陳宏宇：把衛星做成白菜價，讓它從科學的頂峰下到尋常百姓家
點擊： 作者：陳宏宇 來源：SELF格致論道講壇 發布時間:2019-06-06 11:10:30
“論單星的功能，微小衛星和大衛星比不了，但形成一個網絡后，就像形成一個團隊一樣，它的作用可能超過大的衛星。”
陳宏宇
中科院微小衛星創新研究院 微納衛星研究所所長
20年“追星”路
大家好，我叫陳宏宇，宏偉的宏，宇宙的宇。我來自中國科學院微小衛星創新研究院，是一名航天工程師。
我走上航天這條路比較偶然。我是在哈爾濱念的書，畢業于哈爾濱工業大學九五級航天工程與力學系飛行器設計專業。
記得在高考前填報志愿的時候，我面對很多高校的各種專業，那時候信息還比較閉塞，對這些專業到底代表什么含義并不是很清楚。
當時我妹妹還在上初中，她幫我看，說：“哥哥，你就選這個，飛行器設計專業，你幫我造一個機器貓頭上那種竹蜻蜓飛行器。”我說：“好吧，就報它了。”
我父母都不知道我報了這個專業。錄取通知書下來以后，我老爸一看說：“你怎么選了這么冷門的一個專業，可能將來找不著工作。”
我說：“不管了！”，這樣我就上了大學，然后在哈工大完成了學業。
4年以后，也就是1999年，我畢業了，到現在是2019年，正好20年。這20年里中國航天的發展，我在見證，同時也在實踐。
就像我們國家的實力越來越強盛一樣，中國的航天事業也越來越繁榮，越來越昌盛。所以，在這20年中，我嘗試了很多很重要的衛星。
下面這些是我參與和負責研制的主要衛星。
參與和負責研制的主要衛星
橫著看，有我們中科院第一顆現代微小衛星“創新一號”。我從第一顆現代微小衛星的設計師開始做起，做到主任設計師、總師助理、副總師、總師，甚至總指揮兼總設計師。
豎著看，這里面代表著不同高度的衛星。不同高度的衛星，它的環境不一樣。就好比我們汽車有轎車、大巴車、越野車、工程車等，環境不一樣，車的特點也不一樣。衛星也是如此，不同高度的衛星，它的技術難度、特點也不一樣。
從高軌36000千米到中軌衛星，包括北斗的MEO衛星我也參與過，還有700千米的，甚至最低的300千米的，最低的100千米的，我都嘗試過了，所以我很自豪。
我在科學院這幾年嘗試了不同高度的地球衛星，很過癮。這種過癮是一種什么感覺呢？我想，可以用打電腦游戲那種升級闖關的感覺來描述。
做大衛星還是小衛星？
在闖關的第一步，我就面臨一個選擇，一個重大的職業選擇——是做傳統大衛星還是做現代小衛星？
大家知道這兩個概念的區別嗎？簡單地說，可以按重量來劃分。
一般來說，一噸以下的，幾十千克、幾百千克的這樣的衛星，我們可以叫現代微小衛星，或者叫微納衛星。
如果傳統大衛星有大象那么重的話，那么現代小衛星可能像一只獵豹，更靈活、更精巧。
我也做過大衛星，比如暗物質衛星、“悟空”、“墨子號”衛星前期的方案論證，這些衛星都是我們單位的小明星。
我也做過5年的北斗導航衛星的副總師，但是北斗的第一顆衛星I1-S衛星成功打上天以后，我就到院領導的辦公室去了，我是去辭職。
我說：“北斗導航隊伍也成長起來了，我們的衛星也發射成功了。但院長，我想辭去大衛星的所有職務，包括將來的報獎，我也一概不參與，我想專心做小衛星。”后來，領導同意了。
大家可能會問，為什么我這么癡迷于現代小衛星？因為在我看來，雖然大衛星功能非常強大，但小衛星有它獨有的魅力。具體來說有這么幾個方面。
