烈日炎炎的戈壁灘上，細(xì)長(zhǎng)的谷神星一號(hào)遙六運(yùn)載火箭直沖云霄，在一片歡呼聲中，很快消失在人們的視野。另一頭，指揮中心內(nèi)仍然一片安靜，所有人屏息凝神，注視著屏幕上高度、速度兩條曲線緩緩爬升——整流罩分離，衛(wèi)星從火箭末端探出頭來(lái)；乾坤一號(hào)分離，衛(wèi)星輕盈脫身，緩緩展開(kāi)太陽(yáng)翼；終于，隨著乾坤一號(hào)成功入軌的數(shù)據(jù)傳回，大廳里爆發(fā)出熱烈、持久的掌聲。
在任務(wù)密集的酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，這僅僅是一次再常規(guī)不過(guò)的衛(wèi)星發(fā)射。然而，乾坤一號(hào)承載的使命卻非同一般。
作為我國(guó)第一顆超低軌道試驗(yàn)衛(wèi)星，它的發(fā)射應(yīng)用將填補(bǔ)我國(guó)超低軌道技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的空白，也意味著在競(jìng)爭(zhēng)激烈的航天賽場(chǎng)上，浙江企業(yè)再一次拔得頭籌。
挑戰(zhàn)極限
這顆衛(wèi)星有何不一般
乾坤一號(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星的入軌高度為500千米，未來(lái)將根據(jù)任務(wù)需求，在300千米、268.13千米、250千米的軌道高度完成超低軌道長(zhǎng)期穩(wěn)定飛行業(yè)務(wù)，最終到達(dá)200千米以下的軌道，突破太空極低軌道高度完成短期飛行業(yè)務(wù)試驗(yàn)。屆時(shí)，它的最低軌道高度將接近航天器可以繞地球運(yùn)行而不會(huì)墜落的極限。
從300千米起，衛(wèi)星就進(jìn)入了所謂的超低軌道。這是一片動(dòng)力學(xué)環(huán)境極其復(fù)雜的空間：從500千米下降到300千米以下，大氣密度會(huì)增加數(shù)千倍，空氣阻力驟增。衛(wèi)星還受到地球引力更強(qiáng)烈的“拉扯”，很容易失控墜入大氣層。不僅如此，由于超低軌道空間中存在高濃度腐蝕性原子氧，還會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星出現(xiàn)材料剝蝕、性能退化等現(xiàn)象。
“維持衛(wèi)星在超低軌道上長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，客觀上存在很高的技術(shù)門檻?！辟愃急端箘?chuàng)始人、董事長(zhǎng)郭世亮告訴記者，直到今天，在人類的航天活動(dòng)走出太陽(yáng)系、走向遙遠(yuǎn)深空的同時(shí)，這片離我們最近的空間依然是“人跡罕至”。
拿我國(guó)在軌的航天器來(lái)說(shuō)，中國(guó)空間站的軌道高度是400千米，資源、高分、環(huán)境等衛(wèi)星大部分運(yùn)行在400~2000千米之間，再往高處，也有衛(wèi)星運(yùn)行在3.6萬(wàn)千米高空的地球同步軌道。但在超低軌道上，目前并沒(méi)有飛行器長(zhǎng)期駐留。
2020年，賽思倍斯在浙江成立，瞄準(zhǔn)了超低軌道空天智能飛行器這條新賽道。記者了解到，除了這家科創(chuàng)企業(yè)以外，國(guó)內(nèi)公布超低軌道衛(wèi)星計(jì)劃的只有中國(guó)航天科工集團(tuán)，13日，他們宣布將在今年底完成首發(fā)星發(fā)射，在2030年前完成300顆通遙一體衛(wèi)星的在軌組網(wǎng)運(yùn)行。
在乾坤一號(hào)立項(xiàng)之初，國(guó)內(nèi)沒(méi)有完整地開(kāi)展過(guò)超低軌道長(zhǎng)期飛行試驗(yàn)，在構(gòu)型設(shè)計(jì)、軌道維持和姿態(tài)控制等核心技術(shù)上，研發(fā)團(tuán)隊(duì)均進(jìn)行了大量創(chuàng)新。
而這次發(fā)射的主要任務(wù)就是“驗(yàn)證”：四次大幅度降軌，盡可能地摸清超低軌道不同高度的空間環(huán)境特征，全方位驗(yàn)證衛(wèi)星的飛行控制、平臺(tái)能力等關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)超低軌道空天智能飛行器的型譜化研制鋪平道路。
