從7月雙曲線一號運載火箭的“一箭雙星”成功發(fā)射，到12月商業(yè)公司銀河航天自主研制的首顆5G低軌寬帶衛(wèi)星正式出廠，2019年可謂中國商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的“大年”！據(jù)不完全統(tǒng)計，全球衛(wèi)星發(fā)射需求總量超過4.8萬顆，中國對衛(wèi)星發(fā)射的需求量亦超過4300顆。但實際上，目前全球正常在軌運行的衛(wèi)星僅有2000余顆。顯然，在“國家隊”航天探索之外，商業(yè)航天的市場潛力不可忽視，且正在進入高速建設(shè)的發(fā)展時期！
商業(yè)航天蓬勃發(fā)展，離不開整體供應(yīng)鏈?zhǔn)袌雠c航天系統(tǒng)的變革。在傳統(tǒng)航天系統(tǒng)中，50%的投資在于運營和維護，而在新航天系統(tǒng)中，2/3的成本在于開發(fā)、生產(chǎn)和測試。在加入了“測試”的新玩法之后，商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)如何推進與落地？又有哪些難題和挑戰(zhàn)？航天測試領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者NI（National Instruments）認(rèn)為，中國商業(yè)航天市場具備特殊的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，NI正以產(chǎn)業(yè)橋梁的角色連接研究機構(gòu)與商業(yè)公司的緊密合作，實現(xiàn)更優(yōu)化的資源調(diào)配與推動創(chuàng)新應(yīng)用落地，其中包括降低測試成本與設(shè)備投入、優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施管理、人才培養(yǎng)等合作模式，多維度開放、構(gòu)建生態(tài)加速商業(yè)航天發(fā)展！
提升50%測試效率，錢學(xué)森實驗室與NI聯(lián)手創(chuàng)新
2019年7月，“錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室-NI空間技術(shù)研究與應(yīng)用聯(lián)合實驗室”正式揭牌成立，旨在建立一個空間技術(shù)研究與應(yīng)用領(lǐng)域的國際化合作平臺，通過科研單位與企業(yè)之間在理論研究與人才培養(yǎng)等方面建立長期緊密的合作，實現(xiàn)理論成果向技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變！
圖1：“錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室-NI空間技術(shù)研究與應(yīng)用聯(lián)合實驗室”正式揭牌成立
據(jù)悉，錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室著力于研究未來空間系統(tǒng)，專注前沿技術(shù)和應(yīng)用科學(xué)，主要領(lǐng)域包括空間應(yīng)用與空間科學(xué)，前者涵蓋通信與網(wǎng)絡(luò)、空間對立觀測、空間能源需求等主題，后者則涵蓋天文科學(xué)、地球科學(xué)等相關(guān)研究，并建成了包括先進激光技術(shù)、化學(xué)實驗室、能源實驗室、通信與網(wǎng)絡(luò)實驗室等十多個專業(yè)實驗室。
在NI年度用戶大會NIDays Asia上，錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室副主任劉乃金受邀出席，并在演講環(huán)節(jié)表示：“NI在錢學(xué)森實驗室的建設(shè)過程中提供了很大的助力，如2017年我們致力于研究下一代星間、星地通信網(wǎng)絡(luò)，基于NI成熟的硬件設(shè)備、搭建了關(guān)鍵的無線電通信網(wǎng)絡(luò)信道模擬器。這一無線電通信網(wǎng)絡(luò)信道模擬器，具有軟件定義、易定制、可拓展的特點，其采用了大規(guī)模的FPGA并行計算可實現(xiàn)超大吞吐量以及穩(wěn)定延時。得益于NI公司的大力支持，整個模擬器項目的研究，包括測試工作，足足提升了50%的效率！對此我們表示十分的感謝！”