首先，可以把微小衛星想象成我們將以前用的臺式機電腦升級到筆記本電腦，這樣一個升級，使它更精巧、具備更高的集成度，而且它的成本很低。
我們希望把成本做得很低，甚至我跟一些朋友開玩笑地說：“我們要把衛星做成白菜價。”
因為只有衛星的成本低了，它才能從科學的頂峰，下到尋常百姓家，讓所有人都能獲益。
通過批量生產降低成本，當然需要衛星制造符合工業化的流程，比如一些標準的模塊、標準的接口和組件。
更重要的是微小衛星在天上可以組成一個網絡，就像我們看電影《終結者》一樣，形成一個“天網”。
當然，那是一個恐怖的天網，我們要做一個和平的、為人類服務的網絡。天上的衛星彼此之間能夠通信，能夠互聯，能夠做信息的交互。
論單星的功能，微小衛星和大衛星比不了，但形成一個網絡后，就像形成一個團隊一樣，它的作用可能超過大的衛星。
我們北斗衛星現在也組成了一個網，還有很多低軌的“星座”，都提出了“星座”的概念。
此外，衛星應該更智能。
衛星的本質是一個工具，不是眾星捧月的明星，應該為人類服務，讓人更方便地使用這個工具。所以，我們想通過微小衛星實現更好地為人類服務的目的。
因為它便宜、多、快，可以不斷地迭代、升級。我們有機會在小衛星上用一些新東西，這樣，衛星可以做的更智能、更好用。
第一關：伴隨小衛星
我做好這些選擇以后，就開始做第一個“打怪升級”的項目了。它的名稱叫伴隨衛星，是咱們國家第一顆空間伴隨衛星。
SZ-7 飛船伴隨衛星
上海微小衛星工程中心
什么叫伴隨衛星呢？
一個大的航天器，比如神舟飛船，它釋放出一個小衛星，小衛星在上下前后圍著大航天器旋轉、拍攝、監測，提供監視護航等。
有人形象地把這樣一個小衛星形容成大衛星的小護士、小保鏢。這樣的衛星在我們國家之前是沒有的。
我接到這個任務以后，第一個想法是為什么它會伴隨起來呢？我曾經想，是不是萬有引力？中間一個那么重的大星，它可以把小星吸住，在萬有引力的作用下就可以繞圈飛行了？
再想想不對，萬有引力公式是F=(G×M×m)/r²。簡單估算一下，那種力是微乎其微的，不足以吸引它形成一個圓周運動。
那應該如何讓小衛星形成伴隨呢？我不斷地研究，我的碩士研究課題、博士研究課題都是圍繞這個領域完成的，包括在工程實踐中不斷地加深理解，對這件事情的認識也逐步深入。
后來，在伴隨衛星研究領域，我專門寫了一本書，就是描述空間伴隨運動。
這樣一個衛星在軌是這樣工作的。
“神舟七號”是2008年發射的，伴隨衛星放在神舟飛船的頂部，和飛船一起入軌。那次飛行的航天員乘組第一次實現航天員載人出艙。第一個出艙的是翟志剛。
衛星和飛船是獨立的，只是放在飛船的外部。航天員完成出艙活動以后，艙內的另外一個航天員景海鵬，在艙內用按鈕釋放了伴星。
這個伴星是非常智能的，它要自己保證姿態的穩定，還要將自帶的相機對準我們的飛船，而且它要選一個合適的陽照窗口。
衛星要選一個智能的陽照窗口，太陽正好照在我們的飛船上，然后去拍一系列的照片和視頻。
SZ-7伴星拍攝飛船
這是我們國家第一次在空中拍一個飛船的照片，左邊是剛剛釋放的情況。
因為我們設計了一個順光觀測，就像太陽在我身后，前面是飛船，我是伴星，這么拍攝的話，如果大家是飛船，那么大家的笑容都拍得下來，非常清晰。當然，黑色的一個塊就是伴星投射在上面的影子。
另外一個是飛到大概100多米拍到的另外一張照片（上圖右），上面有兩臺相機。
