摘要：商業(yè)航天高速發(fā)展背景下，箭體/衛(wèi)星結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測面臨測控系統(tǒng)成本高、重量重、缺乏整套方案等痛點(diǎn)。本文從電子硬件工程師視角，系統(tǒng)拆解光纖光柵傳感系統(tǒng)在商業(yè)航天應(yīng)用中的三大關(guān)鍵技術(shù)——模塊化可重構(gòu)傳感架構(gòu)、微型化低成本解調(diào)技術(shù)、壓力邊界貫穿密封模塊，提供核心技術(shù)參數(shù)、實(shí)測數(shù)據(jù)及工程實(shí)現(xiàn)路徑參考。

關(guān)鍵詞：光纖布拉格光柵；商業(yè)航天；測控系統(tǒng)；模塊化；貫穿密封；微型化解調(diào)儀

一、市場背景：商業(yè)航天爆發(fā)帶來的測控新需求

近年來，中國商業(yè)航天進(jìn)入高速增長期。2025年我國商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)2.5萬億至2.8萬億元，年復(fù)合增長率保持在20%以上，產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)增至600余家。全球商業(yè)航天市場規(guī)模2025年突破7000億美元。與此同時(shí)，全球航空航天光纖傳感器市場2024年估值約409.7億美元，預(yù)計(jì)2031年將達(dá)到958.7億美元，年復(fù)合增長率13.1%。

然而，在火箭箭體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和衛(wèi)星在軌狀態(tài)感知環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)電類傳感器長期面臨三大痛點(diǎn)：

• 布線復(fù)雜：航天器內(nèi)部空間極其有限，傳統(tǒng)傳感器的大量電纜占用了寶貴的載荷空間；
• 電磁干擾：火箭發(fā)射和衛(wèi)星在軌運(yùn)行中存在強(qiáng)烈的電磁環(huán)境，傳統(tǒng)電傳感器易受干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真；
• 重量負(fù)擔(dān)：多通道測控系統(tǒng)動(dòng)輒數(shù)公斤，對(duì)于每公斤發(fā)射成本高達(dá)數(shù)萬元的商業(yè)航天而言不可忽視。

光纖布拉格光柵傳感器憑借體積小（直徑可縮至發(fā)絲級(jí)別）、抗電磁干擾、可多點(diǎn)復(fù)用、無金屬導(dǎo)線設(shè)計(jì)避免了輻照電離損傷等先天優(yōu)勢，成為航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域極具潛力的替代方案。在神舟二十一號(hào)火箭發(fā)射過程中，八十余個(gè)集成光傳感器實(shí)時(shí)傳回結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)捕捉微小形變，確保了箭體在極端載荷下的安全穩(wěn)定。

本文依托山東省中小企業(yè)創(chuàng)新提升工程，結(jié)合團(tuán)隊(duì)十余年在光纖金屬化、窗口封裝、精密焊接領(lǐng)域的技術(shù)沉淀，針對(duì)商業(yè)航天技術(shù)驗(yàn)證階段的三大痛點(diǎn)，提出一套低成本、模塊化的商業(yè)航天整體測控方案。

二、創(chuàng)新點(diǎn)一：模塊化可重構(gòu)的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1傳統(tǒng)方案的痛點(diǎn)

傳統(tǒng)FBG傳感系統(tǒng)采用“固定通道數(shù)+固定傳感器布局”的設(shè)計(jì)范式。這意味著每個(gè)新型號(hào)航天器都需要從零設(shè)計(jì)傳感方案，導(dǎo)致：

• 系統(tǒng)復(fù)用率極低
• 研發(fā)周期長（通常3-6個(gè)月）
• 定制成本高昂

2.2模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案的核心思想是將傳感系統(tǒng)拆解為獨(dú)立的功能模塊，每個(gè)模塊可獨(dú)立設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和替換。

架構(gòu)組成：

這些模塊可根據(jù)任務(wù)需求快速組合，形成適配不同航天器平臺(tái)的“傳感器積木”。在復(fù)用技術(shù)層面，波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、空分復(fù)用及其組合使單根光纖上可串聯(lián)數(shù)百個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，大幅減少了整星布線重量與穿艙接插器數(shù)量。

