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2020第二屆中國智能展覽會
測試測量

逐夢商業航天的星辰大海,NI與合作伙伴共同構建中國商業航天新生態

  2020年01月06日  

  從7月雙曲線一號運載火箭的“一箭雙星”成功發射,到12月商業公司銀河航天自主研制的首顆5G低軌寬帶衛星正式出廠,2019年可謂中國商業航天產業的“大年”!據不完全統計,全球衛星發射需求總量超過4.8萬顆,中國對衛星發射的需求量亦超過4300顆。但實際上,目前全球正常在軌運行的衛星僅有2000余顆。顯然,在“國家隊”航天探索之外,商業航天的市場潛力不可忽視,且正在進入高速建設的發展時期!

  商業航天蓬勃發展,離不開整體供應鏈市場與航天系統的變革。在傳統航天系統中,50%的投資在于運營和維護,而在新航天系統中,2/3的成本在于開發、生產和測試。在加入了“測試”的新玩法之后,商業航天產業如何推進與落地?又有哪些難題和挑戰?航天測試領域的領導者NI(National Instruments)認為,中國商業航天市場具備特殊的優勢與挑戰,NI正以產業橋梁的角色連接研究機構與商業公司的緊密合作,實現更優化的資源調配與推動創新應用落地,其中包括降低測試成本與設備投入、優化基礎設施管理、人才培養等合作模式,多維度開放、構建生態加速商業航天發展!

提升50%測試效率,錢學森實驗室與NI聯手創新

  2019年7月,“錢學森空間技術實驗室-NI空間技術研究與應用聯合實驗室”正式揭牌成立,旨在建立一個空間技術研究與應用領域的國際化合作平臺,通過科研單位與企業之間在理論研究與人才培養等方面建立長期緊密的合作,實現理論成果向技術研發和應用創新的轉變!

圖1:“錢學森空間技術實驗室-NI空間技術研究與應用聯合實驗室”正式揭牌成立

  據悉,錢學森空間技術實驗室著力于研究未來空間系統,專注前沿技術和應用科學,主要領域包括空間應用與空間科學,前者涵蓋通信與網絡、空間對立觀測、空間能源需求等主題,后者則涵蓋天文科學、地球科學等相關研究,并建成了包括先進激光技術、化學實驗室、能源實驗室、通信與網絡實驗室等十多個專業實驗室。

  在NI年度用戶大會NIDays Asia上,錢學森空間技術實驗室副主任劉乃金受邀出席,并在演講環節表示:“NI在錢學森實驗室的建設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、星地通信網絡,基于NI成熟的硬件設備、搭建了關鍵的無線電通信網絡信道模擬器。這一無線電通信網絡信道模擬器,具有軟件定義、易定制、可拓展的特點,其采用了大規模的FPGA并行計算可實現超大吞吐量以及穩定延時。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絡信號模擬器

  此外,錢學森空間技術實驗室基于NI USRP硬件設備,為快速原型化無線通信系統提供了設計解決方案,并使用了NI的寬帶DAQ卡和控制器來測量和分析科學實驗數據,可以更快得到實驗結果。“在未來,雙方聯合實驗室還將聚焦人工智能、機器學習、微納衛星技術、光電芯片技術等的研究、測試與開發。我相信雙方還將有更多與更好的合作!”劉乃金表示。

交付質量把關,NI致力航天產品全生命周期測試驗證

  眾所周知,由于航空航天產品的特殊性對設計質量的要求可以說比任何一種產品都要苛刻。對于航空航天領域的測試仿真設備而言,為了實現從設計制造到實驗的完整能力,一方面需考慮研制、生產、維護過程的縱向綜合化發展,另一方面則是多型號裝備協同保障能力的橫向綜合化發展,同時需要采用相同的標準軟、硬件,并實現數據共享,如此才能具備較高的可信度和可維護性。

  對此,中國航發控制系統研究所部長助理/專業室主任黃學進在NIDays Asia上指出:“基于這樣的趨勢,中國航發控制系統研究所正在構建系統綜合仿真器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架構,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數采、通訊等板卡硬件。通過使用NI成熟的產品,我們在生產過程極大地提高了測試效率,并降低測試的成本。”

