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像“造飛機”那樣生產衛星10萬顆星座計劃引發的“衛星工廠競賽”

像“造飛機”那樣生產衛星10萬顆星座計劃引發的“衛星工廠競賽”

2020-09-12 Comments 0 Comment

Space X的“獵鷹9號”火箭搭載60顆星鏈衛星升空,加上此次發射,馬斯克“星鏈計劃”成功發射的衛星總數已達713顆。比發射速度更快的,是Space X的衛星生產速度,有消息稱,Starlink(星鏈)工廠每月可製造120顆衛星。

圖源:Twitter/Michael Sheetz

起步晚於Space X的中國商業航天企業,在“新基建”浪潮的湧動下,正在加快追趕的步伐。

中國第一個民營衛星工廠——九天微星智能衛星工廠近日也在河北省唐山市路南區正式開工。這是衛星互聯網納入國家新基建後首個落地的重大項目,將於2021年初建成投產,屆時可實現年產100顆以上百公斤級衛星的產能。

隨著新一輪的“太空競賽”打響,據不完全統計,截至目前,對近地球軌道“虎視眈眈”的衛星已近10萬顆,龐大的發射計劃倒逼衛星製造必須進入“工業化”階段。在這個賽道,中國同樣需要跑得更快一些。

對近地球軌道“虎視眈眈”的衛星已近10萬顆,圖源:YouTube/Analytical Graphics, Inc

01

中國首個民營衛星工廠

“九天衛星工廠,未來大有可為”,這是“共和國勳章”獲得者、“兩彈一星”功勳科學家孫家棟為9月1日開工的九天微星衛星研發製造基地開工所做題詞,“大有可為”四字頗有深意。

9月1日,中國首個民營衛星工廠在河北唐山正式開工,圖源:九天微星

傳統意義上,航天應用屬“國家隊”領域,發射的衛星通常與地球同步軌道,採用定制化生產方式,設計、製造、發射週期理論上需要26~32個月,也正因生產週期長、技術和成本門檻高。

截至2019年底,中國在軌衛星300多顆,而全球在軌衛星數量為2218顆。

圖源:光大證券

然而,未來10年內,10萬顆低軌衛星將有可能在太空中重新定義“星羅棋布”:Space X的“星鏈計劃”4.2萬顆、Oneweb星座4.8萬顆、亞馬遜的柯伊伯(Kuiper)星座3236顆……國內的衛星星座計劃也已啟動。

據不完全統計,發射數量在30顆以上的有10個項目,其中,國字頭背景的“鴻雁”星座計劃發射300顆衛星,“虹雲”星座計劃發射156顆衛星。

圖源:光大證券

如此龐大的發射計劃,迫使衛星的設計和生產方式必鬚髮生根本變化。

星座發射計劃基本都在距離地球2000公里以內的近地軌道,其衛星體積小、重量輕、在軌壽命短,且星座式組網方式可以做到一次性論證和設計,批量生產,衛星的生產週期降至數週甚至天。這些都讓商業資本進入衛星生產成為可能。

今年4月,國家發改委將衛星互聯網劃定為“新基建”信息基礎設施之一,商業航天行業發展從“游擊戰”轉為“陣地戰”。有數據顯示,國內上半年衛星互聯網相關企業新註冊1128家,同比增長158%。

圖源:企查查

作為國內最早佈局衛星互聯網的企業之一,九天微星曾在2018年率先完成百公斤級近軌衛星的發射和運營,並在2017年啟動了通信系統及地面終端研發。

一位九天微星的內部人士回憶,當時她剛進入公司不久,九天微星的首個物聯網衛星還未上星,團隊便已經開始論證衛星智能製造產線的方案。

截至目前,九天微星已完成6輪融資,融資總額累計超過5億元,是國內民營衛星領域融資最多的企業。

此次唐山工廠開工,意味著中國商業資本正式進入衛星生產階段,而據九天微星聯合創始人兼總裁彭媛媛透露,新一輪的B+融資也已啟動。

02

讓衛星生產“有節拍”

衛星製造主要包括衛星整體製造、部組件和分系統製造,中金公司在一份名為《商業航天:誰能成為中國的SpaceX?》中指出,衛星從傳統的“定制化”開始走向“工業化”大規模生產的關鍵,是四個變革:模塊化設計、智能化生產、快速AIT(總裝、測試與試驗)、優化供應鏈。

圖源:中金公司研究部

簡單理解,是採用柔性(脈動)生產線、智能化設備,將模塊化後的通用部件進行快速AIT,從而大大節約生產時間。

圖源:中金公司研究部

“脈動生產線”的概念,源自飛機製造。以往飛機製造是固定站位,工程師按照線性步驟裝配,脈動式則將飛機分成5個相對固定站位,同時對飛機的5個部分進行裝配作業,完成之後再將飛機向前移動,從而實現多架飛機同時裝配,這種移動便叫脈動。

