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武汉:“中国星谷”如何搭建商业航天全产业链

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武汉国家航天产业基地 吴毅摄

“商业航天快速在国内发展起来,武汉目前是底蕴最扎实的城市之一。”

5月21日,“武汉一号”高精度智能遥感卫星在酒泉卫星发射中心成功发射,该星依托武汉大学宇航科学与技术研究院设计研制,由中国科学院龚健雅院士担任首席科学家。邵远征作为团队核心成员,全程参与了卫星的研制过程。

他告诉澎湃新闻记者,入轨即工作,不到12小时,武汉大学遥感卫星地面站成功接收卫星获取的首组影像。“武汉一号”目前处于在轨测试阶段,各项功能正常,性能指标满足任务要求。“武汉一号”卫星由武汉大学宇航院高精度智能遥感卫星团队自主研制,副院长曾国强担任卫星总设计师。该星旨在用高性价比小卫星验证无地面控制的高精度几何定位和星上智能处理技术。同时,具备对城市逐日观测及业务化运行能力,其数传达到每秒1.8G,在目前民用遥感卫星中为最高,满足实传要求。

在完成科学试验目标后,该卫星将根据需要,设置为天回归模式,每天对武汉都市圈进行持续观测,届时将重点为武汉市数字经济发展提供高质量高精度的空间信息底座。武汉将具备月度生产0.5米空间分辨率遥感影像一张图的能力。这意味着,绘制完成一张覆盖武汉全市域的图像,只需要一个月时间。此前,同等观测条件下,单颗遥感卫星难以完成这一任务。


2024年5月21日中午12时15分武汉一号(珞珈三号02星)发射成功顺利进入预定轨道后,入轨即工作,不到12小时,武汉大学遥感卫星地面站成功接收卫星获取的首组影像,上图为影像之一。受访者供图

托举“武汉一号”卫星的快舟十一号固体运载火箭,由武汉市新洲区的航天科工火箭技术有限公司设计生产,在我国酒泉卫星发射中心点火升空,顺利发射,并将它送入预定轨道。

2016年,武汉国家航天产业基地由国家发改委批复。火箭产业园、卫星产业园、磁电产业园……多个产业集群拔地而起,星罗棋布。基地的航天产业主链已经基本成形,被命名为“中国星谷”。发展至今,武汉已经搭建起了卫星设计研制、整星交付、火箭发射、芯片研制、数据获取、数据加工、下游行业应用的商业航天完整产业链。

武汉,不仅激光、汽车产业独树一帜,在商业航天领域也正成为中国城市中的佼佼者。

造火箭

2015年,中国开始发展商业航天,鼓励民用航天单位参与国家的空间基础设施建设。明确鼓励民营企业发展商业航天,开启了中国航天由单一政府主导向政府主导与市场推动相结合的转变进程。业界普遍认为,2015年是中国商业航天元年。

在此背景下,湖北省积极推进商业航天的产业布局。航天科工和湖北省联合向国家发改委申请国家级的航天产业基地,后落地新洲区,成为继上海、西安之后的第三个国家级航天产业基地。

过去航天产业立足于探月工程、载人空间站、火星探测等国家重大科技专项和重大工程,与国民息息相关的卫星数量较少。2015年的《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025年)》出台之后,涌现了一批商业应用方向的火箭公司。

2016年,航天科工火箭技术有限公司在国家航天产业基地注册成立,同年4月24日签订了国内首个商业航天发射服务合同,并于2017年1月9日完成我国纯商业发射第一单,开创了商业航天发射先河。


“新洲号”火箭成功发射。航天科工火箭公司供图

“武汉有高校和高科技产业方面的优势,制造业基础也比较深厚。新洲区域有长江,旁边就是武船。未来4米级可重复使用的液体火箭试制成功后,可以通过船运到海南文昌。”火箭公司副总经理刘鑫告诉澎湃新闻记者。

民用卫星的需求越来越多,火箭生命力的持续也要面向商业市场。作为中国商业航天的“先遣军”,截至目前,快舟火箭已完成32次发射,是我国现役发射次数最多的固体运载火箭。

