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快造快发,新“星”新概念
发布时间:2022-09-21     作者:   来源:科普中国   分享到:

随着航天事业蓬勃发展,卫星服务范围越来越广、越来越深地融入我们的生活,以至于传统的卫星发射效率越来越不能满足航天规划者和客户的需求了。有哪些办法可以更快地制造卫星、部署卫星?会不会出现脑洞大开的颠覆性未来方案?让我们来看一看吧。

“篮球”“平板”花样多

我们每天都在享受着无线电通信与互联网服务,但随着人们活动范围扩大与各地区交流加强,传统服务手段逐渐显现出不足。成本和技术限制迫使高耸的基站信号塔无法覆盖所有目标区,高速光纤也无法连通每家每户。万一“驴友”在深山老林里中断手机信号,怎么办?如果南极科考人员长期不能跟家人视频联系,会不会影响身心健康和工作效率?

为解决这些问题,航天界规划了宏大的天网计划,希望依靠数量庞大的高性能卫星,搭建起对地球表面100%覆盖并实时提供各类服务的卫星网络体系,比如SpaceX公司的“星链”计划部署42000颗卫星组网。也许到那时候,行李箱大小的客户端服务器就可以为数万平方公里的地区通信稳定提供保障,甚至某个网红就能在珠峰上为粉丝们来一场流畅的视频直播。

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星链卫星部署示意图

在美好的憧憬背后,需要实实在在的物质支撑,那就是数量巨大的在轨卫星,而第一步需要攻克的是卫星快速制造的难关。

传统的卫星制造流程被形容为“孤岛”,享受奢侈的“私人订制”,从方案论证到详细设计、投产、交付、集成总装测试,需要耗费大量时间和成本。

未来,在保证卫星性能“够用”和易批量生产的前提下,小型化和集成化是卫星制造技术的关键。在这方面,SpaceX公司的技术暂时处于领先地位,“星链”专项发射已经稳定在“一箭60星”左右。马斯克甚至披露,新一代卫星的体积只有标准篮球的大小。宣传视频展示了未来“星舰”大规模发射“星链”二代卫星的壮观场面,卫星密集排列成盘,一盘盘被火箭“吐”出,可见卫星被压缩得有多小。

中国航天单位在卫星小型化、集成化方面也在不断努力,因为这不仅蕴含着巨大的商业利益,还涉及国家安全竞争。最近,我国新一代可堆叠平板卫星已进入正样预研阶段。

据公开资料显示,相关企业在卫星设计优化、新材料替代、零部件工序简化、持续迭代的过程中,逐步降低了制造成本,提高了生产效率,已达到年产约百颗的水平,未来有望做到年产数百颗。

具体来说,由于成功使用了3D打印技术,科研人员改进了高频微距波导、高性能天线等载荷加工工艺,将载荷空间压缩到传统占用空间的1/3,还提升了综合指标,如部分单机及系统的性能。

而中国新一代卫星的外形也出乎很多人的预料。它与我们常见的方盒子或大圆球不同,呈现出扁平状,其表面密集地排列着小型设备和线束。而与它搭配的超薄太阳翼则是12折“推拉门”结构,由多块太阳能板连缀而成,折叠压紧后,厚度据说只有几厘米。

可以想见,在不久的将来,长征火箭的载荷舱内层层堆叠着几十块甚至上百块酷似平板电脑的新一代卫星。它们将组成中国卫星快速反应部队,集群冲向太空上岗,“献身”于地球全方位实时通信与太空互联网大业。

“巨鲸”“大炮”来助阵

在卫星实现了小型化与集成化之后,发射部署方式也有必要尝试创新,一些航天科研人员与爱好者脑洞大开,想出了很多别出心裁的新点子。而他们的目标一致:降低发射成本,大量快速部署卫星。

首先有超级飞艇发射方案。与热气球的原理类似,飞艇升高无需自身消耗能量,而是利用大气层无处不在的空气浮力。只要飞艇的体积足够大,那么载重能力也会大得惊人,足以放置上千颗微型卫星,飞上数万米高的平流层也很有希望。

这个方案最大的魅力是利用空气的升力,飞艇将大量卫星提升至临近空间,有望显著节约发射成本,且在水平面上可以行动自如,灵活掌握发射时机,顺带提供观光服务。

试想,深蓝色“巨鲸”在数万米高空上游弋,纺锤形表面其实是硕大的太阳能面板,既能为飞艇提供动力,又可为发射卫星存储能量。直到某一时刻,“巨鲸”周围闪烁起五光十色的烟火,在魔幻般的光晕中,一颗颗卫星已飞向了太空中的坐标位置。

其次有电磁炮发射方案。电磁炮是利用电磁场的安培力对炮弹进行加速的“大炮”。20世纪70年代,西方国家进行了电磁炮初期实验,成功地将2克物体加速到11000米/秒。这已超过了第一宇宙速度,换句话说,如果不考虑空气阻力,这个2克的小家伙有希望成为地球的迷你卫星。随着卫星越来越小型化、轻量化,一些国家又测试了拥有更大功率和能量的超级电磁炮,用电磁炮发射卫星的想法自然而然出现在航天科研人员的脑海中。

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美国研制的电磁炮

各国对电磁炮研究多年,却迟迟未能实用化列装部队,主要原因有二:第一,电磁炮及其配套设备体积巨大,很难安装在飞机、舰艇和车辆上;第二,电磁炮发射炮弹的耗费太大,单枚炮弹的运作成本需要数万美元。

不过,如果用电磁炮发射卫星,这些缺点似乎都可以忽略不计,甚至成了优点:一方面,电磁炮相关设备再多,在基地也足够容纳,而且占地面积比传统火箭发射基地要小得多;另一方面,数万美元的发射成本比起传统火箭的制造成本和燃料费,更是九牛一毛。

当然,电磁炮发射卫星还面临很多技术挑战。比如,未来卫星小型化能做到什么程度?如果卫星能压缩到苹果大小,电磁炮的能耗压力肯定会减轻很多。另外,卫星能否在巨大的加速度过载下、强烈的电磁场中安然无恙?相信航天技术将来会给出令人欣喜的答案。但有一点令人好奇:那时候卫星“大炮”是单发还是连发?上万颗卫星发射任务或许一周就有希望完成吧。


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