一颗卫星背后的佛山制造故事

  7月底的一个上午，当记者在季华实验室展厅见到佛山一号卫星研发团队负责人任建岳时，他刚从实验室出来，衣服都汗湿了。并非是实验室没有空调，而是这位来自北方的研究员身体还没有适应南方的天气。然而，他却在不到两年的时间里，为这座南方城市发射了具有全球先进技术的商业卫星。

  4月27日，我国在太原卫星发射中心用长征六号运载火箭成功将佛山一号等卫星送入预定轨道。这个全球首颗100公斤0.5米分辨率光学成像卫星，让全佛山人为之沸腾。可应用于测绘、农业、环保、林业等多个行业的佛山一号卫星，如果得到广泛运用，将对佛山人的生活以及佛山的产业发展产生巨大影响。

佛山一号卫星项目带头人任建岳（左二）及其团队核心成员。/佛山日报记者王伟楠摄

  佛山为什么要发射卫星？

  早在季华实验室建立之初，实验室相关负责人接受记者采访时就透露过发射卫星的计划。从实验室将先进遥感装备定为实验室部署的八个研究方向之一也可以看出，发射卫星只是时间问题。

  商用卫星近几年并不罕见。2015年10月7日，长征二号丁运载火箭搭载吉林一号一箭四星成功发射，拉开了我国商业卫星发射的大幕。此后，湖南发射了我国首颗商业化科学实验卫星潇湘一号，山东发射了齐鲁一号，深圳民企发射了中安国通一号，香港航天科技集团发射了金紫荆星座一号……

  因应用广泛，商业卫星受到很多区域和相关企业的青睐，成为推动智慧城市建设的重要工具。中国航天科技集团有限公司发布的《中国航天科技活动蓝皮书（2019年）》透露，中国2019年研制发射的商业卫星就超过了40颗。

佛山一号卫星整体效果图。/通讯员供图

  相对于其他商业卫星，佛山一号有什么特别之处？“佛山一号超轻高分面阵空间相机”相关鉴定结论显示，该成果技术难度很大，创新性很强。总体技术达到国际先进水平，其中28kg相机重量、0.5m分辨率、7km×2.5km幅面等核心指标及其关键技术居于国际领先水平。该成果在“佛山一号”卫星成功应用，为我国航天遥感与微纳卫星对地观测提供了一种新的高分辨率、轻型化、低成本的技术手段。

  其次，“超轻高分面阵空间相机”是卫星的核心部件。“以往发射的卫星虽然也是100公斤级别的，但是相机能够在低轨高密度上做到这么轻的重量、这么高的成像分辨率，佛山一号还是全球首个。”任建岳介绍，在同样的质量和成像要求下，佛山一号达到了重量最低、体积最小、成本最低的最优解组合，“卫星发射成本下降了5至10倍。”

  解决没有人给过答案的问题

  在季华实验室的展厅，摆放着佛山一号卫星的1:1模型。该卫星由两大部分组成，一个是卫星平台，另一个就是超轻高分面阵空间相机。

佛山一号超轻高分面阵空间相机。/佛山日报记者倪玉洁摄

  “按照以往的分辨率和幅面要求，这个相机会有一个成年人这么高。”任建岳说，通过从基础材料到结构设计等全链条的创新优化后，这个相机不到一半高，体积也大大缩小了，“重量只有拥有同样技术指标要求的卫星的十分之一。”

  100公斤的轻量化设计，0.5米的分辨率，7km×2.5km的幅面……每一个指标，佛山一号都不是率先达到，但是如何有机地结合各种空间光学材料，形成一个满足指标要求的最优解，佛山一号需给出一份“全球第一”的答卷。这也意味着，任建岳的团队解决了很多没有人给出过答案的问题。

  他们首先从设计入手。借助多年航天工程经验，团队通过改变设计思路采用微小像元成像器件等技术措施，在大幅减小光学体积的前提下，有效减小重量。同时通过基于计算机仿真的光机电热一体化及先进材料优化设计在保证设计质量的前提下进一步减小重量。

  任建岳介绍，一般卫星制作多使用微晶玻璃、碳化硅、殷钢与钛合金等这样的空间光机材料，如果继续按照原来的老路，重量降不下来，难以实现轻量化的目标。于是，他尝试在相机一体化优化设计中使用碳化硅光学材料与碳化硅及氮化硅的结构材料搭配。虽然如愿降低了整机重量，但实验时却出现了破坏性的结果：支撑镜面结构的三个氮化硅支杆中有一个断了，碳化硅背板也出现了裂纹。

