一颗卫星背后的佛山故事

2021-08-19

日前，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。不是实验室没有空调，而是这位来自北方的研究员身体还没有完全适应南方炎热的天气。然而，他却在不到两年的时间里，为佛山这座南方城市发射了一颗具有全球先进技术的商业卫星。

4月27日，在太原卫星发射中心，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米高分辨率光学成像卫星，让全佛山人为之沸腾，它可应用于测绘、农业、环保、林业等多个行业，将影响佛山人的生活以及佛山的产业发展。

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,深圳一家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，商业卫星受到很多地区和相关企业的青睐，成为推动智慧城市建设的重要工具。

相较于其他商业卫星，佛山一号有什么特别之处？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。佛山一号的超轻高分面阵空间相机相关鉴定报告显示，该成果技术难度大，创新性强，总体技术达到国际先进水平，一些核心指标及关键技术居于国际领先水平。该成果在佛山一号卫星的成功应用，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，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，极大地降低了卫星发射成本。

解决前人没有解决的问题

“按照以往的分辨率和幅面要求，这个相机会有一个成年人那么高。”任建岳说，通过对从基础材料到结构设计等全链条的创新优化，这个相机的高度、体积大大缩小，“重量只到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，佛山一号都不是最先达到的，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，佛山一号给出了一份“全球第一”的答卷。这也意味着任建岳的团队解决了很多前人没有解决的问题。

他们从设计入手。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，搭配碳化硅及氮化硅的结构材料。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的发射成功，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，上面拍到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。

将佛山与太空连接起来

卫星制作完成了，组装也是一个精细活，它直接关系到卫星发射的效果。

“卫星的超轻量化、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，3月20日，团队装配卫星相机时，发现一个垫片厚度存在误差。当时已是凌晨2时许。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，终于把多余量去除了，“为此，有的同事手上磨出了水泡。”

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。

4月27日上午11：20，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，在距离地球500公里的轨道上，一颗名叫佛山一号的卫星，将佛山与太空连接起来了。

佛山一号如何发挥作用？

“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。

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。如何在此基础上发挥好佛山一号应有的价值？

任建岳介绍，未来将组成不少于100颗佛山一号同类卫星星座，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”建设，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。