射成功。因为是系统工程,每个人把自己做好了,系统工程才能做好。”
“创新X”卫星团队还创造了一个“最简发射队”的纪录。正常情况下,一个卫星发射队需要30~40人,而“创新X”卫星的发射队最少时只有7个人,一直坚守在发射前端等候火箭发射指令的,是一位年仅27岁的年轻女队员。
如今,这些经过“创新X”锤炼的年轻人们,已成长为卫星创新院的骨干力量,几位参加工作仅有三四年的“90后”,被选拔至重量级国家任务中的关键岗位上。
“一切都不是预先设计好的,在所有人的全力以赴下,整个项目像一个生命体,在不断进化中前行。”张永合表示。
不断起飞
“太空航班”要可持续
全球航天产业正进入高速发展期,尤其在500公里~1000公里的近地轨道空间,各国的“太空暗战”已经打响。
经过一年多在轨运行,创新X微小卫星成功验证44项新技术。这些新技术涵盖卫星多个领域,包括控制系统、数据传输系统、能源管理及载荷运行机制等。其中三类新型遥感图像、10余种新材料和新器件得到验证,还有9项新技术产品在其他项目中推广,体现出对新技术、新器件的强大牵引,有力支持了国家基础研究和重大项目。
在成像领域,卫星实现了国际首次大视场X射线聚焦成像,清晰度和覆盖范围在航天领域均开创先河;在极紫外探测方面,46.5nm极紫外太阳成像仪,实现我国首次太阳过渡区探测,是近半个世纪以来国际首次拍摄到的46.5nm全日面图像;国产量子测力仪的应用则打破了国外的长期垄断,实现宇航级标量磁力仪自主可控,不再依赖于国外载荷。
首战告捷,“创新X”卫星还会有下一列航班吗?
答案是,有的。
2023年8月,发射“力箭一号”的中科宇航有限公司与卫星创新院共同发布“创新X”科学航班计划,面向全球征集有在轨验证需求的新载荷、新产品,利用“力箭”的发射机会,每年搭载4颗50公斤级科学微纳星,2颗100公斤级科学微小卫星,1颗600公斤级科学试验卫星,为全球科学家、科研机构、大学、空间公司提供全链条搭载服务。
如今,新的太空航班计划已经启动,光学探测、引力波探测、推进载荷等科研方向已在不断研究和迭代中,预计最快明年6月,“创新X”号太空航班将再次启航。
通过第一代“创新X”卫星打造出的宽适应、可持续推进的卫星平台,可以快速适应不同载荷需求,无论是复杂科学探测还是新型通信载荷,都可方便安装。
张永合希望,“创新X”航班计划未来可以“科学研究”和“产业应用”两条腿走路,一个50公斤的微小卫星,卫星成本和火箭发射成本加起来约在600万元左右,如果搭载8个载荷,对每个科研机构的成本压力便会大幅下降,张永合认为更理想的状态是,引入一些商业载荷,算好一颗星上的科学试验和产业应用“经济账”,让整个航班计划进入正向商业循环,“这是一条比较长的路,但随着发射成本和卫星成本的逐渐降低,将来一定能够实现。”
“未来,我们团队将继续聚焦世界科技前沿,瞄准科学无人区,用创新颠覆以往,将智慧混入科技强国的波浪,成为国家航天领域不可替代的战略科技力量。”张晓峰表示。
排版/ 季嘉颖
图片/ 采访对象
来源/《IT时报》公众号vittimes
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