比如，在超低軌道長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，需要持續(xù)、高效的電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期軌道維持，這是乾坤一號(hào)完成飛行業(yè)務(wù)最重要的技術(shù)保障；環(huán)境動(dòng)態(tài)變化劇烈，不確定因素極多，需要控制系統(tǒng)作出更加實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的分析判斷，對(duì)衛(wèi)星高精高穩(wěn)定度姿態(tài)控制技術(shù)也提出了極高的要求。
乾坤一號(hào)的外形也獨(dú)具匠心：它的主體部分是長(zhǎng)方形，但比傳統(tǒng)衛(wèi)星更加細(xì)長(zhǎng)；兩側(cè)的太陽(yáng)翼一共有三折，但展開(kāi)后并不在一個(gè)水平面上，而是先下掠一定角度，讓人聯(lián)想到飛機(jī)的機(jī)翼。
郭世亮告訴記者，由于超低軌道環(huán)境更接近低層大氣，乾坤一號(hào)的某些特征有著“航空器”的影子?！拔覀兙C合考慮了氣動(dòng)力矩、軌道動(dòng)力、能源、任務(wù)載荷等方面的因素設(shè)計(jì)衛(wèi)星的減阻構(gòu)型，整整迭代了9次方案，確保衛(wèi)星能在穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，節(jié)省星上的資源?！彼f(shuō)。
打個(gè)比方，如果說(shuō)傳統(tǒng)的衛(wèi)星是在一條風(fēng)和日麗的高速公路上行駛，超低軌道衛(wèi)星就是駕駛著越野車，迎著風(fēng)暴，在崎嶇的道路上疾馳，風(fēng)力、風(fēng)向、路況還在不斷變化，但仍要給“乘客”營(yíng)造同樣平穩(wěn)的乘坐體驗(yàn)，完成載荷任務(wù)。
“從技術(shù)層面說(shuō)，超低軌道技術(shù)對(duì)于飛行器空天一體、智能化水平的高要求，能夠帶動(dòng)面向任務(wù)、場(chǎng)景的一系列創(chuàng)新，發(fā)展空間巨大，這也是超低軌道技術(shù)高難度中蘊(yùn)含高價(jià)值的體現(xiàn)?！?nbsp;郭世亮說(shuō)。
先到先得，搶占太空新空間
為什么這顆衛(wèi)星要瞄準(zhǔn)超低軌道空間？
“超低軌道空間是未來(lái)十年航天強(qiáng)國(guó)必爭(zhēng)的戰(zhàn)略資源，屬于太空價(jià)值的制高點(diǎn)。這個(gè)領(lǐng)域做好了，民營(yíng)航天企業(yè)照樣可以成為國(guó)家戰(zhàn)略科技力量?！惫懒琳f(shuō)。
低軌、大規(guī)模星座構(gòu)建是當(dāng)前衛(wèi)星行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，但地球軌道空間的軌位和頻率資源是有限且不可再生的。浙江大學(xué)航空航天學(xué)院教授幺周石告訴記者，這個(gè)事實(shí)，在馬斯克的太空探索技術(shù)公司（SpaceX）大規(guī)模部署近地軌道衛(wèi)星的“星鏈”計(jì)劃公布后，才逐漸引發(fā)了人們的危機(jī)意識(shí)。
根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟規(guī)定，衛(wèi)星頻率及軌道使用的規(guī)則是“先到先得”。已知300至1000千米左右的低軌道大約能夠容納5.8萬(wàn)衛(wèi)星，而“星鏈”計(jì)劃如果實(shí)現(xiàn)，最高將占據(jù)4.2萬(wàn)顆衛(wèi)星的軌道位置。“星鏈”也在往更低處延伸，其二期申報(bào)的三個(gè)高度和傾角共7518顆衛(wèi)星，軌道高度已低至335.9至345.6千米之間。
“整個(gè)航天行業(yè)的形態(tài)都會(huì)被顛覆?！辩壑苁f(shuō)，作為應(yīng)對(duì)，中國(guó)2020年推出了代號(hào)為“GW”的星座計(jì)劃，計(jì)劃發(fā)射的低軌衛(wèi)星總數(shù)接近1.3萬(wàn)顆。但至此，如果算上已經(jīng)在運(yùn)行的衛(wèi)星，以及一些停止工作但仍然飄蕩在太空中的“死衛(wèi)星”，低軌道空間的資源規(guī)劃已經(jīng)接近枯竭。
在這樣的背景下，瞄準(zhǔn)比“星鏈”更低的軌道，成為了爭(zhēng)奪太空“通行證”的新突破口。