拍第一張照片的時候真的很興奮，因為自己的產品上去以后，要這么智能地完成一系列動作。當初第一張照片從天上傳下來的時候，恨不得擁抱在場所有人。
但是，現在大家看這張照片，實際上分辨率不算高，而且帆板還是有些過曝的。
因為天上的太陽非常明亮，照得表面非常亮，很難控制它的光，沒法自動測光，必須事先估算好，用公式計算出來，所以有一些偏差，心里還是有些小遺憾的。
想彌補遺憾，拍更漂亮的照片怎么辦呢？機會還是有的。
2016年的時候，又給了我們一個機會，再發一個伴星的升級版，我們叫“天宮二號”伴星。
這是伴星釋放的那一時刻，航天員用手持攝像機拍攝下來的，對他們來說，這是一個附加的任務。
當時在北京BACC飛控大廳里面，我們監視著航天員，看著他們24小時的狀態。
當時，航天員剛剛起床，襪子都沒來得及穿，然后接到一個任務，就是我們要放伴星了，讓他們試試能不能看到伴星。
接到任務后，航天員們就趕快找各種攝像機連線，然后在一個小的舷窗窗口往下拍。
航天員的素質真是非常高。伴星釋放的時候是當地的夜晚，然后過段時間到白天，剛開始是黑乎乎的，什么也看不到，航天員憑肉眼就監測到了200多米外的伴星，然后拉長焦距，一直保持著監視的狀態。
然后，通過我們國家的“天鏈”衛星將圖像傳到地面，這樣我們在現場就看到了伴星的釋放。
當然，航天員拍到我們的伴星，伴星也不能閑著，我們給伴星設計的飛行程序是“互拍”。
所以在這一時刻，伴星也調整好它的方向，把相機對著航天員整個一個大的組合體。那時，“神舟十一號”飛船和“天宮二號”已經形成一個組合體了。
伴星拍攝的照片是什么樣呢？大家可以看一下，非常清晰。
伴星拍攝的組合體可見光圖像
因為顯示的原因，實際上利用原始的分辨率放大到一兩米的話，我們可以看得非常清晰，能看到很多細節，包括外邊的一些細的電纜、管路等，都能看得清楚。
伴星上的相機是完全國產的，所以我們的國產相機比手持攝像機的效果還要好。
這是我8年前后的一個對比，我旁邊是伴星。
從“神七”伴星到“天宮二號”伴星，大家看到伴星的尺寸更小了，功能密度更高了。
衛星上的載荷，即各種相機、實驗裝置，“神七”伴星只有1個，“天宮二號”伴星裝了6臺不同的實驗裝置。
總的來說，做伴星很艱苦，但是我從中感覺到做工程和做科研不一樣。
工程會存在很多約束，比如衛星的重量、尺寸、功耗不能超標，必須有一定的安全軌道等。
工程有很多的約束，很多的限制，但它也有獨特的魅力。
有人形容“工程是戴著鐐銬的舞蹈”，你要享受在各種約束的情況下，完成最終目標的這個過程。
第二關：力星的故事
第一個衛星完成了，還挺有難度的，我們的“小野心”就一點點膨脹了。有沒有更好玩的衛星讓我們去做做？這就開始了打怪升級的第二關——關于另外一顆衛星的故事，我們叫它力星。
這張圖表示了我們頭頂空間的不同層次。
頭頂空間的不同層次
我們一般的飛機大概飛在萬米高空，10千米左右。軍用飛機可能飛得更高一些，無人機更高一些，但也就是二三十千米，不會太高，再高的話大氣比較稀薄，缺乏空氣動力，就飛不起來了。
飛艇能飛得更高，但是即使到臨界空間，基本也就是在八九十千米之內。一般的衛星飛在300千米以上。
我們感覺外太空是真空，對衛星來說，實際上還是有很多氣體分子。這些分子對衛星來說已經足夠稠密，因為它速度太快了。
第一宇宙速度是7.9千米每秒，在快速飛行的過程中，這些大氣分子的撞擊會讓衛星軌道快速地衰減。
