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超级观点 | 把手机自拍杆伸到太空里,是商业航天降成本的一张好牌

吕方 · 2020-03-04
“小”是未来商业航天发展的题眼。

口述 | 特约观察员 杨峰

采访、编辑 | 吕方

特约观察员 杨峰

核心提示:
1、和传统航天相比,现在的小卫星时代到了拼手速的时候,要不断迭代更新。
2、商业航天降成本要从供应链上找解决办法,成本降低了客户才会具有购买力,反过来增加更多商业化路径,这是一个正向循环。
3、航天领域有自己的摩尔定律,只有把卫星体积减小、成本降低、功能提高、批量生产,天联网才可能是航天摸得到的未来场景。

前段时间,天仪研究院用TY15卫星把小米10 Pro手机(相机模组)送入太空拍照的事,引起了很多人的关注。

这里面有好奇、有肯定,当然也有质疑。

把手机发射上天这事并不新鲜。早在2013年,NASA就曾把改造过的Nexus手机发上离地250公里的太空。不一样的是,这次我们把手机送上了更真正意义上的太空,并让它开始了为期一年的在轨拍摄任务。

虽然对航天人来说,这更像是“哦,又完成一次卫星试验”的日常一天。但小米10从太空传回来的照片,在短短几小时内就吸引了高达百万的用户下载量,确实也让我们得到了不少额外关注,当时我们的电话和微信后台都快被挤爆了。

小米10从太空传回来的照片

那么小米10相机模组进行太空搭载,这事儿到底难不难,以及我们为啥这么干?

送手机上天一共分几步

传统的航天项目非常烧钱和耗费时间,动辄都是几亿人民币起步、需要花费5年甚至10年的长远工程。且无论是在工程实现还是应用探索上,都需要不计代价的付诸全方位的投入和努力。

而这次的小米10太空搭载任务,是在非常短的时间里、非常小的成本下,用非常小的消费级相机模组完成,本身就是件非常难和酷的事情。

时间上,它打破了航天固有的时间观念。

2019年6月天仪和小米达成了“手机上天”的合作意向,9月拿到小米提供的主板和相机模组,10月初完成全部软硬件设计、接口对接和系统测试工作。到11月3号,搭载了小米10 Pro一亿像素相机系统的天仪TY15卫星,被长征四号乙运载火箭发射上天。一个月后,小米手机在太空中拍摄的首张照片传回地面。至此,我们用了不到7个月的时间。

那么我们是如何做到的?

一是在轨测试的可行性。以往发射卫星需要花费大量时间搭建全面的实验环境、仿真环境,在地面进行软件、硬件的各种功能测试,确保把可能遇到的问题都暴露出来并解决到位,然后才能发射上天。

而我们的小卫星在地面先确认好硬件部分以及所有不可更改的软件部分,确保卫星最小系统的正常运行下,再把大部分的软件调试和优化工作放到太空进行在轨测试。

在轨测试是国外同行提出来的,而天仪是首次在国内扎扎实实来实践这个做法。事实证明,只要合理安排地面测试和在轨测试,能够显著提高总体研制效率。

二是模块化和一体化的效用。我们从2018年开始大力做模块化设计,把卫星平台按功能规划出四、五个标准组件,这些组件可以先期做好。卫星模块化、标准化以后,大大提高了生产效率——卫星总装时间由30天压缩到了3天。

还有一个更顶层的突破是,我们在平台功能模块之外,还将卫星、星箭分离机构,包括离轨帆都进行一体化设计,使整个卫星的制造过程更加灵活、高度集成。

大家都知道小米手机(相机模组)又长又扁,而卫星内部空间寸土寸金,实际上小米相机已经超过了卫星载荷舱包络。所以我们专门设计了一个用高强度铝合金做的框架,并将该框架与卫星舱板进行了一体化设计,即该框架外侧作为一个面的卫星舱板,既解决了空间问题,也不显著增加重量。

小米10 pro 手机的相机模组

可能同行会有疑问,这个非卫星标准化设计的相机模组,能否适应标准立方星的6U框架(1U的体积为10cm×10cm×10cm)。由于我们自己在做星箭分离机构,所以这个问题就很简单了。有的时候,载荷的局部会突出卫星平台一块儿,那我们就把适配器局部也突出一块就能解决问题,不需要再在供应链沟通协调上浪费时间。现在这个组件经过反复设计后,已经可以成为一个独立的模块化装置,很方便的装在以后的卫星上。

成本上,我们也突破了卫星搭载的成本和资源限制。

对于一颗动辄成本几十亿人民币的大卫星,或者国际空间站来说,在太空中拍照轻而易举,因为他们背后无论人力还是财力资源都太强大了。

但是我们和小米合作的这次搭载,是在我们非常小的一个6U立方星(相当于一个鞋盒的大小)里面,它的成本和能够使用的资源是非常有限的,这就需要我们想办法去解决很多针对性、定制化的工程技术问题。

