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作为一名航天工程师,我想把卫星做成白菜价

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本文来自公众号:“SELF格致论道讲坛”(ID:SELFtalks),原标题《把卫星做成白菜价,让它从科学的顶峰下到寻常百姓家》,作者:陈宏宇,中科院微小卫星创新研究院微纳卫星研究所所长,封面:视觉中国


“论单星的功能,微小卫星和大卫星比不了,但形成一个网络后,就像形成一个团队一样,它的作用可能超过大的卫星。”


20年“追星”路


大家好,我叫陈宏宇,宏伟的宏,宇宙的宇。我来自中国科学院微小卫星创新研究院,是一名航天工程师。


我走上航天这条路比较偶然。我是在哈尔滨念的书,毕业于哈尔滨工业大学九五级航天工程与力学系飞行器设计专业。


记得在高考前填报志愿的时候,我面对很多高校的各种专业,那时候信息还比较闭塞,对这些专业到底代表什么含义并不是很清楚。


当时我妹妹还在上初中,她帮我看,说:“哥哥,你就选这个,飞行器设计专业,你帮我造一个机器猫头上那种竹蜻蜓飞行器。”我说:“好吧,就报它了。”


我父母都不知道我报了这个专业。录取通知书下来以后,我老爸一看说:“你怎么选了这么冷门的一个专业,可能将来找不着工作。”


我说:“不管了!”这样我就上了大学,然后在哈工大完成了学业。


4年以后,也就是1999年,我毕业了,到现在是2019年,正好20年。这20年里中国航天的发展,我在见证,同时也在实践。


就像我们国家的实力越来越强盛一样,中国的航天事业也越来越繁荣,越来越昌盛。所以,在这20年中,我参与制造了很多很重要的卫星。


下面这些是我参与和负责研制的主要卫星:


                                                       参与和负责研制的主要卫星


横着看,有我们中科院第一颗现代微小卫星“创新一号”。我从第一颗现代微小卫星的设计师开始做起,做到主任设计师、总师助理、副总师、总师,甚至总指挥兼总设计师。


竖着看,这里面代表着不同高度的卫星。不同高度的卫星,它的环境不一样。就好比我们汽车有轿车、大巴车、越野车、工程车等,环境不一样,车的特点也不一样。卫星也是如此,不同高度的卫星,它的技术难度、特点也不一样。


从高轨36000千米到中轨卫星,包括北斗的MEO卫星我也参与过,还有700千米的,甚至最低的300千米的,最低的100千米的,我都尝试过了,所以我很自豪。


我在科学院这几年尝试了不同高度的地球卫星,很过瘾。过瘾是一种什么感觉呢?我想,可以用打电脑游戏那种升级闯关的感觉来描述。


做大卫星还是小卫星?


在闯关的第一步,我就面临一个选择,一个重大的职业选择——是做传统大卫星还是做现代小卫星?

大家知道这两个概念的区别吗?简单地说,可以按重量来划分。


一般来说,一吨以下的,几十千克、几百千克的这样的卫星,我们可以叫现代微小卫星,或者叫微纳卫星。


如果传统大卫星有大象那么重的话,那么现代小卫星可能像一只猎豹,更灵活、更精巧。


我也做过大卫星,比如暗物质卫星、“悟空”、“墨子号”卫星前期的方案论证,这些卫星都是我们单位的小明星。


我也做过5年的北斗导航卫星的副总师,但是北斗的第一颗卫星I1-S卫星成功打上天以后,我就到院领导的办公室去了,我是去辞职。


我说:“北斗导航队伍也成长起来了,我们的卫星也发射成功了。但院长,我想辞去大卫星的所有职务,包括将来的报奖,我也一概不参与,我想专心做小卫星。”后来,领导同意了。


大家可能会问,为什么我这么痴迷于现代小卫星?因为在我看来,虽然大卫星功能非常强大,但小卫星有它独有的魅力。具体来说有这么几个方面。


首先,可以把微小卫星想象成我们将以前用的台式机电脑升级到笔记本电脑,这样一个升级,使它更精巧、具备更高的集成度,而且它的成本很低。


我们希望把成本做得很低,甚至我跟一些朋友开玩笑地说:“我们要把卫星做成白菜价。”因为只有卫星的成本低了,它才能从科学的顶峰,下到寻常百姓家,让所有人都能获益。


通过批量生产降低成本,当然需要卫星制造符合工业化的流程,比如一些标准的模块、标准的接口和组件。更重要的是微小卫星在天上可以组成一个网络,就像我们看电影《终结者》一样,形成一个“天网”。