我們的空間站“天宮”現在達到400千米了，300千米以下是沒有衛星能夠長期飛行的。
在這中間有一個區域，就是圖中（上圖）用黃色標出的，差不多70多千米到一百五六十千米，科學家叫它過渡流區。
這個空域是人類沒有涉足的一個神秘區域，里面有怎樣的空間環境，有多少分子，什么狀態，我們都不知道。很多科學家想去研究，但卻一直沒有手段進入這個區域。
國外是怎么研究的呢？國外有一種給太空旅游做準備的太空船，從地面發上去，但是到100千米很快就掉下來了，它沒法形成軌道飛行。在100千米的時間只有大概不到10分鐘。
太空船一號
國外也有衛星從天上往下走，比如說歐空局的GOCE衛星，它最低飛到250千米，也不敢再下了，因為下面太神秘了心里沒底。
GOCE衛星（歐空局）
日本2017年年底發射了一顆衛星“燕”，是探測低軌道的一個超低軌道衛星，它也很謹慎，逐漸向下走。
2017年12月到現在，有一年多了，我可以在數據庫里觀察到它的變化，現在它只飛到了300多千米，還沒到300千米。
但是，我們國家的科學家膽子很大，他們問我能不能做一顆100千米的衛星，而且要飛的時間久一些？
科學家提出“保三爭一”。保證衛星飛三圈，就心滿意足了。因為飛行三圈能得到很多數據，一圈差不多是一個半小時，三圈就是將近5個小時，能采集到全球很多的數據。
如果能“爭一”，就是爭取飛一天16圈，那就太開心了。我們說可以試試，既然是人類沒有涉足的區域，我們愿意嘗試一下。
結果接了任務以后，發現是個“大坑”，為什么呢？
看一下這枯燥的數據，400千米是我們“天宮”和國際空間站的飛行高度，它的平均大氣密度，我們關注上面的角標，是負12，如果到了110千米，是負8。
超低軌道大氣密度呈數量級增長
這意味著110千米的大氣密度是400千米的大氣密度的1萬倍以上。相當于我們從空中開著飛機開到水里了，而且還保持飛機的速度。這會帶來一系列的問題，一系列的“坑”。
衛星要解決的第一個“坑”是什么呢？
我們都體會過游泳的感覺，對會游泳的人來說很輕松，但是不會游泳的人在水里可能原地打轉，或者身體翻跟頭。
衛星也是一樣，在這么稠密的大氣中飛行，它碰到大氣的阻力是高軌衛星的1萬倍，稍有不慎就翻跟頭了。
我們當時就想，用什么辦法可以不讓衛星翻跟頭呢？
有一種常見的球類體育項目，這種球在空中飛的時候很穩定，大部分人都玩過——羽毛球。
為什么羽毛球在空中飛的時候不翻跟頭？這是有科學原理的，它的羽毛在后面，重心在前面。
我們受到了啟發，隨后做了很多仿真設計，計算了好多天，很多數據支撐我們這樣一個設計。
我們做出衛星的初始構型，但還是不夠好。沒關系，過了幾個月我們又有新的構型了。然后我們還是不斷去完善，后來又設計了第三個版本。
初始的三版構型
最后的衛星大概是這樣，這是衛星沒穿衣服“裸體”的樣子。
衛星構型
它有點不像衛星了，甚至像一個導彈，帶著翅膀，呈錐柱形，這樣的流線型設計會讓它在空中飛得更好。
這個衛星是搭載量子衛星“墨子號”發上天的。“墨子號”是主星，我們的衛星達到500千米后自己就下去了。
衛星搭載量子衛星“墨子號”上天
剛才只說到一個問題，衛星的姿態問題，其實還有一個更重要的問題——熱。
在高速飛行的時候，衛星的頭部溫度能到六七百度，這么高的溫度，衣服都燒化了。
電子元器件放到火爐里是肯定不能工作的，所以我們要解決熱的問題。