首先,卫星在发射过程中的力学环境是非常严苛的。通常卫星上使用的都是经过多次地面试验验证、费用高昂的宇航级器件。而在面对小米手机这样的消费级器件时,就需要我们专门为小米相机模组设计三级减振,包括适配器与运载对接处的减震、卫星与适配器对接面的减振、卫星主结构与小米相机之间的隔振。

三级减振

这个三级减振设计极大地消除了卫星发射过程中的高频振动与冲击,并成功将发射过程中的力学环境降到了消费级器件能够承受的范围,保证了小米相机模组的安全性。

其次,小米的相机模组有一部分要暴露在太空中。我们都知道太空环境里,温差能从零下30度跨越到零上70度。为了提供合适的温度,我们需要给相机在外面穿上星衣,让它不怕太空的寒冷。

但它自身工作时局部又会产生高温,而外太空没有空气,只能靠辐射和传导,散热问题也需要解决。所以我们在设计安装结构时,又要根据主板器件位置及高度设计导热装置,需要能够传导相机工作时主板功耗器件的热量,保证器件不会出现温度过高而导致的寿命损伤。

导热装置

另外还有供电问题。我们通过精密的设计,从供电电压准度、开机浪涌、拍摄持续大电流、阻抗设计等多方面匹配了专用电源转换模块,保障小米手机相机主体在严苛的使用环境中能正常工作,同时对专用转接线缆做了布局设计和电磁保护处理,能保证长时间稳定工作。

最后就是姿控精度问题。姿轨控系统好比是卫星的驾驶员,要想让相机的摄像头指向拍摄目标,必须有姿轨控系统的参与。这个过程说起来简单,但要想完成它需要做大量的运算,地面上也要进行充分的测试和仿真,对于工程技术上来说是非常难的定制化需求。

姿轨控系统

想便宜就得敢失败

在传统航天领域,低成本和高可靠性似乎是矛盾的。成本问题是目前整个商业航天领域的喉中鲠,死死卡在那里。

有的公司可能会通过一部分外包来降低研发成本,但更有效的或许是从供应链上降低制造成本。

这一点上,重新定义了商业航天的美国民营航天公司Space X,算是最敢吃螃蟹的。

航天元器件的生产制造,远远没有进入批量生产阶段,定制就意味着高昂的费用。想要像其他行业一样直接靠规模效应降低供应链成本,短期内很难实现,只能用一些相对取巧的办法。

电子元器件,一般分为消费级、工业级、军用级和航天级,成本也逐级提升。同样一个航天器芯片,使用消费级和航天级成本可能相差1000倍。

Space X采取的方式很巧妙——不断尝试用相对便宜的消费级或工业级元器件,替代成本昂贵的航天级元器件。比如他们卫星能源系统的电池,就跟特斯拉汽车用的电池是一样的。

这些大胆的创新替代方案,帮助Space X在该部分的成本上比友商节省了100倍。

很多人可能会质疑或者吐槽,可这就好比你要把快递从北京送到上海,重要的是快递能送到,过程中你是开货车或者跑车、烧柴油还是汽油,并不是问题的核心。

不可否认的是,这种尝试的风险也很高。成功了,经验能复用、成本能降低、商业模式能升级。当然失败了你也会得到经验和教训,毕竟任何创新都是有代价的。

总之我们是勇敢的去试了。

天仪本身也有自己面向专业级遥感应用领域的专用卫星,拍摄的照片非常清晰。这次用小米手机拍摄的图片,虽然并没有具备遥感能力的大卫星拍的清晰,但它跟现在的卫星遥感领域不冲突,是互补,也是一次航天领域全新的应用探索。

毕竟原来大卫星的图像是要付出几亿元的卫星成本去获得的,而现在仅靠小米相机这样几千元的消费级器件就可以获得。我们自己的成本降低了,对商业客户的收费也会相应降低。而客户具备实际的购买力之后,进一步增加了我们的商业化路径,这是一个正向循环。

举个例子,2000年以前,地面GPS接收机一个板卡几万元,一个Garmin手持GPS近万元,那时候GPS卫星系统都需要靠美国军费来维持运转,对普通公司来说简直贵到破产。而现在大量的移动互联网生态建立在位置服务之上,GPS卫星系统也通过大量营收、快速的进行了第二、第三代迭代,一个(手机内置)GPS模块只需要几美元,客户只需要不到一杯咖啡的钱就可以使用GPS。