2.3智能感知層：埋入式光纖自感知復(fù)合材料

一個(gè)值得關(guān)注的工程方案是將FBG傳感器直接埋入碳纖維復(fù)合材料，形成厚度0.5mm至2mm的智能感知層。該智能感知層由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維）與聚合物基體（環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺）構(gòu)成，通過光纖植入和保護(hù)工藝將FBG傳感器嵌入其中，形成適用于空間環(huán)境的高靈敏、抗電磁干擾智能感知層。

該方案實(shí)現(xiàn)了傳感系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)本體的一體化融合，消除額外的傳感器安裝工序。智能感知層沿桁架桿件軸向和橫向布置，覆蓋高應(yīng)力區(qū)域和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，可精準(zhǔn)捕捉桁架在展開、折疊及承載過程中的應(yīng)變變化。通過光纖光柵解調(diào)儀器實(shí)時(shí)讀取波長變化，結(jié)合溫度補(bǔ)償和應(yīng)變轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間桁架結(jié)構(gòu)狀態(tài)和健康狀態(tài)的精準(zhǔn)評(píng)估。

三、創(chuàng)新點(diǎn)二：微型化低成本解調(diào)技術(shù)

3.1成本瓶頸在哪里

FBG傳感器的成本瓶頸歷來不在光柵本身，而在于解調(diào)系統(tǒng)。傳統(tǒng)方案依賴寬帶光源加光譜儀的配置——設(shè)備數(shù)公斤、成本數(shù)萬至數(shù)十萬元，與商業(yè)航天對(duì)成本敏感的訴求形成尖銳矛盾。

3.2兩種前沿解調(diào)方案

方案一：基于邊緣AI的低成本輕量級(jí)系統(tǒng)（Zhou et al., 2025）

Zhou等人在2025年《Optics Express》上發(fā)表的研究提出了一種基于邊緣AI的FBG解調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用可調(diào)諧激光器光源，利用門控循環(huán)單元尋峰算法在STM32微控制器上實(shí)現(xiàn)邊緣AI能力，整個(gè)系統(tǒng)集成于100×100×10 mm的緊湊電路板上。

關(guān)鍵性能指標(biāo)：

• 覆蓋整個(gè)C波段解調(diào)能力
• 監(jiān)測范圍：70 km
• 解調(diào)頻率：100 Hz
• 平均絕對(duì)誤差：9.6 pm
• 成本相比傳統(tǒng)方案降低70%以上

方案二：微型低功耗高精度FBG解調(diào)儀（Lv et al., 2025）

Lv等人在同期《Optics Express》上發(fā)表了更加激進(jìn)的微型化方案——將陣列波導(dǎo)光柵芯片、光電二極管陣列和解調(diào)電路集成于85×60×40 mm3的超小體積內(nèi)。

采用創(chuàng)新的三點(diǎn)解調(diào)技術(shù)，其關(guān)鍵性能指標(biāo)如下：

該解調(diào)儀采用查表法與插值法替代傳統(tǒng)熱電冷卻器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，顯著降低功耗和體積。

3.3成本對(duì)比分析

基于上述技術(shù)方案，一套8通道FBG解調(diào)系統(tǒng)的硬件成本可從傳統(tǒng)方案的8-12萬元降至1.5-2.5萬元，降幅達(dá)70%以上；整機(jī)重量從3-5kg降至300-500g。

3.4傳感器制備環(huán)節(jié)的成本控制

在傳感器制備環(huán)節(jié)，免熔接的開腔法布里-珀羅光纖光柵傳感器完全采用免熔接工藝，不僅大幅降低了制作成本，還提高了傳感器的穩(wěn)定性。其FP腔的開放結(jié)構(gòu)可根據(jù)應(yīng)用需求靈活填充敏感材料，實(shí)現(xiàn)氣體壓力與溫度的同時(shí)測量，進(jìn)一步降低了多參數(shù)監(jiān)測場景下的系統(tǒng)成本。