航天科工航天三江的快舟十一号火箭运载系数和快速响应能力国际领先,全箭主体结构采用碳纤维复合材料,入轨精度高,可实现大范围轨道机动、一箭多星异轨部署,满足星座组网、空间试验任务需求。

运载火箭的主要技术指标有运载能力、入轨精度、可靠性等。为保证火箭承载更多的燃料,把有效载荷顺利送入轨道,火箭外壳材料需要选用重量轻、强度高、耐腐蚀的材料。更为重要的是,火箭入轨的高度、长轴、倾角等精度和设计值理论值的偏差越小越好,这需要一步步去摸索验证。

火箭研制里,即使小到一颗螺栓,也有讲究,扭距需要反复测算。

火箭在飞行过程中与大气摩擦,发动机不停燃烧,随着脱节重量也在不断减轻,伴随着急剧的震动且频率不同,螺栓如果不在一定扭矩范围中,金属材料组织结构容易发生变化,可能折断松动,导致部件脱落断裂,发射失败。

螺栓的选择,这样一个小细节,都需要做大量的实验,工艺操作人员拧好之后工艺要确认,反复检验。这些基础技术难点,航天科工通过和高校联合做实验进行攻克。“也靠老一辈科学家传承,他们的经验和理论功底都非常深厚,知道最薄弱的环节在哪里。”

由于固体火箭燃料对材料形成烧损使得火箭无法重复使用,2019年航天科工提出设计研制可重复使用的液体火箭,通过液氧甲烷生成二氧化碳和水。面对国内这一运载火箭研制的无人区,火箭公司聚力技术攻关,在发动机和火箭试验箭两条主线发力。

技术难点在于工程化的系统集成,交叉专业中寻找最优解。尤其空间复杂情况的无法预测性,需要模拟实验火箭承受的最恶劣环境。液体火箭里有大量的阀门,控制零下190度的低温液体,阀门要达到精准的控制就需要电控,保证发动机的燃料供给恰当,否则可能熄火或爆炸,只有稳定地燃烧才能持续供火。

“中国的航天事业在受制于人中开创出自己的天地。我们这一行是需要对事业有热爱的,也需要做事的严谨性,稳妥可靠,万无一失,做精确的事。”刘鑫说。

湖北首台液氧甲烷发动机鸣凤一号于2022年通过长程热试车;去年,鸣凤二号70吨级液氧甲烷发动机通过长程热试车;不久前,实现了“一小时内多次点火、全部成功”的技术突破。今年年初,快舟可复用技术试验箭垂直起降试验成功,加速了快舟火箭型谱建设进程。

随着航天科工火箭公司在武汉新洲的发展,原来在东湖高新区的湖南航天磁电公司也在新洲设立了产业园。此外,做火箭供应链产品的民营企业也在逐渐进入新洲区。

在快舟火箭近一年实施的8次发射任务中,有5次执行的是“天目一号”星座批量发射任务,该星座总装集成单位中国航天科工二院空间工程公司位于快舟火箭产业园对面的卫星产业园。相隔不到百米的距离,给任务沟通协调、星箭联合试验等带来了极大便利。这样的“群友”合作模式,成为区域航天产业发展的范本。

近年来,快舟火箭多型号研制任务并行,零部件、工装和工艺加工需求直线上升。对此,武昌船舶重工、华夏精冲等多家传统产业企业,以承揽工装加工、工艺焊接等工作的方式加入航天“朋友圈”。立足固、液运载火箭技术,火箭公司正在结合区域内航天、船舶、机械制造和激光等资源,建立产业链体系。

造卫星

火箭将卫星送入轨道,但由于卫星在上空的飞行轨迹为条带,依然需要更多的卫星配合成图。

“细分领域做解决方案,给它足够多的弹药,它总能想到一些新的打法。”邵远征介绍,国内过境武汉上空的遥感卫星,空间分辨率、载荷类型、定位精度等存在差异。依靠单颗卫星达到较高观测频次存在很大挑战。“武汉一号”以空间换时间,具备优先拍摄武汉区域的能力,保障武汉地区丰富的遥感数据资源,为新型智慧城市建设提供高质量的时空数据底座。

