快造快發(fā)，新“星”新概念

隨著航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，衛(wèi)星服務(wù)范圍越來(lái)越廣、越來(lái)越深地融入我們的生活，以至于傳統(tǒng)的衛(wèi)星發(fā)射效率越來(lái)越不能滿足航天規(guī)劃者和客戶的需求了。有哪些辦法可以更快地制造衛(wèi)星、部署衛(wèi)星？會(huì)不會(huì)出現(xiàn)腦洞大開(kāi)的顛覆性未來(lái)方案？讓我們來(lái)看一看吧。

“籃球”“平板”花樣多

我們每天都在享受著無(wú)線電通信與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，但隨著人們活動(dòng)范圍擴(kuò)大與各地區(qū)交流加強(qiáng)，傳統(tǒng)服務(wù)手段逐漸顯現(xiàn)出不足。成本和技術(shù)限制迫使高聳的基站信號(hào)塔無(wú)法覆蓋所有目標(biāo)區(qū)，高速光纖也無(wú)法連通每家每戶。萬(wàn)一“驢友”在深山老林里中斷手機(jī)信號(hào)，怎么辦？如果南極科考人員長(zhǎng)期不能跟家人視頻聯(lián)系，會(huì)不會(huì)影響身心健康和工作效率？

為解決這些問(wèn)題，航天界規(guī)劃了宏大的天網(wǎng)計(jì)劃，希望依靠數(shù)量龐大的高性能衛(wèi)星，搭建起對(duì)地球表面100%覆蓋并實(shí)時(shí)提供各類服務(wù)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系，比如SpaceX公司的“星鏈”計(jì)劃部署42000顆衛(wèi)星組網(wǎng)。也許到那時(shí)候，行李箱大小的客戶端服務(wù)器就可以為數(shù)萬(wàn)平方公里的地區(qū)通信穩(wěn)定提供保障，甚至某個(gè)網(wǎng)紅就能在珠峰上為粉絲們來(lái)一場(chǎng)流暢的視頻直播。

星鏈衛(wèi)星部署示意圖

在美好的憧憬背后，需要實(shí)實(shí)在在的物質(zhì)支撐，那就是數(shù)量巨大的在軌衛(wèi)星，而第一步需要攻克的是衛(wèi)星快速制造的難關(guān)。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星制造流程被形容為“孤島”，享受奢侈的“私人訂制”，從方案論證到詳細(xì)設(shè)計(jì)、投產(chǎn)、交付、集成總裝測(cè)試，需要耗費(fèi)大量時(shí)間和成本。

未來(lái)，在保證衛(wèi)星性能“夠用”和易批量生產(chǎn)的前提下，小型化和集成化是衛(wèi)星制造技術(shù)的關(guān)鍵。在這方面，SpaceX公司的技術(shù)暫時(shí)處于領(lǐng)先地位，“星鏈”專項(xiàng)發(fā)射已經(jīng)穩(wěn)定在“一箭60星”左右。馬斯克甚至披露，新一代衛(wèi)星的體積只有標(biāo)準(zhǔn)籃球的大小。宣傳視頻展示了未來(lái)“星艦”大規(guī)模發(fā)射“星鏈”二代衛(wèi)星的壯觀場(chǎng)面，衛(wèi)星密集排列成盤，一盤盤被火箭“吐”出，可見(jiàn)衛(wèi)星被壓縮得有多小。

中國(guó)航天單位在衛(wèi)星小型化、集成化方面也在不斷努力，因?yàn)檫@不僅蘊(yùn)含著巨大的商業(yè)利益，還涉及國(guó)家安全競(jìng)爭(zhēng)。最近，我國(guó)新一代可堆疊平板衛(wèi)星已進(jìn)入正樣預(yù)研階段。

據(jù)公開(kāi)資料顯示，相關(guān)企業(yè)在衛(wèi)星設(shè)計(jì)優(yōu)化、新材料替代、零部件工序簡(jiǎn)化、持續(xù)迭代的過(guò)程中，逐步降低了制造成本，提高了生產(chǎn)效率，已達(dá)到年產(chǎn)約百顆的水平，未來(lái)有望做到年產(chǎn)數(shù)百顆。

具體來(lái)說(shuō)，由于成功使用了3D打印技術(shù)，科研人員改進(jìn)了高頻微距波導(dǎo)、高性能天線等載荷加工工藝，將載荷空間壓縮到傳統(tǒng)占用空間的1/3，還提升了綜合指標(biāo)，如部分單機(jī)及系統(tǒng)的性能。

而中國(guó)新一代衛(wèi)星的外形也出乎很多人的預(yù)料。它與我們常見(jiàn)的方盒子或大圓球不同，呈現(xiàn)出扁平狀，其表面密集地排列著小型設(shè)備和線束。而與它搭配的超薄太陽(yáng)翼則是12折“推拉門”結(jié)構(gòu)，由多塊太陽(yáng)能板連綴而成，折疊壓緊后，厚度據(jù)說(shuō)只有幾厘米。