圖2：基于NI成熟硬件的無線電通信網(wǎng)絡(luò)信號模擬器
此外，錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室基于NI USRP硬件設(shè)備，為快速原型化無線通信系統(tǒng)提供了設(shè)計解決方案，并使用了NI的寬帶DAQ卡和控制器來測量和分析科學(xué)實驗數(shù)據(jù)，可以更快得到實驗結(jié)果。“在未來，雙方聯(lián)合實驗室還將聚焦人工智能、機器學(xué)習(xí)、微納衛(wèi)星技術(shù)、光電芯片技術(shù)等的研究、測試與開發(fā)。我相信雙方還將有更多與更好的合作！”劉乃金表示。
交付質(zhì)量把關(guān)，NI致力航天產(chǎn)品全生命周期測試驗證
眾所周知，由于航空航天產(chǎn)品的特殊性對設(shè)計質(zhì)量的要求可以說比任何一種產(chǎn)品都要苛刻。對于航空航天領(lǐng)域的測試仿真設(shè)備而言，為了實現(xiàn)從設(shè)計制造到實驗的完整能力，一方面需考慮研制、生產(chǎn)、維護過程的縱向綜合化發(fā)展，另一方面則是多型號裝備協(xié)同保障能力的橫向綜合化發(fā)展，同時需要采用相同的標(biāo)準(zhǔn)軟、硬件，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，如此才能具備較高的可信度和可維護性。
對此，中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所部長助理/專業(yè)室主任黃學(xué)進在NIDays Asia上指出：“基于這樣的趨勢，中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所正在構(gòu)建系統(tǒng)綜合仿真器SIE，主要用于被測對象基于全生命周期測試與驗證的完整解決方案。SIE采用通用自動測試系統(tǒng)架構(gòu)，包括了ATE、TPS和TUA三部分，并大量使用了NI的軟硬件解決方案。比如在用戶界面與建模仿真中，使用的就是NI LabVIEW和VeriStand。在實時采集及控制中，則使用了NI數(shù)采、通訊等板卡硬件。通過使用NI成熟的產(chǎn)品，我們在生產(chǎn)過程極大地提高了測試效率，并降低測試的成本。”
圖3：NI與中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所共同打造SIE系統(tǒng)綜合仿真器
事實上，SIE系統(tǒng)的目標(biāo)研究方向涉及到了實時數(shù)采、故障注入、接口適配、信號調(diào)理、人機交互與視景仿真等多個核心技術(shù)。通過構(gòu)建SIE系統(tǒng)，可助力產(chǎn)品全生命周期的測試與驗證，包括需求定義的模型在環(huán)、快速原型，工程端的開環(huán)測試、部件測試和閉環(huán)仿真，交付端的檢驗和維護等等，可幫助研發(fā)人員對在研產(chǎn)品進行各種類型充分的測試和驗證，消除缺陷和風(fēng)險，最大程度保障產(chǎn)品的交付質(zhì)量。黃學(xué)進表示：“產(chǎn)品的可行度挑戰(zhàn)是航空航天產(chǎn)品的關(guān)鍵，我們將與NI協(xié)同合作、致力創(chuàng)新，緊跟技術(shù)發(fā)展的趨勢，為客戶提供專業(yè)的技術(shù)服務(wù)。”
助力產(chǎn)業(yè)鏈起飛，上海交大與NI攻堅航空發(fā)動機測試挑戰(zhàn)
關(guān)于航空發(fā)動機的測試，往往受限于設(shè)計理論與模型、材料與制造工藝、試驗與仿真、標(biāo)準(zhǔn)與計量等技術(shù)基礎(chǔ)，使得其在性能、可靠性與耐久性等測試方向上面臨很大的挑戰(zhàn)！目前，上海交通大學(xué)航空發(fā)動機研究院正聯(lián)合NI，通過產(chǎn)學(xué)研合作的方式來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，致力于支撐航空發(fā)動機領(lǐng)域的OEM廠商、相關(guān)試航審定單位等產(chǎn)業(yè)鏈上下游，提供結(jié)構(gòu)完整性與可靠性等驗證服務(wù)。