当然,那是一个恐怖的天网,我们要做一个和平的、为人类服务的网络。天上的卫星彼此之间能够通信,能够互联,能够做信息的交互。


论单星的功能,微小卫星和大卫星比不了,但形成一个网络后,就像形成一个团队一样,它的作用可能超过大的卫星。


我们北斗卫星现在也组成了一个网,还有很多低轨的“星座”,都提出了“星座”的概念。


此外,卫星应该更智能。


卫星本质上是工具,不是众星捧月的明星,应该为人类服务,让人更方便地使用这个工具。所以,我们想通过微小卫星实现更好地为人类服务的目的。因为它便宜、多、快,可以不断地迭代、升级。我们有机会在小卫星上用一些新东西,这样卫星可以做得更智能、更好用。


第一关:伴随小卫星


我做好这些选择以后,就开始做第一个“打怪升级”的项目了。它的名称叫伴随卫星,是咱们国家第一颗空间伴随卫星。


                                                                 SZ-7 飞船伴随卫星

                                                              上海微小卫星工程中心


什么叫伴随卫星呢?


一个大的航天器,比如神舟飞船,它释放出一个小卫星,小卫星在上下前后围着大航天器旋转、拍摄、监测,提供监视护航等。有人形象地把这样一个小卫星形容成大卫星的小护士、小保镖。这样的卫星在我们国家之前是没有的。


我接到这个任务以后,第一个想法是为什么它会伴随起来呢?我曾经想,是不是万有引力?中间一个那么重的大星,它可以把小星吸住,在万有引力的作用下就可以绕圈飞行了?


再想想不对,万有引力公式是F=(G×M×m)/r²。简单估算一下,那种力是微乎其微的,不足以吸引它形成一个圆周运动。


那应该如何让小卫星形成伴随呢?我不断地研究,我的硕士研究课题、博士研究课题都是围绕这个领域完成的,包括在工程实践中不断地加深理解,对这件事情的认识也逐步深入。


后来,在伴随卫星研究领域,我专门写了一本书,就是描述空间伴随运动。


这样一个卫星在轨是这样工作的:


“神舟七号”是2008年发射的,伴随卫星放在神舟飞船的顶部,和飞船一起入轨。那次飞行的航天员乘组第一次实现航天员载人出舱。第一个出舱的是翟志刚。


卫星和飞船是独立的,只是放在飞船的外部。航天员完成出舱活动以后,舱内的另外一个航天员景海鹏,在舱内用按钮释放了伴星。


这个伴星是非常智能的,它要自己保证姿态的稳定,还要将自带的相机对准我们的飞船,而且它要选一个合适的阳照窗口。


卫星要选一个智能的阳照窗口,太阳正好照在我们的飞船上,然后去拍一系列的照片和视频。


                                                                  SZ-7伴星拍摄飞船


这是我们国家第一次在空中拍一个飞船的照片,左边是刚刚释放的情况。


因为我们设计了一个顺光观测,就像太阳在我身后,前面是飞船,我是伴星,这么拍摄的话,如果大家是飞船,那么大家的笑容都拍得下来,非常清晰。当然,黑色的一个块就是伴星投射在上面的影子。


另外一个是飞到大概100多米拍到的一张照片(上图右),上面有两台相机。


拍第一张照片的时候真的很兴奋,因为自己的产品上天以后,要这么智能地完成一系列动作。当初第一张照片从天上传下来的时候,恨不得拥抱在场所有人。但是,现在大家看这张照片,实际上分辨率不算高,而且帆板还是有些过曝的。


因为天上的太阳非常明亮,照得表面非常亮,很难控制它的光,没法自动测光。必须事先估算好,用公式计算出来,所以有一些偏差,心里还是有些小遗憾的。


想弥补遗憾,拍更漂亮的照片怎么办呢?机会还是有的。


2016年的时候,又给了我们一个机会,再发一个伴星的升级版,我们叫“天宫二号”伴星。这是伴星释放的那一时刻,航天员用手持摄像机拍摄下来的,对他们来说,这是一个附加的任务。


当时在北京BACC飞控大厅里面,我们监视着航天员,看着他们24小时的状态。


当时,航天员刚刚起床,袜子都没来得及穿,然后接到一个任务,就是我们要放伴星了,让他们试试能不能看到伴星。接到任务后,航天员们就赶快找各种摄像机连线,然后在一个小的舷窗窗口往下拍。


