商业航天工程导论

商业航天始于20世纪70年代，经过50余年的发展，在市场竞争力和技术创新等方面展现出巨大的潜力，已成为航天研发领域的重要新生力量。它继承了航天产业的求实、严谨与创新精神，更注重在低成本与灵活性间寻找新的创新空间，符合现代航天产业发展趋势，与航天产业发展市场化方向高度一致。新一代全球低轨通信卫星星座发展迅速，以星链、一网为代表的商业航天通信星座开启了卫星通信的新篇章，维珍航空、蓝色起源分别成功进行了太空飞行，拉开了国际商业航天旅行的帷幕。国际上，商业航天企业可谓一路高歌猛进，正在实现持续创新航天产品形态、不断提升产业技术能力、积极拓展应用空间的产业核心布局。国内，商业航天正处在产业化发展前期，对卫星、火箭批量化生产需求十分迫切，星箭整装、测试、发射一体化、产业化聚集已渐成趋势，逐步形成新产业化布局，积极开拓新市场，稳步开创新局面。

商业航天涵盖应用工程系统设计、卫星制造、卫星发射、卫星运营及服务、地面设备制造等环节，涉及通信、导航、遥感、空间运输、载人航天飞行、深空探测、太空采矿等领域。随着航天技术的不断创新、突破和发展，航天产业规模日益扩大，应用领域和市场前景快速扩张。以商业运载火箭、低轨互联网星座、亚轨道旅游、商业遥感等为代表的各领域得到迅速推进；特别是以星座组网的需求为牵引，卫星制造和卫星发射增长明显，卫星制造成本正在随着卫星的规模化量产而逐渐降低，低成本的卫星制造能力和发射能力正在形成，为航天产业快速发展奠定坚实基础。由此，商业航天也将进入快速发展时期。

随着商业航天的兴起，低轨卫星宽带互联网产业逐渐形成，卫星通信、导航和遥感等卫星应用产业与大数据、云计算、物联网、人工智能等新兴技术交叉融合发展，促进了时空信息服务创新，降低了时空信息服务成本，实现了时空信息服务即开即用，助力了商业航天产业应用的快速普及。小卫星需求量大幅上升，航天产业大规模“工业化”生产时代已然开启，为发展人类航天事业、探索太空新应用领域（如太空基地建设、小行星开矿、移民火星等太空工程）提供了先行性技术基础。

本书作者王洋及核心团队，在商业航天领域进行了卓有成效的创新探索，以实际行动积极参与了我国商业航天产业的发展进程。在商业卫星制造领域，已完成数颗低成本、高可靠卫星的在轨交付，并完成国内首个深度融合汽车制造和卫星制造能力的卫星超级工厂设计和建造；在星座建设领域，正在推进全球低轨导航星座和全球低轨物联星座，并同步搭建卫星商业服务平台，为卫星应用服务构建新通道、新场景；在卫星应用领域，积极推进高精度位置服务和卫星通信服务市场化融合应用，以航天技术服务于智能驾驶和广域物联网领域，进而推动未来出行服务的智能化转型升级，迎接汽车行业的变革性发展；此外还在交通、海洋、环保、应急等多领域展开应用实践，助力全行业卫星应用需求快速落地。他们以实际行动践行了航天科技为国家、社会和大众服务的核心宗旨。

《商业航天工程导论》围绕卫星工程系统、轨道与星座、卫星平台、有效载荷及各个控制分系统的组成、工作原理与设计技术、芯片筛选与设计、卫星总装集成测试及可靠性设计、卫星应用平台设计以及工程风险分析等方面论述了新技术实践及相应理论依据，并阐述了商业航天的不同领域应用，为我们呈现了一幅商业航天工程的前景蓝图。本书是作者在商业航天领域的工程经验总结，我相信这本专著的出版将会促进商业航天领域的技术创新和工程应用。我更看重的是本书全面、系统又较为深入介绍的商业航天工程理论及技术进展、工程应用及实践探索，将为当今关注商业航天领域发展的工程技术人员、管理者甚至投资者提供难能可贵的参考，为商业航天产业发展作出自己的贡献。

中国工程院院士
刘经南
2021年12月30日

1957年，人类发射了颗人造地球卫星斯普特尼克一号（Спутник1），航天正式进入人类视野，航天发展至今，影响范围不断拓展，深刻地改变了人类的生产生活方式。目前，全球共有12个国家具备航天发射能力，50多个国家拥有自己的卫星，先后有近9 000颗卫星发射升空，2 000多个航天器在轨道上正常运行，几乎所有国家都在使用空间服务。近年来，全球商业航天快速发展，有力地推动了航天技术创新，其在航天产业发展中的地位和作用日益凸显。