“為了達成對航空發(fā)動機的測試目標(biāo)，研究院與NI已建成了關(guān)鍵的測試與驗證平臺。”上海交通大學(xué)歐陽華博士稱，“基于NI的適用于航空發(fā)動機壓氣機測量的測控系統(tǒng)與分析軟件的完善性，這一測試項目運用了NI的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與分析系統(tǒng)，來幫助完成關(guān)鍵的壓氣機測試。”從壓氣機的測試特性來講，首先要測試壓氣機空氣動力學(xué)的綜合特性曲線。為了得出這一條曲線，需要先采集壓力、溫度、應(yīng)力、流量等參數(shù)，同時還要考慮臺架等設(shè)施裝備的可靠運行，如振動特性。整體而言，除了傳感器的測試，更有海量的通道信號測試，所有信號還需實時處理，在這一過程中，穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的相關(guān)測試信號超過了800個！
舉個例子，基于NI PXIe 1085的采集系統(tǒng)，需配合PXIe 4499板卡實現(xiàn)動態(tài)壓力測量、PXIe 4353進行高精度溫度測量、PXIe 4419用于臺架振動應(yīng)力信號采集，以及使用LabVIEW完成系統(tǒng)搭建等，毫無疑問是一個非常復(fù)雜的測試方案！“得益于與NI的緊密合作，最后實現(xiàn)了測試系統(tǒng)的進一步完善、可靠性和準(zhǔn)確性進一步提高，我們十分感謝NI幫助上海交通大學(xué)構(gòu)建這樣一套切實可行的基礎(chǔ)研究方案，并期待更多的合作！”
圖4：上海交通大學(xué)航空發(fā)動機研究院采用的NI PXIe 1085采集系統(tǒng)
以測試提速研發(fā)量產(chǎn)，NI支持長光衛(wèi)星“百星發(fā)射”規(guī)劃！
除了上述研究機構(gòu)的合作，NI與商業(yè)航天公司同樣擁有深度合作，其中與新興商業(yè)航天公司長光衛(wèi)星的合作就是NI在中國市場的關(guān)鍵布局。2019年初，NI與長光衛(wèi)星正式簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，開展在商用航空航天領(lǐng)域的全面合作！當(dāng)然，雙方早期的合作還得從“吉林一號”組星說起。
圖5：NI與長光衛(wèi)星簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議
“吉林一號”組星是由中國第一家商業(yè)遙感衛(wèi)星公司長光衛(wèi)星研制與運營，開創(chuàng)了中國商業(yè)衛(wèi)星應(yīng)用的先河，是中國第一顆自主研發(fā)的商用高分辨率遙感衛(wèi)星，中國第一顆自主研發(fā)的“星載一體化”商用衛(wèi)星，中國第一顆自主研發(fā)的米級高清動態(tài)視頻衛(wèi)星，也是中國第一次以靈巧方式在軌成功成像，國產(chǎn)CMOS第一次在軌技術(shù)驗證。而NI的測試設(shè)備在“吉林一號”的研制過程中發(fā)揮了重要的作用，包括衛(wèi)星單機測試、桌面飛行試驗等關(guān)鍵項目。基于NI靈活的軟硬件平臺，提高了長光衛(wèi)星測試系統(tǒng)的集成性和開發(fā)效率，NI助力“吉林一號”衛(wèi)星從地面測試到發(fā)射升空僅需8個月的時間，大大縮短了研發(fā)周期。據(jù)悉，長光衛(wèi)星計劃在2020年前完成在軌運行60顆衛(wèi)星，并在2030年實現(xiàn)138顆衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，NI也將持續(xù)支持長光衛(wèi)星實現(xiàn)“百星發(fā)射”的任務(wù)與規(guī)劃！
正如NI航空航天及國防軍工事業(yè)部總經(jīng)理/全球副總裁Luke Schreier先生所說：“致力于通過技術(shù)的創(chuàng)新和可靠的軟硬件平臺，NI提供了覆蓋從衛(wèi)星產(chǎn)品研制到應(yīng)用的整個生命周期完整測試解決方案，旨在提高測試效率，消減日益增長的測試支出，從而提高商業(yè)航天企業(yè)的市場競爭力！”