圖3:NI與中國航發控制系統研究所共同打造SIE系統綜合仿真器

  事實上,SIE系統的目標研究方向涉及到了實時數采、故障注入、接口適配、信號調理、人機交互與視景仿真等多個核心技術。通過構建SIE系統,可助力產品全生命周期的測試與驗證,包括需求定義的模型在環、快速原型,工程端的開環測試、部件測試和閉環仿真,交付端的檢驗和維護等等,可幫助研發人員對在研產品進行各種類型充分的測試和驗證,消除缺陷和風險,最大程度保障產品的交付質量。黃學進表示:“產品的可行度挑戰是航空航天產品的關鍵,我們將與NI協同合作、致力創新,緊跟技術發展的趨勢,為客戶提供專業的技術服務。”

助力產業鏈起飛,上海交大與NI攻堅航空發動機測試挑戰

  關于航空發動機的測試,往往受限于設計理論與模型、材料與制造工藝、試驗與仿真、標準與計量等技術基礎,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!目前,上海交通大學航空發動機研究院正聯合NI,通過產學研合作的方式來應對這一挑戰,致力于支撐航空發動機領域的OEM廠商、相關試航審定單位等產業鏈上下游,提供結構完整性與可靠性等驗證服務。

  “為了達成對航空發動機的測試目標,研究院與NI已建成了關鍵的測試與驗證平臺。”上海交通大學歐陽華博士稱,“基于NI的適用于航空發動機壓氣機測量的測控系統與分析軟件的完善性,這一測試項目運用了NI的數據采集系統與分析系統,來幫助完成關鍵的壓氣機測試。”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、應力、流量等參數,同時還要考慮臺架等設施裝備的可靠運行,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,穩態和動態的相關測試信號超過了800個!

  舉個例子,基于NI PXIe 1085的采集系統,需配合PXIe 4499板卡實現動態壓力測量、PXIe 4353進行高精度溫度測量、PXIe 4419用于臺架振動應力信號采集,以及使用LabVIEW完成系統搭建等,毫無疑問是一個非常復雜的測試方案!“得益于與NI的緊密合作,最后實現了測試系統的進一步完善、可靠性和準確性進一步提高,我們十分感謝NI幫助上海交通大學構建這樣一套切實可行的基礎研究方案,并期待更多的合作!”

圖4:上海交通大學航空發動機研究院采用的NI PXIe 1085采集系統

以測試提速研發量產,NI支持長光衛星“百星發射”規劃!

  除了上述研究機構的合作,NI與商業航天公司同樣擁有深度合作,其中與新興商業航天公司長光衛星的合作就是NI在中國市場的關鍵布局。2019年初,NI與長光衛星正式簽署戰略合作協議,開展在商用航空航天領域的全面合作!當然,雙方早期的合作還得從“吉林一號”組星說起。

圖5:NI與長光衛星簽署戰略合作協議

  “吉林一號”組星是由中國第一家商業遙感衛星公司長光衛星研制與運營,開創了中國商業衛星應用的先河,是中國第一顆自主研發的商用高分辨率遙感衛星,中國第一顆自主研發的“星載一體化”商用衛星,中國第一顆自主研發的米級高清動態視頻衛星,也是中國第一次以靈巧方式在軌成功成像,國產CMOS第一次在軌技術驗證。而NI的測試設備在“吉林一號”的研制過程中發揮了重要的作用,包括衛星單機測試、桌面飛行試驗等關鍵項目。基于NI靈活的軟硬件平臺,提高了長光衛星測試系統的集成性和開發效率,NI助力“吉林一號”衛星從地面測試到發射升空僅需8個月的時間,大大縮短了研發周期。據悉,長光衛星計劃在2020年前完成在軌運行60顆衛星,并在2030年實現138顆衛星的發射任務,NI也將持續支持長光衛星實現“百星發射”的任務與規劃!

  正如NI航空航天及國防軍工事業部總經理/全球副總裁Luke Schreier先生所說:“致力于通過技術的創新和可靠的軟硬件平臺,NI提供了覆蓋從衛星產品研制到應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,從而提高商業航天企業的市場競爭力!”

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