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商业航天卫星的新时代已来

2022-08-19
作者:ADI航空航天、防务和RF产品总经理Yasmine King
来源:ADI公司

过去几年,航天工业的经营方式发生显著变化。新企业正借助目标远大的项目进入新的市场,抓住巨大的商机。随着发射入轨的商业航天卫星数量迅速增加,并且成本大幅下降。运载火箭成本逐渐降低,摩尔定律的体现使得卫星体积也缩小了好几个数量级。相比于前几代公交车大小的超复杂产品,如今,只有摩托车大小的简易卫星重量更轻,制造和发射成本也更加低廉。

随着设计、制造和标准化的进步,上市时间也进一步缩短,这些对商用航天卫星行业产生了重大影响,令卫星的部署速度更快,过程更加灵活。SpaceX、OneWeb、Telesat和Amazon等新太空私有企业计划在未来十年内发射数千颗近地轨道(LEO)卫星,从而组成巨型卫星群,以便提供全球性的互联网络,甚至覆盖世界上的无网络地区。

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商业航天卫星市场*(主要为低成本近地轨道卫星)快速扩张,现已成为市场发展的驱动力,与之形成对比的是限制多、成本高、海拔高的地球同步轨道(GEO)卫星。随着市场变化,最主要问题之一是需要多少抗辐射加固。如今,大量商业航天市场不能承担成本较高、要求严格、耐辐射,并且符合航天标准的"传统"芯片、元件和设备,并且通常也不需要。

对于高可靠性的传统产品,其初始的设计目的是为了在恶劣的太空环境中使用数十年,搭载的则是高地球轨道的GEO电信卫星。在那种环境里,辐射更加强烈,同时也会对航天器的电子装置产生危害。现在,在卫星市场中,15至20年的抗辐射飞行任务的市场份额只占一小部分。今天的新太空商业市场有着不同的结构--任务持续时间只有几年,甚至几个月,因此在太空辐射威胁相对较低的地方辐射加固水平的要求也更低。

太空辐射

卫星和航天器电子系统的主要威胁是辐射。辐射产生的影响包括临时故障、长期退化、灾难性故障等。适用的防御措施是使用经过辐射加固和测试的电子设备,它们经过专门的辐射性能和生存能力测试。

推动商业航天卫星产业发展的因素

·  更低的发射成本

·  体积更小、重量更轻、价格更加低廉的航天器

·  对现代IC技术和新功能的需求

·  对近地轨道任务和更大卫星群的重视

·  需要缩短产品上市时间

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“97%的航天行业收入中,‘地球太空’经济贡献了3660亿美元。”†

哈佛商业评论,2021年2月12日

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巨型卫星群

商业航天行业发展势头迅猛,这让太空登录这件事变得比以往任何时候都更加容易。由数千颗卫星组成的低成本近地轨道巨型卫星群已经开始部署。

作为商业航天卫星领域的领导企业,SpaceX正在重复使用其F9火箭助推器,同时将多达60颗更轻、更经济的卫星发射到近地轨道。共乘和推进器的重复使用降低了发射成本,使每颗卫星的价格降至100万美元。这些近地轨道卫星在341英里(550千米)的高度上环绕地球运行,高度大约是地球同步轨道距离的3%。

近地轨道信号延迟更低,为关键业务通信、远程机器人手术、金融交易和游戏等应用场合提供更快的响应速度。不过,相比在传统地球同步轨道高度运行,较低的轨道上的这些卫星观察到的地球表面范围更小,因此需要更多的卫星才能实现相同的地球表面覆盖范围。

小型卫星和巨型卫星群的应用正在普及开来,预计每年会发射1000多颗近地卫星。

由于超大型卫星群中拥有如此多的卫星,商业企业不可能同时让多颗卫星维持运行,并为每套传统器件支付数千美元的费用。对于在商业太空卫星行业开展业务的新太空企业,需要一个切实可行、经济实惠,并且适合用来平衡任务和风险的解决方案。