柔性(脈動)生產線就像下餃子一樣並行操作,圖源:央視

Oneweb與空客公司合作的衛星工廠,率先採用了這種AIT方式。

Oneweb官網上的一篇文章詳細介紹了其生產過程:每條裝配線上有四個模塊生產工位,每個站點,由製造工程師、工業機器人組成將每個組件按照標準組裝。

每個部件都是模塊化的,四個模塊可以像盒子的四個側面一樣裝配在一起,而且所有生產過程都是並行進行,從而保證高效。

建造完每個模塊後,AGV機器人再將其運送到裝配站,由那裡的團隊將衛星總裝在一起,每個成品約是洗衣機的大小。

Oneweb裝配線和組裝成品,圖源:Astronautika.lt、OneWeb

“衛星總裝脈動生產線有點像按節拍移動,” 九天微星的唐山工廠也正在做這樣的嘗試,其相關人士介紹,衛星艙板組裝站點、集成總裝站點、試驗測試站點固定不動,由潛伏式AGV機器人作為轉運工具,將生產好的衛星部件,按照設定好的“節拍”在不同站位間進行移動,以此確保在短週期、低成本的情況下,靈活批量化生產50-500公斤級衛星。

目前,Space X和Oneweb均已實現自給自足。Space X在7月下旬的一次簡報中向FCC(美國聯邦通訊委員會)表示,目前Starlink每月建造120顆衛星,以此計算,Space X日產衛星4顆,一年可生產1440顆。Oneweb儘管還在破產重組中,但工廠此前已經實現日產兩顆衛星。

九天微星一期工程的目標是年均生產百顆衛星,其相關人士透露,這是根據發展階段,充分評估資金利用效率後做出的規劃,後期隨著需求增長,有可能會通過增設產線、優化工藝提高產線運行效率等方式,持續提高產能。

03

全球“爭奪”太空

隨著美國降下“技術鐵幕”,衛星互聯網在“新基建”中的戰略意義將可能進一步突破。

一系列針對華為的限制都表明,美國和英國對在5G時代失去通信領域主導地位的不甘,而且試圖在6G(包括衛星互聯網在內的天地一體網)彎道超車。

曾在3月陷入破產危機的Oneweb,今年7月獲得英國政府和印度移動網絡運營商巴蒂財團10億美元的注資,由此,英國政府獲得“英國首個太空主權能力”,而商業和衛星運營業務會交由印度最大電信運營商Bharti Global負責。

就在宣布重組計劃前不久,Oneweb提出了比Space X更為激進的星座計劃:4.8萬顆衛星。

Space X的星鏈也取得了突破性進展,就在前幾天,它首次成功在軌道上測試了星鏈衛星的“激光通信”,將兩個衛星用“太空激光器”相連,允許彼此之間交換數據,而不是將其來回傳送到地面,這種方式大大降低了時延,能夠傳輸數百GB的數據。

根據計劃,Space X將在今年年底之前在美國北部和加拿大南部提供Starlink作為商業服務,併計劃“ 在2021年將全球人口覆蓋全球 ”。

圖源:YouTube/Darth Vader’s Videos

頻率更是稀缺資源。2019年11月20日,國際電聯通過新版低軌衛星通信頻段分配方案,採用先發先得原則,只要7年內發射一顆衛星並在隨後7年內將申請的衛星數量全部發射完成,便可以佔用相應頻段。這意味著,誰先將衛星送上天空,誰便在太空中佔有一席之地。

04

批量生產衛星,難還是不難?

然而,隨著多星發射技術逐漸成熟,製造能力將逐漸成為衛星互聯網的瓶頸。

衛星總裝上市公司中,中國衛星是龍頭,在回答一名投資者對於“衛星生產從單體小批量到大批量規模化生產的佈局和規劃問題”時,中國衛星回答表示,所屬子公司航天東方紅、深圳東方紅開展了自動化總裝、自動化測試等方面的嘗試和探索,但鑑於衛星研製流程的複雜性,距離形成流水線式的工業化衛星生成模式尚存在一定差距。

OneWeb衛星模塊化流水線批量製造,圖源:中金公司研究部

目前中國在軌衛星有300多顆,其中由東方紅生產發射的有104顆,包括通信、遙感、導航等各類衛星。根據8月24日中國衛星發布的半年度財報,上半年發射了四顆衛星。

對於中國衛星的回應,一位業內人士分析稱,以往中國衛星的生產模式往往都是單件定制,可以標準化的部分很少,但整體而言,以技術積累、經驗積累和產業鏈佈局能力來看,中國衛星都比較成熟和完善。

“在國家統籌巨型星座的前提下,短期內對衛星需求會更具確定性,並且會逐漸推出相應的標準,而標準化應該就是工業化的前奏。”這位人士對中國衛星仍然十分看好。

圖源:九天微星

不過,“國家隊”的謹慎從側面印證了國內企業對於衛星工廠的糾結。此前,吉利、國星宇航、銀河航天等公司都曾提出建設衛星工廠的計劃,但提出批量生產的企業,在公開消息中,只看到九天微星一家。

上述業內人士透露,關於衛星工業化生產,業內有兩種不同意見:航天圈的人認為衛星批量生產很難,會遇到很多困難,而來自傳統製造業的人則樂觀得多,認為工藝並不複雜,比汽車製造簡單。

複雜還是簡單?恐怕要等九天微星衛星工廠明年的第一批產品給出答案。

作者/IT時報記者郝俊慧

編輯/挨踢妹

排版/黃建

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