为北斗撑起“太空伞”

文/蒋金华 陈南梁

随着卫星技术在通信、空间站、深空探测等领域的深入发展，空地交流日趋频繁，急需卫星天线的大型化。在卫星（或目标飞行器）上装载大型可展开空间天线是实现这一目标的唯一途径。

可展开空间天线的关键材料之一是一种轻质、柔软、强度高、结构稳定、波长适应性强、反射率高、展开可靠性强的经编金属网。由于制作金属网的金属丝极细，且经编织造极为困难，之前只有美国、俄罗斯、日本等发达国家掌握这项技术，但禁止出口其产品。

空间天线的核心

2018年5月21日，我国在西昌卫星发射中心用长征四号丙运载火箭，成功将探月工程嫦娥四号任务鹊桥号中继星发射升空。鹊桥号中继星是人类历史上第一颗地球轨道外专用中继通信卫星。

由于月球的自转和公转周期相同，导致它只有一面对着地球，我们在地球上永远没法直接看到月球背面。而嫦娥四号的着陆器和月球车，要在我们看不见的月球背面着陆。只有先架好了“鹊桥”，待嫦娥四号到了月球背面后，才不会跟我们失去联系。因此，鹊桥号中继星是地面和月球背面之间的通信桥梁。

北斗卫星导航系统是我国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，与美国的全球定位系统、俄罗斯的格洛纳斯、欧洲的伽利略定位系统并称为全球四大卫星导航系统。2020年6月23日，北斗三号最后一颗全球组网卫星发射升空，标志着中国北斗卫星导航系统全面建成。太空中几十颗导航卫星像一颗颗棋子，精准分布在地球不同轨道，昼夜不停地绕地球运转，为我国和全球其他国家用户提供高质量的通信定位服务。

鹊桥号中继星和北斗卫星等空间通信卫星都有共同的关键部件——可展开网状天线反射面，它发挥着远距离反射电磁波信号的作用。可展开网状天线反射面是大型及超大型可展开空间天线最重要的结构，它就像一把伞一样，在发射过程中是收起的，进入太空后将适时打开。

其中，金属网是空间天线反射电磁波的关键部件和星载网状天线的基础材料。但长期以来，我国星载天线金属网主要靠进口，怎样才能突破技术壁垒，不再受制于人？

坚持“纺织智造”

如今，在东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心实验室里，就有一把特别的“伞”：它既不挡雨也不遮阳，特殊的伞骨支撑着一层薄薄的黄色金属网。

实际上，这款特别的“伞”在我国北斗导航卫星、移动通信卫星等多个系列空间卫星中发挥了至关重要的作用，不仅开创了我国卫星采用自主研发金属网天线的历史，还在柔性天线关键产品国产化进程中发挥了里程碑式的作用，为国产金属网在轨应用奠定了坚实的基础。

从2008年开始，东华大学陈南梁教授及其团队与相关研究所携手，踏上了一条“国家航天使命必达”的攻关路。陈南梁团队始终秉持“纺织智造，纺织强国”的科学信念，不断突破技术壁垒，并真正实现了国产化。

以往的天线采用的多是铝合金等传统金属材质的材料，其密度大、硬度高，无法在太空中收放自如。那么，有没有一种材料能够让卫星天线轻便、强韧又性能稳定？

科研团队在实验室

在反复试验中，团队人员发现：镀金钼丝材料具有高强度、低热膨胀系数、高反射率等特性，是用于制造空间可展开网状天线反射面的绝佳选择。

但是，用镀金钼丝制作金属网并不简单，因为金属网既要足够强韧以承受发射飞行的外力，还要柔软可编以在太空中易收易展。对团队来说，要想获得“刚柔并济”的金属网，就少不了经编技术。

纺织通常是经纬线十字交叉（衬衫织物的结构），而经编则是像织毛衣一样，将纱线弯曲成圈并相互穿套形成织物。在生产网眼织物时，与其他的生产技术相比，经编技术更胜一筹：生产的网眼结构延伸性更好，也更稳定、牢固，更适合于反射面的折叠展开，以及卫星在恶劣的太空环境下“生存”。

不断试错，自主研发

由于镀金钼丝原料的特殊性，市面上并没有专门的生产工艺和设备，为此，陈南梁带着团队骨干一头扎进全国四大经编基地之一——常州，与企业技术人员一同“猫”在厂房里，创新生产方法和改造工艺设备。

自主创新从来就没有捷径，用研究团队自己的话说，他们一直在“摸着石头过河”，常常发现“实验失败是再正常不过的事了”。有一次，由于钼丝太细，肉眼很难察觉，工人在操作时一不小心把所有丝线都弄断了。这可急坏了整个研究团队，“咬咬牙，或许下次就能成功”，于是全体成员齐上阵，通宵赶工。终于，及时修补了第一批样品。

经过坚持不懈的科研攻关，团队采用极细金属丝合股及经编技术，实现了极细镀金钼丝纤维（仅有头发丝1/4细）合股加捻的技术突破，且设计制造出专用的并线、整经和经编设备，设计出全套生产工艺。

这一系列的技术和工艺突破，不仅顺利制造出了“刚柔并济”的卫星天线金属网，也让这把“大伞”的质量较之前减小了90%以上。最终，项目团队突破了高性能卫星大型可展开柔性天线金属网材料经编生产关键技术及产业化。

“星载天线金属网”在我国北斗导航卫星、移动通信卫星等多个系列卫星中发挥了至关重要的作用。这项成果不仅开创了中国卫星采用自主研发金属网天线的历史，还为柔性天线关键产品的国产化进程、在轨顺利应用奠定了里程碑式的基础；不仅极大提高了我国卫星的通信能力，还使我国成为继美国之后世界上第二个能够研制口径10米以上收发共用星载天线的国家。

未来，东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心仍将不断致力于高性能产业用纺织品的研发，在完善改进“天宫”系列半刚性太阳能基板、星载可展开天线金属网等应用产品的同时，积极展开平流层飞艇、可展开太空舱、空间着陆气囊等航空航天关键材料的研究，也将怀抱着“纺织强国”的信念继续砥砺前行。

原载于《科学画报》2020年第9期，本文受到上海科委2019年度“科技创新行动计划”科普领域项目资助。项目名称：“立足科创中心，传播尖端科技——打造上海重大获奖科技成果科普化融媒体专栏”；项目编号：19DZ2332600。