不但要跟外界的熱隔起來，里邊有很多的機械在工作，還要把內部的熱量散出去。
我們用了所有能想到的先進的方法。比如，我們現在很多手機里面用到的石墨烯，導熱很好，我們的衛星用了。
一些柔性的熱管，甚至三維的我們也用了。氣凝膠這樣的納米材料非常輕，用它隔熱，衛星上也用了。
我們甚至把消防員的衣服都研究了一遍。為什么消防員能進到火里面，因為它的衣服有一些耐熱的材料，像高硅氧布等，我們都給衛星使用了。
這樣，我們就保證衛星在軌的溫度像我們感受室溫一樣，非常舒服。
現在想起來往事不堪回首，這個衛星的設計和制造過程中遇到了太多困難。不光是剛才提到的問題，還有軌道問題。
一個航天器在天上飛的時候，有稠密的大氣。
從500千米下到100千米，日本的衛星用了一年時間，只下到了300千米，我們的衛星從500千米下到100千米只用了一天，非常快。
但衛星碰到的難題很多，沒有地面的支持，衛星必須自主識別自己的高度，它用自己的軌道的測量，看自己到什么高度了和下降的速率，一共用了4種軌道控制的方法，衛星安全降到100多千米，而且還要自己維持。
相當于在飛快前進的時候，衛星還要自己維持高度，讓自己不會很快掉下來。
這個高度如果不做軌道控制，大概2個小時就到地面了，但是我們的衛星最后在軌飛行了4天，非常成功！
這是實驗成功以后在場的所有人，穿白色衣服的是科學家，穿藍色衣服的是我們的小伙伴們——工程團隊，穿藍綠色的衣服是西安衛星測控中心的各位老師們。
實驗成功后合影
我們幾乎四天四夜沒合眼完成這個任務，但結果非常開心。
這個任務讓我們感覺到，在一個處女地去做科研容易成功。
是好奇心讓航天技術，甚至是整個科研技術不斷進步，這是它的第一驅動力。
好奇心會帶來很豐碩的成果，但是也可能會帶來很多難題，需要不斷去克服。
第三關：光譜微納衛星的故事
衛星打完了，下一關該做什么了，我們想是不是該自我超越一下？
我們做衛星將近20年了，我們自己不滿足，希望能自我超越。因為現在衛星還是太貴，研制周期太長，用戶體驗似乎也不好。
怎么能讓衛星更好呢？我們的機會來了。
2014年，我們一個院長跟我說：“我有一個非常好的相機叫高光譜相機，你幫我打上去。”
什么叫高光譜相機？我們傳統的相機，包括我們的手機基本都是用三種顏色RGB（紅綠藍）來融合一個七彩的世界。
高光譜相機是把這個世界的顏色分成了100多種，非常清晰。
用這個相機拍地面，普通相機拍到大概是這個樣子，類比一下，我們看到上面有幾塊綠色的草地，但其中有兩塊是塑料的假草地，肉眼可能分不出來，在高光譜相機下真偽立現。
普通相機與高光譜相機拍攝圖片對比
相機這么高級，我們的衛星也不能落后了，一定要做更高級的衛星。
傳統的衛星內部其實沒什么東西，挺丑的。以前的衛星里邊首先是有很多黑盒子，還有很多線，很多電纜。
我跟小伙伴們說：“不行，我們的衛星一定要做得漂漂亮亮的。”
首先把里面的殼全扒了，把里邊的電路板拿出來，整整齊齊排好隊，做好統一的機箱，做綜合電子。
甚至我要求衛星的表面不能有螺釘的凸起，要表面光滑。
衛星還需要更快地組裝，能不能像小朋友玩的樂高積木一樣，做很多標準的模塊，我們把它拼起來，拼各種各樣的衛星，生產就更快了。
通用模塊化設計
大家完成了這些任務，而且鍍了一個“土豪金”的顏色。這只完成了第一步。
衛星是個航天器，在天上要工作，跟我們的手機一樣，要好用，首先得有電。