四、創(chuàng)新點(diǎn)三：壓力邊界貫穿密封模塊——基于10年工藝沉淀的標(biāo)準(zhǔn)化方案

4.1一個(gè)常被忽視的關(guān)鍵問題

光纖光柵傳感系統(tǒng)要在火箭/衛(wèi)星上實(shí)際部署，必須解決一個(gè)基礎(chǔ)問題：光纖如何穿過艙壁、貯箱等壓力邊界而不泄漏？這一問題在工程實(shí)踐中長期被低估，卻是整套方案能否落地的關(guān)鍵。

推進(jìn)劑貯箱、艙段隔離壁等壓力邊界需要滿足極高的氣密性要求——泄漏率通常要求≤1×10?? Pa·m3/s。光纖作為一種細(xì)長的玻璃介質(zhì)，要在不破壞氣密性的前提下實(shí)現(xiàn)內(nèi)外光信號(hào)傳輸，需要特殊的密封工藝。

4.2核心技術(shù)工藝：光纖金屬化+精密焊接

本方案充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)十余年在光纖金屬化、窗口封裝、精密焊接領(lǐng)域積累的工藝優(yōu)勢：

光纖金屬化：通過真空鍍膜或電鍍工藝在光纖表面沉積金屬層（通常為金、錫或合金），使原本光滑的玻璃光纖表面具備可焊接性。

精密激光焊接：將金屬化光纖與金屬密封殼體通過激光焊接實(shí)現(xiàn)氣密連接。哈工大發(fā)表的穿艙光纖連接器密封性能研究提出了高可靠雙金錫光纖密封結(jié)構(gòu)，該技術(shù)在經(jīng)歷溫度沖擊、快速壓降及高強(qiáng)度正弦振動(dòng)等極限空間環(huán)境試驗(yàn)后，光學(xué)性能和密封泄漏率均合格，能夠滿足載人航天器長期在軌使用要求。

4.3標(biāo)準(zhǔn)模塊性能指標(biāo)

基于上述工藝開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化光纖貫穿密封模塊：

首量科技推出的光纖貫通器采用裸光纖灌封密封技術(shù)，耐壓>0.8MPa，可在高真空或腐蝕性環(huán)境中實(shí)現(xiàn)容器內(nèi)外可靠的光信號(hào)傳輸。上海航天科工電器研究院申請(qǐng)的保偏光纖氣密穿艙連接器專利，通過多重密封結(jié)構(gòu)有效防止水分進(jìn)入，確保了穩(wěn)定的光學(xué)傳輸性能。

該密封模塊作為傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的標(biāo)準(zhǔn)組件，與各類傳感模塊、解調(diào)模塊共同構(gòu)成了“即插即用”的整套技術(shù)方案，徹底解決了以往用戶需自行設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)的痛點(diǎn)。

五、工程實(shí)現(xiàn)與可靠性驗(yàn)證

5.1超低溫環(huán)境驗(yàn)證

在火箭燃料貯箱等應(yīng)用場景中，F(xiàn)BG傳感器需在超低溫環(huán)境下工作。日本學(xué)者在2025年的研究中，將FBG應(yīng)變和溫度傳感器嵌入復(fù)合液氫貯箱，在超低溫和加壓環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)測驗(yàn)證，通過溫度傳感器輸出補(bǔ)償應(yīng)變傳感器的溫度漂移，驗(yàn)證了FBG在極低溫環(huán)境下的適用性。

國內(nèi)《儀器儀表學(xué)報(bào)》2025年發(fā)表的FBG在火箭低溫貯箱共底結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測研究中，構(gòu)建了基于FBG的應(yīng)變和溫度傳感網(wǎng)絡(luò)，獲得了共底結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，與低溫電阻應(yīng)變片測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性超過0.997，實(shí)現(xiàn)了極端環(huán)境下的全光纖在線測試。