衛(wèi)星在超低軌道飛行本身具有很多優(yōu)勢(shì)。根據(jù)測(cè)算，如果衛(wèi)星從650千米的軌道高度降至160千米而保持穩(wěn)定飛行，性能不變的前提下，雷達(dá)頻射功率需求會(huì)降低64倍，通信頻射功率需求會(huì)降低16倍，光學(xué)孔徑直徑需求會(huì)降低4倍。
這意味著，信息的傳輸效率將得到提高，衛(wèi)星的載荷重量將大大減輕，同時(shí)還能降低研制和發(fā)射成本，使衛(wèi)星更適合批量化生產(chǎn)、常態(tài)化發(fā)射。
世界范圍內(nèi)，超低軌道空間的高價(jià)值越來(lái)越受到航天力量的重視。歐空局在超低軌道衛(wèi)星研究上的投入高達(dá)10億多歐元，2009年，它們?cè)l(fā)射重力場(chǎng)和海洋環(huán)流探測(cè)衛(wèi)星GOCE，在250~260千米的軌道上運(yùn)行近5年后墜落。
2017年，日本發(fā)射了“超低軌道技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”（SLATS），測(cè)試了從發(fā)射到在軌運(yùn)行的一系列關(guān)鍵技術(shù)，最低運(yùn)行軌道達(dá)到了180千米。
眼下，發(fā)展勢(shì)頭最迅猛的是美國(guó)。由飛行器制造商洛馬公司前高級(jí)系統(tǒng)工程師創(chuàng)辦的反照率公司（Albedo）計(jì)劃在2027年實(shí)現(xiàn)24顆超低軌道衛(wèi)星組網(wǎng)，運(yùn)行在200至300千米的軌道；美國(guó)空軍支持的地球觀測(cè)者（Earth Observant）公司設(shè)計(jì)的 “魔鬼魚”（Stingray）衛(wèi)星計(jì)劃在250千米的軌道完成組網(wǎng)，能夠向美國(guó)空軍、陸軍提供近乎實(shí)時(shí)的衛(wèi)星圖像。
郭世亮告訴記者，這些國(guó)家在超低軌道方面的布局各有側(cè)重，比如歐空局的項(xiàng)目主要服務(wù)于自然科學(xué)研究，美國(guó)側(cè)重遙感應(yīng)用，日本雖然進(jìn)行了應(yīng)用層面的探索，也公布過(guò)一系列后續(xù)計(jì)劃，但受到行業(yè)發(fā)展等種種原因限制，都未能實(shí)施。
“整體來(lái)看，歐美國(guó)家主要超低軌道項(xiàng)目的技術(shù)水平都還處在業(yè)務(wù)化和實(shí)用化的前夜?！惫懒琳f(shuō)，加入超低軌道空間的探索，中國(guó)起步不遲，但已經(jīng)時(shí)不我待。
未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景，僅受制于想象
乾坤一號(hào)搭載了可見(jiàn)光面陣相機(jī)和高光譜成像儀兩款相機(jī)，采用同光軸的安裝方式，用于驗(yàn)證超低軌道穩(wěn)定成像技術(shù)，可以對(duì)地表同區(qū)域進(jìn)行同時(shí)相觀測(cè)。對(duì)于它來(lái)說(shuō)，飛得更低，意味著看得更清楚；軌道半徑更小，繞地一圈時(shí)間更短，對(duì)于同一區(qū)域動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)能力也更強(qiáng)。
在遙感領(lǐng)域，超低軌道衛(wèi)星將大有可為?！耙坏┘夹g(shù)突破，超低軌道遙感衛(wèi)星的分辨率可以做到比肩航空遙感無(wú)人機(jī)，達(dá)到0.1至0.2米。同時(shí)，它又可以在全球任意位置獲取圖像，對(duì)于獲取同樣的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星的成本可以降到無(wú)人機(jī)的10%到20%?！惫懒琳f(shuō)。
當(dāng)前，軍事偵察、地質(zhì)勘探、災(zāi)害預(yù)警等許多重要領(lǐng)域都依賴于衛(wèi)星數(shù)據(jù)，但我國(guó)的衛(wèi)星遙感應(yīng)用普遍存在成本高、效率低、應(yīng)用少等問(wèn)題，難以保障重大行動(dòng)對(duì)關(guān)鍵信息時(shí)效性的迫切需求。
郭世亮表示，超低軌道技術(shù)將對(duì)這些傳統(tǒng)領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性的影響?！肮馐堑乩硇畔⑿袠I(yè)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)值就達(dá)到了7500億。”他說(shuō)，“但和一些高科技行業(yè)相比，它的人均產(chǎn)值還很低，高質(zhì)量、高價(jià)值的數(shù)據(jù)會(huì)帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的提升。”
