中国商业航天规划蓝图:空天飞行器2030年验证试飞

澎湃新闻记者 杨一帆

2016-09-15 13:15 来源:澎湃新闻

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网络上流传的“神龙”飞行器照片,该飞行器被认为与中国的空天飞机计划有关。
在9月12日举行的第二届中国商业航天高峰论坛上,中国航天科工集团公司发布了我国商业航天领域未来发展的宏伟蓝图,空天飞机、快舟火箭、“幸福之星”等计划纷纷浮出。
“在商业航天领域,航天科工计划主要以武汉国家航天产业基地为依托,实施五大商业航天项目。五大工程的开发与构建时间跨度将超过十年,涉及子工程及分系统数千项,预计投资超千亿,产出超千亿。”中国航天科工集团公司董事长高红卫在论坛开幕式上透露说。
航天科工副总经理刘石泉在会上介绍,该集团公司以创新思路积极布局商业航天,将重点实施飞云、快云、行云、虹云、腾云五大商业航天工程。
飞云工程:高空无人机“伴随式”服务
飞云工程是以高空长航时无人机作为空基平台,搭载局域网接入设备,为地面网络无法覆盖的区域的特定用户提供网络接入服务为目标的计划。
目前,在互联网传输系统中,用于收集附近用户信息的地面基站和传输信息的光缆是不可或缺的两个要素。但是,由于地理条件的限制,在一些人烟稀少的荒野、以及广阔的海洋还难以实现地面基站的完全覆盖。同时,由于光缆存在受到诸如地震、滑坡等自然灾害破坏的可能,在特定条件下保证通信的快速恢复就显得尤为重要。
飞云工程旨在解决这一难题,其途径是利用无人机在高度上的优势,提供远大于地面基站的网络覆盖范围,并利用其机动性和长期滞空的优势为特定用户提供“伴随式”的网络接入服务。
这一工程的关键在于无人机。中国航天科工集团第三研究院科技发展部部长助理戴江勇告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn),应用于该项工程的无人机已经研制成功,其飞行高度达20000米以上,使用太阳能电池,续航能力已达5天之久。
“该型无人机使用的单晶硅板能源转换效率为24%,而国内目前新型太阳能电池板的转换效率已提高至32%。”戴江勇表示,“一旦这一数据提高至35%,无人机的续航能力完全有可能达到一个月以上。”
据航天科工集团介绍,这一基于无人机的空中局域网由无人机平台、机载局域网设备、指挥控制单元和地面用户终端组成。
“无人机空基网络的覆盖半径可达300千米,并已能实现机间组网通信,可用于特定地区或事件的应急通信、侦查及气象监测。”戴江勇补充道。
快云工程:突发事件后快速机动部署
快云工程,物如其名,核心在于一个“快”字。
相比于飞云工程,两者在任务使命上并没有本质区别,都是为特定区域或用户提供中继通信、引导或监视,但是快云工程的特点有两个:一是具备于1小时内在数千公里远的区域建立通信与观测的能力,二是采用可在平流层高度实施作业的飞艇作为飞行器。
航天科工集团一位专家向记者表示,快云工程之所以能做到短时间内在远距离迅速建立通信,靠的是车载火箭系统。这种固体运载火箭(即“快舟”系列火箭)以机动发射方式部署于车辆上,能够在二十分钟内完成发射准备。运载火箭发射后,可以在半小时内达到数千公里远的目标区域上空,然后释放载荷(即飞艇)。飞艇脱离火箭后,会自动充气,调整姿态并稳定在某一区域,开展工作。
航天科工集团介绍,飞艇通信系统的覆盖范围十分广阔,抗干扰能力更强,而且飞艇可以搭载不同载荷,飞行高度可规避诸多恶劣的气象条件,驻空时间也更长。因此,快云工程可以对特定区域实现不间断的通信覆盖,并满足全天候全天时的监测需求。
快云工程的核心优势是它可以通过快速机动部署的方式,在短时间内对突发事件及特定地区提供全天候的通信与观测,为现场指挥提供信息保障。” 这位专家表示,“这在我国远海及边疆地区的应用前景较为广阔,如南沙诸岛礁、青藏高原等。”
快云工程由运载系统(含火箭、机动车载发射平台)、飞艇平台、载荷及地面应用系统组成。
行云工程:“48+9”的卫星星座
不同于飞云及快运,行云工程的主角是人造卫星。
行云工程旨在通过建立一定规模的卫星星座,对南北纬50度范围内的用户提供数据采集、信息双向实时传输等综合物联网信息服务。
物联网是新一代信息技术的重要组成部分,通俗的说就是物物相连的互联网,其应用前景十分广阔。以物联网时代的家用电器举例,智能冰箱可以感知到所需的食品数量并将之通过网络传输给智能手机,而个人也可以通过网络对室内灯光、空调等设备实现远距离的操作。这种信息数据的特点是,信息容量往往不是很大,以几百K的大小居多。
航天科工集团另一位专家对记者表示,“行云工程着眼于未来物联网时代的信息传输需求,其特点是以一定数量的低成本卫星在低轨道(一般是指距离地面500-2000km高的轨道)进行组网,构建较小规模的卫星星座,以满足信息传输量不大的通信需求。”
航天科工集团的资料显示,行云工程系统由空间段、地面段和用户段组成。其中,空间段由48颗在800千米高度轨道运行的信息接入卫星和9颗在1400千米高度轨道运行的中继卫星组成,构建“48+9”的卫星星座。
