为北斗撑起一把“太空伞”

随着卫星技术在通信、空间站、深空探测等领域的深入发展，空地通信越来越频繁，迫切需要增大卫星天线。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重量轻、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。由于用于制作金属网的金属丝极细，经编难度极大，以前只有美国、俄罗斯、日本等发达国家掌握了这项技术，但禁止出口其产品。

2065438+2008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发射探月工程嫦娥四号任务中继星鹊桥。鹊桥中继卫星是人类历史上第一颗地球轨道外专用中继通信卫星。

因为月球的自转与公转周期相同，它只面向地球，我们永远无法从地球上直接看到月球的背面。嫦娥四号的着陆器和月球车将在我们看不到的月球背面着陆。只有先把“鹊桥”建好，嫦娥四号到了月球背面才不会和我们失去联系。所以中继星鹊桥是地面和月球背面的沟通桥梁。

北斗卫星导航系统是中国自主研发并运营的全球卫星导航系统。它与美国的全球定位系统、俄国的GLONASS、欧洲的伽利略并称为世界四大卫星导航系统。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。太空中的几十颗导航卫星，像棋子一样，精确地分布在地球的不同轨道上，昼夜不停地围绕地球旋转，为中国和世界各国的用户提供高质量的通信和定位服务。

空间通信卫星，如鹊桥中继卫星、北斗卫星，都有同一个关键部件——可展开网状天线反射器，起到远距离反射电磁信号的作用。网状可展开天线的反射面是大型和超大型可展开空间天线最重要的结构。像伞一样，发射时收起，进入太空后会及时打开。

其中，金属网是空间天线反射电磁波的关键部件，是星载网状天线的基础材料。然而，长期以来，我国卫星天线金属网主要依赖进口。怎样才能突破技术壁垒，不再受制于人？

如今，在东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心的实验室里，有一把特殊的“伞”:不遮雨不遮阳，特殊的伞骨支撑着一层薄薄的黄色金属网。

事实上，这种特殊的“保护伞”在我国北斗导航卫星、移动通信卫星等多个系列的航天卫星中都发挥了至关重要的作用。不仅创造了中国卫星金属网天线自主研发的历史，而且对柔性天线关键产品的国产化起到了里程碑式的作用，为国产金属网在轨应用奠定了坚实基础。

从2008年开始，东华大学陈南亮教授及其团队携手相关科研院所，走出了一条“国家航天任务必须实现”的攻关之路。陈南亮团队一直秉承“纺织智能强大”的科学信念，不断突破技术壁垒，真正实现国产化。

以往的天线大多采用铝合金等传统金属材料，密度大，硬度大，无法在太空中自由伸缩。那么，有没有一种材料可以让卫星天线变得轻便、坚固、稳定呢？

团队在反复实验中发现，镀金钼丝材料具有高强度、低热膨胀系数和高反射率的特点，是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容易，因为金属网既要足够结实，能承受发射飞行的外力，又要足够柔软，便于在太空中编织。对于团队来说，如果他们想要获得一种兼具刚性和柔性的金属网，经编技术是必不可少的。

纺织通常是经纱和纬纱的交叉(衬衫面料的结构)，而经编就像织毛衣一样，将纱线弯曲成圈，并相互叠加形成织物。在网状织物的生产中，经编技术优于其他生产技术:生产出的网状结构更具延展性，更稳定牢固，更适合反射面的折叠和展开，卫星在恶劣的太空环境中“存活”下来。

由于镀金钼丝原料的特殊性，市场上没有专门的生产工艺和设备。于是，陈南亮带着团队骨干一头扎进了全国四大经编基地之一的常州，和企业技术人员一起在厂里“猫”，创新生产方式，改造工艺设备。

自主创新从来没有捷径。用课题组的话说，他们一直在“摸着石头过河”，经常发现“实验失败无非是正常现象”。有一次，由于钼丝太细，肉眼无法察觉，工人在操作时不小心把所有的丝都弄断了。这可急坏了整个研究团队。“咬咬牙，说不定下次就成功了”，于是全员上阵，通宵达旦。终于及时修复了第一批样品。

经过坚持不懈的科研攻关，团队采用了超细丝绞合和经编技术，实现了超细镀金钼纤维(仅1/4细毛)绞合和加捻的技术突破，设计制造了专用并丝、整经和经编设备，设计了一整套生产工艺。

这一系列的技术和工艺突破，不仅成功制造出了一个“刚柔并济”的卫星天线金属网，还使这个“大伞”的质量减轻了90%以上。最终，项目组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。这一成果不仅创造了中国卫星采用自主研制金属网天线的历史，也为柔性天线关键产品的国产化进程及其在轨顺利应用奠定了里程碑式的基础。不仅大大提高了我国卫星的通信能力，也使我国成为继美国之后世界上第二个研制出10米以上口径星载天线的国家。

未来，东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心将继续致力于高性能产业用纺织品的研发。在完善和提高“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，积极开展平流层飞艇、可展开太空舱、空间着陆气囊等关键航天材料的研究，将带着“纺织强国”的信念继续奋进。

本文原载于《科学画报》2020年第9期，得到了上海市科委科技创新行动计划2019的支持。项目名称:“立足科技创新中心，传播前沿科技——打造上海科普成果媒体专栏”；项目编号:19DZ2332600。