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2020OEM机械设计技术研讨会云会议
测试测量

逐梦商业航天的星辰大海,NI与合作伙伴共同构建中国商业航天新生态

  2020年01月06日  

  从7月双曲线一号运载火箭的“一箭双星”成功发射,到12月商业公司银河航天自主研制的首颗5G低轨宽带卫星正式出厂,2019年可谓中国商业航天产业的“大年”!据不完全统计,全球卫星发射需求总量超过4。8万颗,中国对卫星发射的需求量亦超过4300颗。但实际上,目前全球正常在轨运行的卫星仅有2000余颗。显然,在“国家队”航天探索之外,商业航天的市场潜力不可忽视,且正在进入高速建设的发展时期!

  商业航天蓬勃发展,离不开整体供应链市场与航天系统的变革。在传统航天系统中,50%的投资在于运营和维护,而在新航天系统中,2/3的成本在于开发、生产和测试。在加入了“测试”的新玩法之后,商业航天产业如何推进与落地?又有哪些难题和挑战?航天测试领域的领导者NI(National Instruments)认为,中国商业航天市场具备特殊的优势与挑战,NI正以产业桥梁的角色连接研究机构与商业公司的紧密合作,实现更优化的资源调配与推动创新应用落地,其中包括降低测试成本与设备投入、优化基础设施管理、人才培养等合作模式,多维度开放、构建生态加速商业航天发展!

提升50%测试效率,钱学森实验室与NI联手创新

  2019年7月,“钱学森空间技术实验室-NI空间技术研究与应用联合实验室”正式揭牌成立,旨在建立一个空间技术研究与应用领域的国际化合作平台,通过科研单位与企业之间在理论研究与人才培养等方面建立长期紧密的合作,实现理论成果向技术研发和应用创新的转变!

图1:“钱学森空间技术实验室-NI空间技术研究与应用联合实验室”正式揭牌成立

  据悉,钱学森空间技术实验室着力于研究未来空间系统,专注前沿技术和应用科学,主要领域包括空间应用与空间科学,前者涵盖通信与网络、空间对立观测、空间能源需求等主题,后者则涵盖天文科学、地球科学等相关研究,并建成了包括先进激光技术、化学实验室、能源实验室、通信与网络实验室等十多个专业实验室。

  在NI年度用户大会NIDays Asia上,钱学森空间技术实验室副主任刘乃金受邀出席,并在演讲环节表示:“NI在钱学森实验室的建设过程中提供了很大的助力,如2017年我们致力于研究下一代星间、星地通信网络,基于NI成熟的硬件设备、搭建了关键的无线电通信网络信道模拟器。这一无线电通信网络信道模拟器,具有软件定义、易定制、可拓展的特点,其采用了大规模的FPGA并行计算可实现超大吞吐量以及稳定延时。得益于NI公司的大力支持,整个模拟器项目的研究,包括测试工作,足足提升了50%的效率!对此我们表示十分的感谢!”

图2:基于NI成熟硬件的无线电通信网络信号模拟器

  此外,钱学森空间技术实验室基于NI USRP硬件设备,为快速原型化无线通信系统提供了设计解决方案,并使用了NI的宽带DAQ卡和控制器来测量和分析科学实验数据,可以更快得到实验结果。“在未来,双方联合实验室还将聚焦人工智能、机器学习、微纳卫星技术、光电芯片技术等的研究、测试与开发。我相信双方还将有更多与更好的合作!”刘乃金表示。

交付质量把关,NI致力航天产品全生命周期测试验证

  众所周知,由于航空航天产品的特殊性对设计质量的要求可以说比任何一种产品都要苛刻。对于航空航天领域的测试仿真设备而言,为了实现从设计制造到实验的完整能力,一方面需考虑研制、生产、维护过程的纵向综合化发展,另一方面则是多型号装备协同保障能力的横向综合化发展,同时需要采用相同的标准软、硬件,并实现数据共享,如此才能具备较高的可信度和可维护性。

  对此,中国航发控制系统研究所部长助理/专业室主任黄学进在NIDays Asia上指出:“基于这样的趋势,中国航发控制系统研究所正在构建系统综合仿真器SIE,主要用于被测对象基于全生命周期测试与验证的完整解决方案。SIE采用通用自动测试系统架构,包括了ATE、TPS和TUA三部分,并大量使用了NI的软硬件解决方案。比如在用户界面与建模仿真中,使用的就是NI LabVIEW和VeriStand。在实时采集及控制中,则使用了NI数采、通讯等板卡硬件。通过使用NI成熟的产品,我们在生产过程极大地提高了测试效率,并降低测试的成本。”