  “碳化硅与氮化硅是一种脆性材料，出现微小的裂纹是不可避免的，我们要做的就是保障并验证足够小的裂纹在力学和热试验中不再扩张，从而保证相机的安全性与成像质量。”任建岳说。在他的指导下，负责结构设计、可靠性分析和热控设计的团队成员谢新旺博士，花了半年的时间进行整机力学和热学的优化与可靠性分析和仿真，在相机的整体力学实验上就尝试了十多次。

  除了在硬件上保证卫星发射成功，佛山一号团队还要确保卫星传输图像的精确性和稳定性。由于这是国内首次发射8000万像素成像幅面的卫星，为了保证相机拍到的图片无误码地传输给卫星平台并传送到地面，团队中的谢虹波博士写了一套完整的卫星图片采集算法代码，并花了一个多月的时间反复测试和验证。季华实验室展厅里，一张LED显示屏上播放着佛山一号传回来的首张卫星图，上面的房屋布局清晰可见。

  “整个卫星研制过程有18个月，要突破跨越发展中诸多未知的难题，这个过程很艰苦，除团队努力攻关外，实验室领导、管理部门、光学材料及光学元件制造团队也为我们提供了最大程度的支持。”任建岳说。

  卫星发射震天响 他们内心是平静的

  卫星的制作完成了，但组装也是一个精细活，它直接关系到卫星发射的效果。

  “超轻量化、超小体积，为组装增加了不少难度。”负责卫星集成测试的孙景旭博士还记得，团队3月20日装配卫星相机时，发现一个垫片厚度存在误差。当时已是凌晨2点多，为保证进度，在场的四个团队成员轮番上阵，经过四五个小时的打磨，终于把多余量去除，“为此有同事手上都磨出了水泡。”

  4月13日，在孙景旭等人的“护送”下，佛山一号历时10多个小时，终于从北京“赶到”太原与箭体结合。“北京到太原的距离其实并不远，但是运送卫星必须按照严格的规定执行，高速公路上每小时车速不能超过80公里。”孙景旭说，当时大家小心翼翼的程度不亚于第一次抱自己的孩子那样紧张。

  4月27日中午11时20分，当长征六号运载火箭升空发出惊天动地的声音时，孙景旭内心反倒平静了。“经过了那么多的磨难和实验，发射成功已经是一个水到渠成的事情了。”他说，那一刻团队反复做实验的画面一幕幕划过他的脑海，他确信发射一定会成功。

  现在，每当佛山人仰望天空，都能感受到，在距离地球500公里的某个轨道上，一颗名叫“佛山一号”的卫星，将佛山与太空连接起来了。

  佛山一号卫星还有更深层次的意义。它具有整星快速机动、高速数据传输能力以及视频、凝视拍照和条带拍照等多种工作模式，最高可提供分辨率达0.5米的超高清遥感图像产品。这意味着，在距离地面500公里的高空，佛山一号能清楚“看”到地面上的一棵树、一辆汽车。

佛山一号传回的卫星图。/通讯员供图

  佛山一号如何发挥应有的作用？

  “现在，我们国家的卫星制造和发射链条都打通了，最大的挑战在于怎么应用。”任建岳说，如果地面应用渠道不打通，卫星无法发挥最大价值。

  尽管目前商业卫星的研制发射已经不是难题，但仍是高端制造业的重点产业。当前，佛山装备制造业站在了万亿规模的新起点，面临着优存量、扩增量的新使命；同时，佛山也在谋划出台数字佛山建设总体规划，高水平建设新型智慧城市，如何发挥好佛山一号应有的价值？

  “吉林一号”的探索或许可以为佛山打开思路。从2014年开始，吉林省连续8年将“吉林一号”写入了省政府工作报告，将其作为全省产业机构调整的重大项目推进。2020年，吉林一号星座组网进一步壮大，在轨卫星达到25颗。据当地媒体报道，“吉林一号”卫星所需的相机反射镜、磁力矩器、相机构件、卫星基板和CMOS高性能传感器等相关核心部件，都已经实现省内配套生产。

  任建岳介绍，佛山一号未来将组成不少于100颗同类卫星星座，在国土资源调查、环境保护、防灾减灾、资源开发利用、功能区划等国家重大战略、区域信息化建设等领域发挥重要作用。由他带头的季华实验室超高比功能柔性卫星研究团队也将继续打造具有完全自主知识产权、国际先进水平的轻量化高清卫星等遥感装备，实现超轻量化遥感装备的工程化、产品化，服务“一带一路”战略，开拓商业卫星国际市场，在佛山打造柔性商业卫星制造产业链。