武汉大学遥感技术学科连续七年排名世界第一。“学术传承,人才辈出,凝聚学科生生不息、蓬勃发展的核心竞争力。”邵远征告诉记者,在武汉大学,流传着以测绘泰斗王之卓院士为前导,李德仁院士为中坚,龚健雅院士为后续的教学、科研、开发精英群体,其师生三代均为院士的测绘佳话。武汉大学测绘遥感学科的学术传承和团队建设,形成了“四世同堂”、“五代传承”的人才队伍,造就了一代又一代优秀人才。也是在一代代的传承下,武大建立了测绘、地理信息与遥感领域的科研优势。

武汉大学于2015年开始启动“珞珈”系列科学试验卫星工程,组建了以李德仁院士、龚健雅院士为首席科学家的科学试验卫星研发团队,其主要目的是验证一体化建设PNTRC(定位、导航、授时、遥感、通信)天基信息服务系统的设想,围绕卫星影像在轨处理与实时智能服务技术验证、高分辨率成像、高精度立体测绘、高光谱成像、夜光成像和视频成像为一体化的智能遥感等系列科学问题开展科学试验卫星研制,着力解决天基信息智能服务中的系列前沿科学问题,培养了一批具有交叉学科研究能力的创新人才,推动空天信息、智能水利、生命大健康领域的科技创新与产业应用,也推动商业卫星的发展。

“珞珈一号”01星是珞珈系列科学试验卫星的首颗卫星,已于2018年6月成功发射并已顺利完成夜光遥感和低轨导航增强技术验证等在轨运行任务。近年来武汉大学依托测绘遥感信息工程国家重点实验室、宇航科学与技术研究院、水资源与水电工程科学国家重点实验室等单位陆续启动了珞珈二号01星(光音二号)、珞珈三号01星(双清一号)、珞珈三号02星(武汉一号)、珞珈四号01星(武汉大学人民医院健康号)的研制工作。

其中,“武汉一号”从整星设计到分发服务全过程,均由武汉大学相关研究单位完成。宇航科学与技术研究院负责设计、研制、装调、测试、运控,武汉大学卫星地面站负责指令上传和数据接收,测绘遥感信息工程国家重点实验室和遥感信息工程学院负责数据处理与分发服务,卫星导航定位技术研究中心负责卫星精密定轨。

“从卫星下传数据的分辨率、纹理、色彩来看,已经初步达到了设计指标。各种卫星观测模式都经过了验证。”邵远征说,团队目前正在做各项在轨测试,即卫星发射后的调优,通过辐射校正与几何校正等流程进一步提升数据质量。

科教优势在湖北持续转化为明显的产业优势。湖北全省拥有约15万名地球空间信息产业的从业人员,人才储备丰厚。尤其依托武汉大学、中国地质大学(武汉)等高校、科研院所,在地球空间信息相关行业的关键技术突破、数据增值服务及应用解决方案方面有着显著的技术优势。

从科研链条的角度,武汉高校在遥感领域上游硬件、高端装备的研制与关键技术突破方面尚有提升空间,在这一背景下,龚健雅院士倡议武汉大学设立宇航科学与技术研究院,邀请国防科技大学、长春光机所、西安光机所等国内外知名的卫星平台和遥感载荷专家加盟。宇航院于2017年9月正式获批成立,旨在推动航天与遥感等学科深度交叉融合,发挥优势学科示范辐射作用,提高学科整体建设水平, 在宇航科学与技术领域形成小卫星设计与制造和遥感仪器特色鲜明的研究方向。随着宇航院的快速发展,武汉大学在遥感技术学科链条的上游能力也越来越强。

从区域产业协同发展来看,在遥感卫星产业链上游,武汉大学宇航院擅长做卫星总体设计及遥感载荷研制,隶属于航天科工集团第二研究院的航天科工空间工程发展有限公司聚焦卫星的整星交付能力及通遥星座建设,航天科工火箭技术有限公司研制快舟系列商业火箭,构建强大的发射能力。在武汉,业已形成商业航天产业上游链条的充分闭环。