其實(shí)，遙感、通信、導(dǎo)航，傳統(tǒng)衛(wèi)星的三大功能的載荷，超低軌道衛(wèi)星都能承載。一旦不同功能的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，并與其他軌道的衛(wèi)星互聯(lián)，更將產(chǎn)生1+1>2的效果。
國(guó)家“十四五”規(guī)劃《綱要》中提到，我國(guó)要在新階段“建設(shè)高速泛在、天地一體、集成互聯(lián)、安全高效的信息基礎(chǔ)設(shè)施……打造全球覆蓋、高效運(yùn)行的通信、導(dǎo)航、遙感空間基礎(chǔ)設(shè)施體系”。今年7月9日，我國(guó)成功將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空，正式拉開(kāi)了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)的序幕。
作為通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的代表之一，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是可以彌補(bǔ)地面基站盲點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)地球各個(gè)角落網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的全覆蓋。
幺周石告訴記者，更長(zhǎng)遠(yuǎn)的趨勢(shì)是把地面系統(tǒng)、航空器，以及超低、低、中、高軌衛(wèi)星全方位連接，形成空天地一體的綜合網(wǎng)絡(luò)。
在這樣的基礎(chǔ)設(shè)施體系中，超低軌道的角色是“承上啟下”：一方面，它執(zhí)行的任務(wù)可以與更高軌道的衛(wèi)星形成互補(bǔ)，分擔(dān)衛(wèi)星系統(tǒng)的功能；另一方面，由于距離很短，超低軌道衛(wèi)星能以更低的成本、更安全、實(shí)時(shí)地將獲取的數(shù)據(jù)傳給航空器、臨近空間飛行器等計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，如果傳輸回地面直接抵達(dá)用戶，時(shí)延也將達(dá)到分鐘級(jí)別。
這將打開(kāi)怎樣的應(yīng)用場(chǎng)景？幺周石向記者舉例，空天地一體化后，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)等對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延要求極高的生產(chǎn)生活領(lǐng)域，如果調(diào)用衛(wèi)星系統(tǒng)，超低軌道將是最佳的選擇。
“比如醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)，想象在杭州的醫(yī)生開(kāi)了一刀，遠(yuǎn)在地球另一個(gè)角落的手術(shù)室里，一只機(jī)械臂能幾乎同時(shí)落下，達(dá)到這樣的效率，遠(yuǎn)程醫(yī)療才能成為可能?！彼f(shuō)。
是否會(huì)有更多新型業(yè)態(tài)出現(xiàn)? 郭世亮表示，這是必然的趨勢(shì)，技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的變革，僅受限于我們的想象力。
“這就像互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)出現(xiàn)之前，我們絕對(duì)想象不到它會(huì)給社會(huì)帶來(lái)如此深刻的改變?！惫懒琳f(shuō)，超低軌道技術(shù)的成功驗(yàn)證只是第一步，未來(lái)還要交給更多人去想象和創(chuàng)造，以實(shí)現(xiàn)各行各業(yè)的互利共贏。
瞄準(zhǔn)賽道，浙江打造航天名片
這兩周，浙江航天捷報(bào)頻傳，令人振奮。7月12日，由藍(lán)箭航天空間科技股份有限公司自主研制、產(chǎn)于浙江的朱雀二號(hào)遙二液氧甲烷運(yùn)載火箭成功發(fā)射入軌，同樣創(chuàng)下世界之最。下一階段，藍(lán)箭航天還將在浙江開(kāi)啟核心產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)進(jìn)程。