航天员的素质真是非常高。伴星释放的时候是当地的夜晚,然后过段时间到白天,刚开始是黑乎乎的,什么也看不到,航天员凭肉眼就监测到了200多米外的伴星,然后拉长焦距,一直保持着监视的状态。


然后,通过我们国家的“天链”卫星将图像传到地面,这样我们在现场就看到了伴星的释放。


当然,航天员拍到我们的伴星,伴星也不能闲着,我们给伴星设计的飞行程序是“互拍”。


所以在这一时刻,伴星也调整好它的方向,把相机对着航天员整个一个大的组合体。那时,“神舟十一号”飞船和“天宫二号”已经形成一个组合体了。


伴星拍摄的照片是什么样的呢?大家可以看一下,非常清晰:


                                                               伴星拍摄的组合体可见光图像


因为显示的原因,实际上利用原始的分辨率放大到一两米的话,我们可以看得非常清晰,能看到很多细节,包括外边的一些细的电缆、管路等,都能看得清楚。


伴星上的相机是完全国产的,所以我们的国产相机比手持摄像机的效果还要好。


这是我8年前后的一个对比,我旁边是伴星:



从“神七”伴星到“天宫二号”伴星,大家看到伴星的尺寸更小了,功能密度更高了。


卫星上的载荷,即各种相机、实验装置,“神七”伴星只有1个,“天宫二号”伴星装了6台不同的实验装置。


总的来说,做伴星很艰苦,但是我从中感觉到做工程和做科研不一样。


工程会存在很多约束,比如卫星的重量、尺寸、功耗不能超标,必须有一定的安全轨道等。


工程有很多的约束,很多的限制,但它也有独特的魅力。


有人形容“工程是戴着镣铐的舞蹈”,你要享受在各种约束的情况下,完成最终目标的这个过程。


第二关:力星的故事


第一个卫星完成了,还挺有难度的,我们的“小野心”就一点点膨胀了。有没有更好玩的卫星让我们去做做?这就开始了打怪升级的第二关——关于另外一颗卫星的故事,我们叫它力星。


这张图表示了我们头顶空间的不同层次。


                                                                头顶空间的不同层次


我们一般的飞机大概飞在万米高空,10千米左右。军用飞机可能飞得更高一些,无人机更高一些,但也就是二三十千米,不会太高,再高的话大气比较稀薄,缺乏空气动力,就飞不起来了。


飞艇能飞得更高,但是即使到临界空间,基本也就是在八九十千米之内。一般的卫星飞在300千米以上。


我们感觉外太空是真空,对卫星来说,实际上还是有很多气体分子。这些分子对卫星来说已经足够稠密,因为它速度太快了。


第一宇宙速度是7.9千米每秒,在快速飞行的过程中,这些大气分子的撞击会让卫星轨道快速地衰减。


我们的空间站“天宫”现在达到400千米了,300千米以下是没有卫星能够长期飞行的。在这中间有一个区域,就是图中(上图)用黄色标出的,差不多70多千米到160千米,科学家叫它过渡流区。


这个空域是人类没有涉足的一个神秘区域,里面有怎样的空间环境,有多少分子,什么状态,我们都不知道。很多科学家想去研究,但却一直没有手段进入这个区域。


国外是怎么研究的呢?国外有一种给太空旅游做准备的太空船,从地面发上去,但是到100千米很快就掉下来了,它没法形成轨道飞行。在100千米的时间只有大概不到10分钟。


                                                                      太空船一号


国外也有卫星从天上往下走,比如说欧空局的GOCE卫星,它最低飞到250千米,也不敢再下了,因为下面太神秘了心里没底。


                                                                GOCE卫星(欧空局)


日本2017年年底发射了一颗卫星“燕”,是探测低轨道的一个超低轨道卫星,它也很谨慎,逐渐向下走。


2017年12月到现在,有一年多了,我可以在数据库里观察到它的变化,现在它只飞到了300多千米,还没到300千米。


但是,我们国家的科学家胆子很大,他们问我能不能做一颗100千米的卫星,而且要飞的时间久一些?科学家提出“保三争一”。保证卫星飞三圈,就心满意足了。因为飞行三圈能得到很多数据,一圈差不多是一个半小时,三圈就是将近5个小时,能采集到全球很多的数据。


如果能“争一”,就是争取飞一天16圈,那就太开心了。我们说可以试试,既然是人类没有涉足的区域,我们愿意尝试一下。结果接了任务以后,发现是个“大坑”,为什么呢?