5.2空間環(huán)境可靠性

Juwet等人2024年在《Sensors》期刊的研究指出，F(xiàn)BG傳感器因其輕量化特性、對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力和對(duì)電磁干擾的免疫能力，非常適合空間復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚合物試樣進(jìn)行10次真空熱調(diào)節(jié)循環(huán)模擬低地球軌道條件，嵌入式FBG的應(yīng)變測量結(jié)果與參考傳感器表現(xiàn)出極好的一致性，反射光譜未出現(xiàn)顯著退化。

六、商業(yè)航天應(yīng)用案例與產(chǎn)業(yè)進(jìn)展

6.1實(shí)際工程應(yīng)用

集成光傳感器已成功應(yīng)用于神舟二十一號(hào)等型號(hào)，實(shí)現(xiàn)了八十余個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)采集。傳感器直徑可縮至發(fā)絲級(jí)別，能直接植入復(fù)合材料內(nèi)部且不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過光信號(hào)波長變化感知應(yīng)力，不受電磁干擾，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步監(jiān)測。

中航光電科技股份有限公司的“基于光纖光柵傳感的復(fù)雜工況形變智能感知系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目，已開發(fā)出由光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)、光信號(hào)解調(diào)單元及上位機(jī)等關(guān)鍵組件構(gòu)成的形變智能感知系統(tǒng)。

6.2產(chǎn)業(yè)配套進(jìn)展

北京遙測技術(shù)研究所在2025年商業(yè)航天電子產(chǎn)品發(fā)布會(huì)上，瞄準(zhǔn)測控面臨的高成本與低兼容性兩大痛點(diǎn)，推出了20余種測控產(chǎn)品，包含低成本、測控資源更豐富的Ku天基遙測技術(shù)，重量降低40%、成本降低30%的遙測、安控一體化箭載設(shè)備。光庫科技憑借薄膜鈮酸鋰調(diào)制器和MEMS光開關(guān)等核心技術(shù)，已構(gòu)建覆蓋商業(yè)航天全產(chǎn)業(yè)鏈的“光器件帝國”，產(chǎn)品成功應(yīng)用于嫦娥探月、北斗導(dǎo)航等國家級(jí)航天工程。

七、總結(jié)與開發(fā)建議

7.1核心優(yōu)勢總結(jié)

本方案在三大維度上解決了商業(yè)航天測控系統(tǒng)的核心痛點(diǎn)：

7.2開發(fā)建議

對(duì)于正在設(shè)計(jì)商業(yè)航天測控系統(tǒng)的電子硬件工程師，建議從以下路徑切入：

第一步：選型評(píng)估

• 根據(jù)應(yīng)用場景（箭體/衛(wèi)星/貯箱）確定傳感參數(shù)需求（溫度范圍、應(yīng)變精度、通道數(shù)）
• 參考本文技術(shù)指標(biāo)，評(píng)估微型化解調(diào)儀方案的可行性

第二步：模塊化設(shè)計(jì)

• 優(yōu)先采用埋入式智能感知層方案，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與傳感一體化
• 利用波分/時(shí)分復(fù)用技術(shù)，最大化單纖傳感器部署密度

第三步：密封方案定制

• 根據(jù)艙壁材質(zhì)和壓力等級(jí)選擇合適的貫穿密封模塊規(guī)格
• 利用標(biāo)準(zhǔn)化模塊縮短開發(fā)周期，避免重復(fù)設(shè)計(jì)

第四步：可靠性驗(yàn)證

• 按照空間環(huán)境要求進(jìn)行真空熱循環(huán)、振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)
• 參考已有研究中的測試方法和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

7.3技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著超弱FBG、芯片級(jí)解調(diào)、AI智能識(shí)別等技術(shù)的持續(xù)成熟，以及壓力邊界貫穿密封等配套模塊的標(biāo)準(zhǔn)化推廣，光纖光柵有望在未來的低軌星座、可重復(fù)使用火箭、在軌服務(wù)等商業(yè)航天場景中扮演更加核心的角色。當(dāng)每一顆衛(wèi)星、每一枚火箭都真正具備“自我感知”的能力，并且整套傳感系統(tǒng)能夠以低成本、輕量化、即插即用的方式交付時(shí)，航天器將從被動(dòng)的“飛行器”進(jìn)化為主動(dòng)的“智能體”。