所以，衛星要有很大的太陽能帆板，保證足夠的電力。
但是在火箭里面要做得足夠小，才能在一個火箭上裝更多的衛星。
怎么辦？我們想到了變形金剛。衛星的帆板能不能變形一下？
我們設計了用一個熱刀解鎖一個繩索，很輕柔地展開一個二維的帆板，讓衛星通過很小的收攏面積獲得更大的展開面積。
衛星帆板變形
最終，衛星在軌獲得了150瓦的能源，拍了很多很多照片。
為了控制衛星的成本，我們用了飛機上蒙皮的一種輕小的材料，但是帶來了新的問題。
為了它的真空的放氣，我們的設計師手動在板子上打了12600個小眼。
用市面能買到的最小的鉆頭，大概不到一毫米粗的鉆頭打眼，就是為了保證地面的產品能到天上使用，適應惡劣的環境。
這是帆板的一次測試，可以看到，展開是非常漂亮的。
帆板測試
這是拍到的第一張照片，是我國西藏地區。
在軌首張圖片
它是一個數據云，數據非常大，我們截取其中一個片段，跟谷歌地球比一下，同分辨率下，我們的色彩、層次感非常好。
在軌首張圖片細節對比
衛星還拍了很多照片，包括我們熟悉的上海、長三角、杭州灣、青海湖，也有國外的照片，五大洲我們都拍了個遍，把“一帶一路”上所有的國家都拍了，把我們國家拍了整整兩遍。
衛星拍攝照片
這樣的衛星還有很多應用，我們用樂高作比喻。樂高不光能組成一個玩具，衛星也不光能做成一個星。
我們用同樣的設計方法，很快，用1年時間，已經完成了“向日葵一號”的發射，“天智一號”，即大名鼎鼎的軟件定義衛星的發射，后面我們還在做量子衛星的小型版和引力波探測衛星的小型版，2020年左右就可以發射了。
當然，我們希望將來能夠做批量的生產，有工業化的思路，將來撒豆成兵的時候就有基礎了，建星網就更容易了。
5年，讓120顆衛星布滿全球
最后展示一下我的團隊。有60多位帥哥美女，他們非常單純，非常可愛，非常能干。
團隊合影
這是我們發射力星的時候，在酒泉衛星發射中心的合影。這就是我們住的宿舍樓的背后，可見是茫茫戈壁了。
我們活動的主題叫“定義未來”。未來我們做什么？
雖然連闖了三關，在航天領域，特別是微納衛星領域，我們算小有名氣，但是我們不滿足，我們覺得這只是我們的開始。
將來，我們希望可以用微納衛星，用比較低的成本去更遠的地方。
世界這么大，宇宙這么大，我們都想去看看，我們想去月亮，去火星。
我們正在研究的是到小行星帶上，找合適的小行星采礦。據說，有的小行星上可是有鉆石的。
更現實一點，我們準備用5年時間做一個“星座”，讓120顆衛星布滿全球。在北斗和GPS衛星的基礎上，用它們原始的數據我們再做進一步提高。
大家知道，現在北斗導航非常好用了。我們剛剛完成了中國第三代北斗衛星的發布，有了我們國家自己的北斗，各行各業都更加方便，但是受到技術體制（包括GPS也一樣）的限制，還是有點美中不足。
北斗的定位精度現在只到了5米左右，再往前提高比較困難。我們開車在高架橋上行駛時，有時候衛星分不清到底是在橋下面還是上面，需要人為輔助，包括車道也分不清。
所以，我們想做一個導航增強，把將來的導航定位精度從5米提高到5厘米。如果這樣的話，將來自動駕駛都不成問題了。
所以，到現在我也沒學開車，我沒有駕照，我等著自動駕駛實現的那一天！
大家對這一天有沒有期待，有沒有信心？我們5年后見。謝謝！
責任編輯：向太陽
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