“但是,行云工程的通信能力尚属于窄带,主要面向适用于物联网时代一些小信息量的通讯以及信息双向实时传输的需求,而我国规模更宏大、性能更先进的天基信息系统则是下一个工程。” 这位专家补充道。
虹云工程:全球范围的无线宽带覆盖
虹云工程是以建立天基宽带互联网系统为主要目标,基于低轨小卫星(在1000千米高度轨道运行)星座及其地面系统构建的天地一体化信息系统,旨在实现全球范围的无线宽带覆盖。
该系统由空间段、地面段和用户段组成。空间段为156颗低轨小卫星构成的卫星星座,卫星采用Ka波段大功率多波束智能相控阵通信载荷。地面段由综合运控中心和若干信关站组成。其中,综合运控中心是系统的核心,负责星座运控和网络管理。信关站是实现卫星与互联网之间宽带接入的关键,它使用6米口径的抛物面天线连通天基网络与地面现有的光纤网络。
对于Ka波段的运用,是虹云工程的第一项重要意义。
“Ka波段适合进行通信联络,因而是一种非常珍贵的波段资源。” 中国航天科工集团第二研究院总设计师向开恒对澎湃新闻表示,“但是国际上,欧美国家的One Web公司也有建立采用同样波段的卫星星座的计划,并计划于2017年年底开始发射卫星。由于无线波段也存在先占先得的规则,因此中国必须抓紧推进虹云工程,争取及早投入实际使用,及早向国际电联申报,以占据主动。”
向开恒透露,为加快推进虹云工程,我国已经开展了“1+4先导计划”,计划于2017年年底前完成一颗技术验证星的发射准备,在2018年基本完成另外四颗业务试验星的相关准备。
虹云工程另一项更为重要的意义,就是改变了现有的互联网接入方式,实现可覆盖全球的天基互联网接入。
如前所述,目前互联网的使用离不开陆基和海底光缆的传输,但是,受成本与地理条件的制约,有许多地区并不适合或无法接入光纤,如沿海小型岛屿和人烟稀少的荒原。
向开恒表示,虹云工程将分两期解决这些问题。一期采取的方式为,当用户站接收到用户信号后,可以直接将信息传递给卫星(不需再经过光缆或电话线),再由卫星传递至信关站进行信息处理,从而大大节约了铺设成本并减少了工作量。
但是,由于单个信关站接收卫星信号的半径只有2500千米,而且卫星之间无法实现信息的有效传输,单个信关站只能处理半径2500千米范围内的卫星数据。因此,尽管从理论上说,一期工程已可以覆盖所有陆地以及离陆地2500千米范围内海域的用户,但是在广阔的海洋如太平洋深处还存在许多信关站覆盖不到的地区。
“二期工程将克服这一缺陷。”向开恒表示,“具体来说,就是在一期的基础上,通过实现卫星之间的信息互联和信息处理,打破了单一信关站只能接收半径2500千米范围内卫星信号的限制。届时,装有客户端的飞机与轮船即使远在大洋深处,也可以通过卫星与陆地的信关站实现网络互联,从而实现真正意义上的全球网络覆盖。”
此外,虹云工程还有一项国际上的首创——世界上第一种实现每颗卫星达到4G/s信息传输速率的天地一体化宽带信息系统。
向开恒称:“借助于前所未有的带宽,以及1000千米的低轨高度(相比于传统的同步轨道,距地面约35000千米以上),卫星信息传输的速度将有大幅提升,这对于改善新闻直播中的延时现象、提高远程遥控操作的质量有着重要意义。”
腾云工程:空天飞机2030年完成试飞
“在五大工程中,腾云工程属于远景规划,也最为梦幻。”戴江勇表示。
腾云工程的目标是实现空天飞行器的商业运营。空天飞行器是可执行航天发射任务并多次重复使用的新一代天地往返飞行器,它与传统航天飞机的最大不同是采用地面机场水平起飞的方式,是国际上天地往返运输领域的发展热点。
中国航天科工集团第三研究院总体设计部战略研究中心副主任史晓丽对澎湃新闻表示,研制空天飞行器,有许多关键技术尚待突破,如吸气式组合动力技术、可重复使用轻量化耐高温材料结构与热防护技术、先进的气动设计技术、以及先进的加工制造等。
据悉,国际上正在研制的空天飞行器普遍采用两级入轨的方式,即首先在大气层中加速爬升,达到一定高度时实行一二级分离。一级发动机返回后水平着陆,而二级则继续爬升进入近地轨道,完成运输任务后再入返回,同样进行水平着陆。
从使用预期上,空天飞行器既可载人也可货运,载人时可用于太空旅游、航天员运送等;货运时,可用于发射各类卫星、空间站货物补给、太空应急救援等。
“目前,我们计划在2020年完成项目论证,2025年突破关键技术攻关,2030年使整个系统具备应用条件(完成两级入轨空天飞行器技术验证试飞)。”戴江勇表示,“在某种程度上,它与正在开发的超高声速飞行器具有一定的相似性。在这一领域,如果说过去我们一直是追随美国的脚步,那么目前我们已经在部分方面开始了创新。”
责任编辑:薛雍乐澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 商业航天,空天飞行器,无人机,人造卫星

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