我们在做的事,就是把航天领域让客户贵到破产的使用费,降低到便宜的跟没花钱似的一杯咖啡钱。当然消费级的服务和航天级还是有差距的,但实际效果却完全够商业客户使用了。

航天降成本的最大挑战就是看你敢不敢失败。Space X 之前火箭各种爆炸,但现在他们是世界上最极致和成功的一家商业航天公司。

在传统航天领域,每次任务都要尽可能万无一失,因为它的投入成本非常高,失败的代价太大了。但在商业航天领域,保守就意味着丧失迭代速度,就会被市场抛弃。

小卫星时代,拼的就是手速

刚成立天仪的时候,我提出了9个字,“短周期、低成本、一站式”。我们当时希望能够做国家队的补充而不是竞争,所以更希望能打出差异化。但现在把我们放在更大的国际市场里,我们换成了6个字,“更快、更小、更好”。

“快”是我们一贯的打法。传统航天里,一颗卫星的生命周期是5-10年,但现在是小卫星崛起的时代,要求企业有更快的迭代速度。比如我们成立4年,已经发射了18颗卫星,在国内民营企业里数量排名第一。

我经常用《星际争霸》的游戏来比喻商业航天竞赛。传统航天的玩法是“人族”角色,憋在家里攒资源造重型装备。但商业航天是“虫族”玩法,用一波接一波的ZERGLING(狗,虫族的最基础兵种)扑向你。等人族准备齐全出门开战,全天下的矿早就都已经被虫族占领了。新商业航天领域,手速快,很重要。

“小”是未来航天发展的题眼。

为什么要做小卫星?我一直认为航天的发展趋势和计算机行业很相似。计算机行业在过去的时间里,一直在把产品做的越来越小。因为只有把PC做的足够小和便宜,才能更快的被个人用户接受。

PC机的摩尔定律和大批软件的快速发展,带来了互联网的春天。航天领域也有自己的摩尔定律——只有把卫星体积减小、成本降低、功能提高、批量生产,天联网才可能是航天摸得到的未来场景。

商业航天的落地场景一直是全行业的痛点。而小卫星就是我们进一步落地B端市场的一个差异化切口。

科研领域是我们目前在B端市场的主要落地方向。我们之前就收到过很多科学家的反馈,希望可以进一步将低成本的消费级相机应用到科研领域。

毕竟一个低成本、能快速上天的小卫星,可以帮助原本没有足够资金、需要在“国家队”长期排队的科研机构,便宜快速的把需求打包完成。

比如这次小米手机拍摄的图片,虽然受限于手机镜头的视角,分辨率并不高。但单幅影像的覆盖范围足够大,能达到大约720*540公里。如果有大量在轨的同类相机,多角度、多分辨率、多模式、高频次的获取地球影像,并进行万亿像素地球影像的拼图,通过若干张地球的照片,合成万亿像素级别的地球全景影像,就可以在气象观测、环境预警、海洋科学、冰川极地甚至金融分析等诸多领域,为科学家提供更多的科研手段。

不过科研的市场还是不够大,更多算是一块硬骨头,我们想用农村包围城市的方式先专心把它啃下来,再慢慢去寻找更大的B端落地场景。

而相应的小卫星布局上,我们计划8月发布一颗Mini Sar 雷达卫星。不过我们想要用同级别卫星1/10的体积和1/10的成本,做出对标国际上最高指标水平的小卫星。这也就是说,同级的雷达卫星可能有几吨重、造价1亿多美金,而我们要把它做到100多公斤和几千万人民币。

作为国内第一颗即将发射的纯商业化雷达卫星,它能比当前的光学卫星获取更精准的卫星数据,帮助我们承接更多科研类、特殊行业类,以及政府类的客户需求。包括现在租用国外雷达卫星的一部分商业客户,他们的水利、城市安全等数据需求,也会很大比例转移到我们这边来。

“好”大概是最不需要解读的。国内卫星公司目前很少产生直接的竞争,大家都是选择自己擅长的一个细分领域,比如卫星制造、卫星运营、遥感、物联网、宽带通信等等。各自在不同的市场上发挥作用。

航天行业大体上还处在上升能力的搭建阶段,所以我们现在更多追求上游能力的体现,而不是全力实现所谓的商业化场景落地。

当然,不断的场景尝试和能力储备还是很有必要的。我们这次和小米一起把手机拍照的“自拍杆”伸到太空里,就是基于对C端市场的尝试与期待。

如果感兴趣的人多了,那么我们开放“太空航拍机”的网友在线付费拍照、分时租赁等服务也不是不可能,比如指定拍摄地球上的台风、火山喷发的场景等等。

毕竟在大疆没有将无人机成本降低之前,大众也是没有航拍需求的,而10年之后的现在,消费级无人机的市场已经很大了,商业航天或许也会迎来类似的消费级市场爆发。

不过从商业航天整体市场发展来说,无论C端还是B端的场景落地,确实都还处在很初期的美好畅想阶段。长期来看,包括我们在内的绝大多数卫星公司,要想具备稳定而又低成本的商业服务能力,都还有很长的一段路要走。

带着观点看商业。

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