可以想見(jiàn)，在不久的將來(lái)，長(zhǎng)征火箭的載荷艙內(nèi)層層堆疊著幾十塊甚至上百塊酷似平板電腦的新一代衛(wèi)星。它們將組成中國(guó)衛(wèi)星快速反應(yīng)部隊(duì)，集群沖向太空上崗，“獻(xiàn)身”于地球全方位實(shí)時(shí)通信與太空互聯(lián)網(wǎng)大業(yè)。

“巨鯨”“大炮”來(lái)助陣

在衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了小型化與集成化之后，發(fā)射部署方式也有必要嘗試創(chuàng)新，一些航天科研人員與愛(ài)好者腦洞大開(kāi)，想出了很多別出心裁的新點(diǎn)子。而他們的目標(biāo)一致：降低發(fā)射成本，大量快速部署衛(wèi)星。

首先有超級(jí)飛艇發(fā)射方案。與熱氣球的原理類似，飛艇升高無(wú)需自身消耗能量，而是利用大氣層無(wú)處不在的空氣浮力。只要飛艇的體積足夠大，那么載重能力也會(huì)大得驚人，足以放置上千顆微型衛(wèi)星，飛上數(shù)萬(wàn)米高的平流層也很有希望。

這個(gè)方案最大的魅力是利用空氣的升力，飛艇將大量衛(wèi)星提升至臨近空間，有望顯著節(jié)約發(fā)射成本，且在水平面上可以行動(dòng)自如，靈活掌握發(fā)射時(shí)機(jī)，順帶提供觀光服務(wù)。

試想，深藍(lán)色“巨鯨”在數(shù)萬(wàn)米高空上游弋，紡錘形表面其實(shí)是碩大的太陽(yáng)能面板，既能為飛艇提供動(dòng)力，又可為發(fā)射衛(wèi)星存儲(chǔ)能量。直到某一時(shí)刻，“巨鯨”周圍閃爍起五光十色的煙火，在魔幻般的光暈中，一顆顆衛(wèi)星已飛向了太空中的坐標(biāo)位置。

其次有電磁炮發(fā)射方案。電磁炮是利用電磁場(chǎng)的安培力對(duì)炮彈進(jìn)行加速的“大炮”。20世紀(jì)70年代，西方國(guó)家進(jìn)行了電磁炮初期實(shí)驗(yàn)，成功地將2克物體加速到11000米/秒。這已超過(guò)了第一宇宙速度，換句話說(shuō)，如果不考慮空氣阻力，這個(gè)2克的小家伙有希望成為地球的迷你衛(wèi)星。隨著衛(wèi)星越來(lái)越小型化、輕量化，一些國(guó)家又測(cè)試了擁有更大功率和能量的超級(jí)電磁炮，用電磁炮發(fā)射衛(wèi)星的想法自然而然出現(xiàn)在航天科研人員的腦海中。

美國(guó)研制的電磁炮

各國(guó)對(duì)電磁炮研究多年，卻遲遲未能實(shí)用化列裝部隊(duì)，主要原因有二：第一，電磁炮及其配套設(shè)備體積巨大，很難安裝在飛機(jī)、艦艇和車輛上；第二，電磁炮發(fā)射炮彈的耗費(fèi)太大，單枚炮彈的運(yùn)作成本需要數(shù)萬(wàn)美元。

不過(guò)，如果用電磁炮發(fā)射衛(wèi)星，這些缺點(diǎn)似乎都可以忽略不計(jì)，甚至成了優(yōu)點(diǎn)：一方面，電磁炮相關(guān)設(shè)備再多，在基地也足夠容納，而且占地面積比傳統(tǒng)火箭發(fā)射基地要小得多；另一方面，數(shù)萬(wàn)美元的發(fā)射成本比起傳統(tǒng)火箭的制造成本和燃料費(fèi)，更是九牛一毛。

當(dāng)然，電磁炮發(fā)射衛(wèi)星還面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)。比如，未來(lái)衛(wèi)星小型化能做到什么程度？如果衛(wèi)星能壓縮到蘋果大小，電磁炮的能耗壓力肯定會(huì)減輕很多。另外，衛(wèi)星能否在巨大的加速度過(guò)載下、強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)中安然無(wú)恙？相信航天技術(shù)將來(lái)會(huì)給出令人欣喜的答案。但有一點(diǎn)令人好奇：那時(shí)候衛(wèi)星“大炮”是單發(fā)還是連發(fā)？上萬(wàn)顆衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)或許一周就有希望完成吧。（作者：孫飛）