图3:NI与中国航发控制系统研究所共同打造SIE系统综合仿真器

  事实上,SIE系统的目标研究方向涉及到了实时数采、故障注入、接口适配、信号调理、人机交互与视景仿真等多个核心技术。通过构建SIE系统,可助力产品全生命周期的测试与验证,包括需求定义的模型在环、快速原型,工程端的开环测试、部件测试和闭环仿真,交付端的检验和维护等等,可帮助研发人员对在研产品进行各种类型充分的测试和验证,消除缺陷和风险,最大程度保障产品的交付质量。黄学进表示:“产品的可行度挑战是航空航天产品的关键,我们将与NI协同合作、致力创新,紧跟技术发展的趋势,为客户提供专业的技术服务。”

助力产业链起飞,上海交大与NI攻坚航空发动机测试挑战

  关于航空发动机的测试,往往受限于设计理论与模型、材料与制造工艺、试验与仿真、标准与计量等技术基础,使得其在性能、可靠性与耐久性等测试方向上面临很大的挑战!目前,上海交通大学航空发动机研究院正联合NI,通过产学研合作的方式来应对这一挑战,致力于支撑航空发动机领域的OEM厂商、相关试航审定单位等产业链上下游,提供结构完整性与可靠性等验证服务。

  “为了达成对航空发动机的测试目标,研究院与NI已建成了关键的测试与验证平台。”上海交通大学欧阳华博士称,“基于NI的适用于航空发动机压气机测量的测控系统与分析软件的完善性,这一测试项目运用了NI的数据采集系统与分析系统,来帮助完成关键的压气机测试。”从压气机的测试特性来讲,首先要测试压气机空气动力学的综合特性曲线。为了得出这一条曲线,需要先采集压力、温度、应力、流量等参数,同时还要考虑台架等设施装备的可靠运行,如振动特性。整体而言,除了传感器的测试,更有海量的通道信号测试,所有信号还需实时处理,在这一过程中,稳态和动态的相关测试信号超过了800个!

  举个例子,基于NI PXIe 1085的采集系统,需配合PXIe 4499板卡实现动态压力测量、PXIe 4353进行高精度温度测量、PXIe 4419用于台架振动应力信号采集,以及使用LabVIEW完成系统搭建等,毫无疑问是一个非常复杂的测试方案!“得益于与NI的紧密合作,最后实现了测试系统的进一步完善、可靠性和准确性进一步提高,我们十分感谢NI帮助上海交通大学构建这样一套切实可行的基础研究方案,并期待更多的合作!”

图4:上海交通大学航空发动机研究院采用的NI PXIe 1085采集系统

以测试提速研发量产,NI支持长光卫星“百星发射”规划!

  除了上述研究机构的合作,NI与商业航天公司同样拥有深度合作,其中与新兴商业航天公司长光卫星的合作就是NI在中国市场的关键布局。2019年初,NI与长光卫星正式签署战略合作协议,开展在商用航空航天领域的全面合作!当然,双方早期的合作还得从“吉林一号”组星说起。

图5:NI与长光卫星签署战略合作协议

  “吉林一号”组星是由中国第一家商业遥感卫星公司长光卫星研制与运营,开创了中国商业卫星应用的先河,是中国第一颗自主研发的商用高分辨率遥感卫星,中国第一颗自主研发的“星载一体化”商用卫星,中国第一颗自主研发的米级高清动态视频卫星,也是中国第一次以灵巧方式在轨成功成像,国产CMOS第一次在轨技术验证。而NI的测试设备在“吉林一号”的研制过程中发挥了重要的作用,包括卫星单机测试、桌面飞行试验等关键项目。基于NI灵活的软硬件平台,提高了长光卫星测试系统的集成性和开发效率,NI助力“吉林一号”卫星从地面测试到发射升空仅需8个月的时间,大大缩短了研发周期。据悉,长光卫星计划在2020年前完成在轨运行60颗卫星,并在2030年实现138颗卫星的发射任务,NI也将持续支持长光卫星实现“百星发射”的任务与规划!

  正如NI航空航天及国防军工事业部总经理/全球副总裁Luke Schreier先生所说:“致力于通过技术的创新和可靠的软硬件平台,NI提供了覆盖从卫星产品研制到应用的整个生命周期完整测试解决方案,旨在提高测试效率,消减日益增长的测试支出,从而提高商业航天企业的市场竞争力!”

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