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巨型卫星群业务

新太空是一个新兴的全球性私营航天器产业,致力于寻求体积较小、功能较强、具有成本效益的抗辐射技术,以满足低辐射或相对良性辐射环境和短时任务的需要。

目标

·  降低准入门槛

·  提供体积更小、价格更低、重量为500公斤以下的卫星来执行单一任务

·  近地轨道高度仅为地球同步轨道的3%,且处于较低的辐射环境中

·  需要更复杂的通信网络

弥合差距的商业解决方案

今天的小型卫星需要创新的设计解决方案,减小尺寸、重量、功率和成本,这是传统器件所不具备的。在太空应用中使用价格较低的商用现成(COTS)器件有许多益处,可享受先进的技术、更高的集成度、更高的性能和更好的SWaP。不过,仅使用COTS器件可能无法满足许多新航天事业的保护、测试和可靠性需求。

如今,ADI公司的商业航天产品弥合了低端COTS器件与传统全航天级气密QML V产品之间的差距。商业航天产品实现了可靠性与低成本之间的平衡,以达到可接受的风险水平。其他功能包括晶圆批次统一性和可追溯性、辐射监测器和强化测试,以及COTS商用级产品不支持的功能。

ADI航空航天、防务和RF产品总经理Chris Chipman表示:“一家巨型卫星群企业可以决定在其卫星上使用标准的塑料COTS器件,没有辐射要求,也不需要任何资质。但信号链的其他部分可能会承受更高的风险。这些器件不能发生故障,因为它们调节着关键的飞行系统,比如对实际无线电本身的遥测控制。若让服务长期脱机,企业则不能承担起这笔费用,因此需要考虑较高级别的组件。”

产品等级评估表

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ADI两类新商业航天产品概述

ADI公司建立了两个新的产品等级组合,以满足新兴商业航天卫星行业的广泛需求。该行业主要研究在低辐射环境中运行的近地卫星和巨型卫星群,以及传统地球同步轨道卫星不断变化的成本压力。凭借四十多年以来积累的航天级部件制造知识,ADI公司专注于开发符合灵活性、可靠性和质量要求的产品,以适用于任何任务。

商用航天低轨道卫星(CSL)

商用航天低轨道卫星是为了满足成本限制或高容量的需求,它提供了适合在低辐射环境中绕轨道运行的近地轨道卫星群的基本测试和筛选服务。

商用航天高轨道卫星(CSH)

专为需要高可靠性、比传统产品成本更低、功能更先进的客户而设计。商用航天高轨道卫星具备较高水平的筛选和辐射鉴定能力,并提供了严格的测试。可在没有气密包装的情况下使用(相当于使用SAE AS6294作为指南的QML V)。CSH包含CSL所能提供的一切功能,另外还可提供高可靠性的筛选和质量合格检验服务。

改善生活的新产品

COTS器件、CSL和CSH不仅是实现更好的SWaP、更小体积卫星和巨型卫星群的技术,而且是提高生活质量和拯救生命的工具。

鉴于商业太空卫星产品的创新,以及勇于开拓的新太空企业在实现星际远航方面付出的努力,所有这一切目标,甚至是更多的目标都有可能实现。

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地球观测卫星提供的数据将有助于提供有价值的见解,让我们更好地了解地球的河流、海洋、森林和基础设施,从而提高农业生产效率,改善水、资源和野生动物管理。

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由于气候变化,飓风和森林大火等灾害正在增多。通过宽带连接覆盖地球的卫星系统,可以降低灾害影响。比如,华盛顿莫尔登镇曾发生了火灾,紧急救援人员将太空联网用于网络恢复,有效地帮助了人们的灾后重建工作。

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这样的技术也可以在许多小城中应用,如位于西得克萨斯州埃克托县的敖德萨。在这片荒凉、平坦、干燥的土地上,近40%的家庭反映宽带服务不可靠,或根本未提供宽带服务。太空"飞行路由器"的波束连接可以帮助孩子们远程在线观看学校课程,在家继续接受教育。

 

 

文内注释:

*美国银行预计太空经济投入资金将在2030年达到1.4万亿美元,相比于2019年的4240亿美元,增幅达到了230%,这主要得益于企业之间投资以及政府私人投资机会的增多。CNBC,2020年10月4日。

†包括电信、互联网基础设施、地球观测能力和国家安全卫星。

 


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