看一下这枯燥的数据,400千米是我们“天宫”和国际空间站的飞行高度,它的平均大气密度,我们关注上面的角标,是负12,如果到了110千米,是负8。


                                                     超低轨道大气密度呈数量级增长


这意味着110千米的大气密度是400千米的大气密度的1万倍以上。相当于我们从空中开着飞机开到水里了,而且还保持飞机的速度。这会带来一系列的问题,一系列的“坑”。


卫星要解决的第一个“坑”是什么呢?


我们都体会过游泳的感觉,对会游泳的人来说很轻松,但是不会游泳的人在水里可能原地打转,或者身体翻跟头。


卫星也是一样,在这么稠密的大气中飞行,它碰到大气的阻力是高轨卫星的1万倍,稍有不慎就翻跟头了。


我们当时就想,用什么办法可以不让卫星翻跟头呢?


有一种常见的球类体育项目,这种球在空中飞的时候很稳定,大部分人都玩过——羽毛球。为什么羽毛球在空中飞的时候不翻跟头?这是有科学原理的,它的羽毛在后面,重心在前面。


我们受到了启发,随后做了很多仿真设计,计算了好多天,很多数据支撑我们这样一个设计。我们做出卫星的初始构型,但还是不够好。没关系,过了几个月我们又有新的构型了。然后我们还是不断去完善,后来又设计了第三个版本。


                                                          初始的三版构型


最后的卫星大概是这样,这是卫星没穿衣服“裸体”的样子。


                                                                    卫星构型


它有点不像卫星了,甚至像一个导弹,带着翅膀,呈锥柱形,这样的流线型设计会让它在空中飞得更好。这个卫星是搭载量子卫星“墨子号”发上天的。“墨子号”是主星,我们的卫星达到500千米后自己就下去了。


                                                   卫星搭载量子卫星“墨子号”上天


刚才只说到一个问题,卫星的姿态问题,其实还有一个更重要的问题——热。在高速飞行的时候,卫星的头部温度能到六七百度,这么高的温度,衣服都烧化了。


电子元器件放到火炉里是肯定不能工作的,所以我们要解决热的问题。


不但要跟外界的热隔起来,里边有很多的机械在工作,还要把内部的热量散出去。


我们用了所有能想到的先进的方法。比如,我们现在很多手机里面用到的石墨烯,导热很好,我们的卫星用了。


一些柔性的热管,甚至三维的我们也用了。气凝胶这样的纳米材料非常轻,用它隔热,卫星上也用了。


我们甚至把消防员的衣服都研究了一遍。为什么消防员能进到火里面,因为它的衣服有一些耐热的材料,像高硅氧布等,我们都给卫星使用了。


这样,我们就保证卫星在轨的温度像我们感受室温一样,非常舒服。


现在想起来往事不堪回首,这个卫星的设计和制造过程中遇到了太多困难。不光是刚才提到的问题,还有轨道问题。


一个航天器在天上飞的时候,有稠密的大气。从500千米下到100千米,日本的卫星用了一年时间,只下到了300千米,我们的卫星从500千米下到100千米只用了一天,非常快。


但卫星碰到的难题很多,没有地面的支持,卫星必须自主识别自己的高度,它用自己的轨道的测量,看自己到什么高度了和下降的速率,一共用了4种轨道控制的方法,卫星安全降到100多千米,而且还要自己维持。


相当于在飞快前进的时候,卫星还要自己维持高度,让自己不会很快掉下来。


这个高度如果不做轨道控制,大概2个小时就到地面了,但是我们的卫星最后在轨飞行了4天,非常成功!


这是实验成功以后在场的所有人,穿白色衣服的是科学家,穿蓝色衣服的是我们的小伙伴们——工程团队,穿蓝绿色的衣服是西安卫星测控中心的各位老师们。


                                                               实验成功后合影


我们几乎四天四夜没合眼完成这个任务,但结果非常开心。这个任务让我们感觉到,在一个处女地去做科研容易成功。是好奇心让航天技术,甚至是整个科研技术不断进步,这是它的第一驱动力。


好奇心会带来很丰硕的成果,但是也可能会带来很多难题,需要不断去克服。


第三关:光谱微纳卫星的故事


卫星打完了,下一关该做什么了,我们想是不是该自我超越一下?