5月28日,“武汉一号”卫星过境武汉上空,成功对武汉市局部区域进行拍摄并获取高质量的遥感影像数据,武汉大学文理学部、工学部、信息学部等区域全部有效覆盖,上图为影像之一。受访者供图

空间工程总体部武汉卫星产业园小卫星智能生产线是我国第一条小卫星智能生产线,2018年启动,2021年5月完成首星下线,2023年顺利完成卫星批量生产任务,并对外输出智能制造能力。从建产线到用产线,智能制造水平不断提升;从用产线到造产线,智能制造技术在更大领域推广应用。生产线以“柔性智能、数字孪生、云制造”为智能制造技术导向,既能满足单颗、小批量卫星的研制生产,也可满足规模化、批量化的小卫星生产。目前,生产线具备年产240颗(双班制)1吨以下小卫星的批产配置能力。


空间工程总体部武汉卫星产业园小卫星智能生产线是我国第一条小卫星智能生产线,2018年启动,2021年5月完成首星下线,2023年顺利完成卫星批量生产任务,并对外输出智能制造能力。受访者供图

“商业航天目前在我国的发展势头非常迅猛,中央明确把商业航天列为战略性新兴产业之一,我们迎来了中国商业航天发展的重要机遇期。商业卫星的发射越来越密集,对商业火箭的需求也越来越多,由此,也推动了我国商业运载火箭的蓬勃发展。随着遥感卫星星座的加快建设,空间基础设施将进一步完善,政产学研用的协同联动逐步加强,将进一步释放遥感数据要素价值,创新更多应用场景。”邵远征说。

中下游应用

导航卫星、通信卫星、遥感卫星三类主要的卫星中,遥感卫星目前的商业化空间相对更为显著,通过空中拍照、传输图片影像的方式来提供服务。

遥感卫星,上游国家放开,市场可以参与发射,下游应用也是百花齐放。这一领域,工科应用属性较强,技术与市场需求有着天然的合作点,在国家政策的支持下,技术成果产业化较为顺畅。在武汉,高校教师创办测绘、地理信息方向的应用型企业,这一现象并不鲜见,形成浓厚的创业氛围。武汉也因此积累了一批深耕应用领域多年的中下游企业。也有上游卫星研制企业业务转型,探索空间信息应用。

“当时团队日夜奋战,攻克了星间激光通信技术,可以减少对地面站的依赖。目前,我们公司在太空中有3颗卫星,每天经过武汉市上空4至6次。”

航天行云科技有限公司由中国航天科工集团有限公司批准,中国航天三江集团有限公司发起,于2017年12月在武汉国家航天产业基地注册成立。

行云公司副总经理张勇告诉澎湃新闻记者,行云公司抓总研制了国内最小的星间激光通信载荷,实现了国内卫星物联网星座激光通信零的突破,打通了卫星物联网星座间信息传输的瓶颈制约。


武汉国家航天产业基地行云公司行云二号卫星。航天三江供图

行云公司也在转型发展,聚焦卫星数据应用。围绕空间信息应用服务需求,在城市治理、自然资源、智慧农业、智慧交通、智慧水利等重点行业,构建了以应用终端、应用软件、行业应用解决方案、数据增值服务为支撑的业务应用产品与服务体系。

此外,数据的落地应用与集装箱运输等行业结合。武汉中欧班列的集装箱上,安装航天行云卫星终端,监控集装箱安全。同时监测冷链集装箱温度和湿度,出现温度失常时,能及时提醒运输人员和业主。

2023年4月,武汉市人民政府批准由行云公司牵头,联合其他相关单位共同建设“武汉市卫星数据应用公共服务平台”。整合导航、通信和遥感卫星数据资源,目前,平台一期工程已完成建设并上线试运行。遥感卫星基本都部署在一千公里以下的低轨道,与地球的距离更近,拍摄精度更高,但因此视野就会较小,绕过地球只有一个条带的视野范围,且需要很长时间重返,还会受天气影响,因此需多颗卫星接力。“平台将国内外通导遥卫星数据资源汇集起来,相互补充,实现需求。”张勇表示,目前平台已汇聚60余颗国内主流商业卫星、国内外免费卫星数据资源及专题成果资源。


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