賽思倍斯也已經(jīng)在諸暨經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)（高新區(qū)）落成了空天智能制造基地，二期工程建成后，可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)200顆高分辨率遙感衛(wèi)星的總裝、集成與試驗(yàn)?zāi)芰ΑＮ磥?lái)，還將根據(jù)不同的應(yīng)用需求拓展超低軌道衛(wèi)星星座與組網(wǎng)應(yīng)用，預(yù)計(jì)將在2024年開(kāi)始發(fā)射建設(shè)超高分辨率遙感衛(wèi)星及星座。
“浙江的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)環(huán)境非常吸引我?！闭劦綖楹蝸?lái)到浙江創(chuàng)業(yè)，郭世亮表示，這是一件順理成章的事。
一方面，諸暨市將航空航天產(chǎn)業(yè)列為重點(diǎn)發(fā)展的三大新興產(chǎn)業(yè)之一，為企業(yè)落戶提供了充分的政策支持，另一方面，賽思倍斯在浙江獲得了主要投資，郭世亮還與浙江大學(xué)航空航天學(xué)院、地球科學(xué)學(xué)院的多位專家教授有長(zhǎng)期緊密的合作。
在賽思倍斯的諸暨智能制造基地周圍，航空航天產(chǎn)業(yè)生態(tài)初具，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。諸暨市現(xiàn)有航空航天企業(yè)40余家，涵蓋衛(wèi)星測(cè)控與研發(fā)制造、空天信息、芯片、傳感器、光電、電子器件等多個(gè)領(lǐng)域，尤其是最近三年，已經(jīng)引進(jìn)總投資超過(guò)100億元的數(shù)個(gè)重大項(xiàng)目。記者還了解到，此次參與乾坤一號(hào)任務(wù)保障工作的還有諸暨的另一家企業(yè)——浙江天鏈航天科技有限公司。
諸暨市科技城建管辦相關(guān)負(fù)責(zé)人告訴記者，在科研配套方面，諸暨市政府與浙大、浙大控股集團(tuán)共同建設(shè)浣江實(shí)驗(yàn)室，目前已成立了微納星群與信息技術(shù)、智能無(wú)人系統(tǒng)、現(xiàn)代導(dǎo)航與感知技術(shù)等六個(gè)研究中心和三個(gè)公共平臺(tái)。
杭嘉湖，是浙江航空航天產(chǎn)業(yè)迅速集聚的另一個(gè)中心：藍(lán)箭航天中心所在的嘉興港區(qū)航空航天產(chǎn)業(yè)園，已引進(jìn)多個(gè)億元項(xiàng)目；今年5月，中國(guó)空間技術(shù)研究院杭州中心開(kāi)工建設(shè)，將在浙江打造航天領(lǐng)域原創(chuàng)技術(shù)策源地和產(chǎn)業(yè)發(fā)展新平臺(tái)。
頂層規(guī)劃上，2021年，浙江發(fā)布航空航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃，提出培育發(fā)展商業(yè)航天，聚焦商業(yè)運(yùn)載火箭、微小衛(wèi)星、北斗應(yīng)用等重點(diǎn)領(lǐng)域。今年，浙江在《關(guān)于培育發(fā)展未來(lái)產(chǎn)業(yè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》中，將空天信息產(chǎn)業(yè)定為了優(yōu)先發(fā)展的9個(gè)快速成長(zhǎng)的未來(lái)產(chǎn)業(yè)之一。
幺周石認(rèn)為，雖然浙江的航天工業(yè)起步較晚、規(guī)模偏小，但隨著更多民營(yíng)航天的“領(lǐng)頭羊”企業(yè)和重大項(xiàng)目落地浙江，將快速帶動(dòng)起航空航天全產(chǎn)業(yè)鏈的完善和提升，更可以結(jié)合浙江已有的大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)新商業(yè)模式，打造新的經(jīng)濟(jì)平臺(tái)、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)引擎。
“尤其是超低軌道衛(wèi)星是一條非常獨(dú)特的賽道。”幺周石說(shuō)，“瞄準(zhǔn)這個(gè)領(lǐng)域，浙江有望再打造出一張自己的航天名片?！?/span>
（來(lái)源：浙江日?qǐng)?bào)）