商业航天通过市场机制为政府及商业用户提供航天资产、产品和服务，涵盖火箭、卫星、发射场、运营及服务、地面设备制造等环节，涉及通信、导航、遥感、太空运输、载人航天飞行、深空探测等领域。

商业航天的发展催生了一批技术创新能力强大的新兴航天企业，其中的典型代表包括SpaceX、蓝色起源等公司。SpaceX通过可重复利用的火箭技术，将发射费用降低了50%；“一网”（OneWeb）公司将小卫星制造速度从每颗12~18个月，提升到了每天2颗，还与空客合作建立了卫星工厂，采用高度自动化的机器人生产线，将航空飞机的批量制造经验应用到卫星领域，将单颗卫星成本降到了50万美元；维珍银河、蓝色起源等商业航天公司也在争相进入亚轨道旅游领域，提供低至25万美元的太空旅游体验服务。

中国商业航天从2014年开始发展，比国外商业航天起步晚，但也彰显了巨大的发展潜力。中国长征火箭公司计划推出5款商业火箭产品，将通过规范生产、技术等标准，预期将发射成本降低约30%，短履约周期压缩80%左右，以进一步提升国际商业发射竞争力。商业卫星研制和运营方面，我国拥有相关企业数十家，它们都各有侧重地开始了自己的卫星研制、星座建设和运营。

为总结和提炼中国商业航天工程在系统管理科学、商用星座系统设计、卫星设计和AIT领域的新技术及应用成果，在理论和系统上揭示商业航天的基本发展规律，展示中国商业航天工程的研制成果和创新成就，本人主编了这本《商业航天工程导论》。本书的特色是源于多个航天工程实践，不仅适合从事商业航天研究、卫星设计与制造、航天应用的工程师阅读，也可作为高等院校相关专业师生的技术参考书。

《商业航天工程导论》由18章组成，以系统工程的思想进行编排，在介绍商业航天概念的基础上，以卫星工程系统，从总体级卫星设计，到逐步深入有效载荷和平台分系统的设计与试验，再回到整星系统级测试与试验，进一步介绍卫星对火箭的需求、可靠性设计、对芯片的需求，后介绍商业卫星应用平台设计与应用领域，并对工程风险进行了简要分析。其中：第1章商业航天概述，介绍了商业航天的概念与范畴、发展模式、发展规律与发展趋势等内容；第2章介绍了商业航天工程系统及其组成和各部分之间的主要关系；第3~11章详细介绍了商业卫星总体设计及各分系统的相关技术、设计、测试与试验，具体介绍了商业卫星的总体设计、轨道与星座设计、有效载荷（通信、导航、遥感、天线载荷）设计、平台各分系统（综合电子分系统、结构机构与热控分系统、能源分系统、姿轨控分系统、测控馈电一体化系统、地面测运控一体化系统）的研制；第12章介绍了商业卫星的总装、测试与试验；第13章介绍了商业卫星对火箭的要求；第14章介绍了可靠性设计与分析；第15章介绍了商业航天的芯片需求；第16和17章分别介绍了商业卫星的应用平台设计和应用领域（通信、导航、遥感）；第18章介绍了工程风险分析与控制等内容。

感谢电子科技大学朱立东教授和北京理工大学张晓敏教授在本书审校过程中提出的宝贵意见，感谢中国宇航出版社领导和相关部门在本书编写和出版过程中给予的大力支持。

由于作者水平有限，书中难免会出现错误和不妥之处，敬请读者不吝指正。

王洋

2021年11月

本书由18章组成，以系统工程的思想进行编排，在介绍商业航天的概念的基础上，以卫星工程系统从总体级卫星设计，到逐步深入有效载荷和平台分系统的设计与试验，再回到整星系统级测试与试验，进一步介绍卫星对火箭的需求、可靠性设计、对芯片的需求，后介绍商业卫星应用平台设计与应用领域，并对工程风险进行了简要分析。本书全面、系统、又较为深入介绍的商业航天工程理论及技术进展、工程应用及实践探索，将为当今关注商业航天领域发展的工程技术人员、管理者甚至投资者提供难能可贵的参考，为商业航天产业发展做出贡献。