我们做卫星将近20年了,我们自己不满足,希望能自我超越。因为现在卫星还是太贵,研制周期太长,用户体验似乎也不好。


怎么能让卫星更好呢?我们的机会来了。


2014年,我们一个院长跟我说:“我有一个非常好的相机叫高光谱相机,你帮我打上去。”什么叫高光谱相机?我们传统的相机,包括我们的手机基本都是用三种颜色RGB(红绿蓝)来融合一个七彩的世界。


高光谱相机是把这个世界的颜色分成了100多种,非常清晰。


用这个相机拍地面,普通相机拍到大概是这个样子,类比一下,我们看到上面有几块绿色的草地,但其中有两块是塑料的假草地,肉眼可能分不出来,在高光谱相机下真伪立现。


                                             普通相机与高光谱相机拍摄图片对比


相机这么高级,我们的卫星也不能落后了,一定要做更高级的卫星。传统的卫星内部其实没什么东西,挺丑的。以前的卫星里边首先是有很多黑盒子,还有很多线,很多电缆。


我跟小伙伴们说:“不行,我们的卫星一定要做得漂漂亮亮的。”


首先把里面的壳全扒了,把里边的电路板拿出来,整整齐齐排好队,做好统一的机箱,做综合电子。

甚至我要求卫星的表面不能有螺钉的凸起,要表面光滑。


卫星还需要更快地组装,能不能像小朋友玩的乐高积木一样,做很多标准的模块,我们把它拼起来,拼各种各样的卫星,生产就更快了。


                                                           通用模块化设计


大家完成了这些任务,而且镀了一个“土豪金”的颜色。这只完成了第一步。


卫星是个航天器,在天上要工作,跟我们的手机一样,要好用,首先得有电。所以,卫星要有很大的太阳能帆板,保证足够的电力。但是在火箭里面要做得足够小,才能在一个火箭上装更多的卫星。


怎么办?我们想到了变形金刚。卫星的帆板能不能变形一下?我们设计了用一个热刀解锁一个绳索,很轻柔地展开一个二维的帆板,让卫星通过很小的收拢面积获得更大的展开面积。


                                                                    卫星帆板变形


最终,卫星在轨获得了150瓦的能源,拍了很多很多照片。


为了控制卫星的成本,我们用了飞机上蒙皮的一种轻小的材料,但是带来了新的问题。


为了它的真空的放气,我们的设计师手动在板子上打了12600个小眼。


用市面能买到的最小的钻头,大概不到一毫米粗的钻头打眼,就是为了保证地面的产品能到天上使用,适应恶劣的环境。


这是帆板的一次测试,可以看到,展开是非常漂亮的。


                                                                        帆板测试


这是拍到的第一张照片,是我国西藏地区。


                                                                 在轨首张图片


它是一个数据云,数据非常大,我们截取其中一个片段,跟谷歌地球比一下,同分辨率下,我们的色彩、层次感非常好。


                                                                 卫星拍摄照片


卫星还拍了很多照片,包括我们熟悉的上海、长三角、杭州湾、青海湖,也有国外的照片,五大洲我们都拍了个遍,把“一带一路”上所有的国家都拍了,把我们国家拍了整整两遍。


这样的卫星还有很多应用,我们用乐高作比喻。乐高不光能组成一个玩具,卫星也不光能做成一个星。


我们用同样的设计方法,很快,用1年时间,已经完成了“向日葵一号”的发射,“天智一号”,即大名鼎鼎的软件定义卫星的发射,后面我们还在做量子卫星的小型版和引力波探测卫星的小型版,2020年左右就可以发射了。



当然,我们希望将来能够做批量的生产,有工业化的思路,将来撒豆成兵的时候就有基础了,建星网就更容易了。


5年,让120颗卫星布满全球


最后展示一下我的团队。有60多位帅哥美女,他们非常单纯,非常可爱,非常能干。



这是我们发射力星的时候,在酒泉卫星发射中心的合影。这就是我们住的宿舍楼的背后,可见是茫茫戈壁了。


我们活动的主题叫“定义未来”。未来我们做什么?


虽然连闯了三关,在航天领域,特别是微纳卫星领域,我们算小有名气,但是我们不满足,我们觉得这只是我们的开始。


将来,我们希望可以用微纳卫星,用比较低的成本去更远的地方。


世界这么大,宇宙这么大,我们都想去看看,我们想去月亮,去火星。


我们正在研究的是到小行星带上,找合适的小行星采矿。据说,有的小行星上可是有钻石的。更现实一点,我们准备用5年时间做一个“星座”,让120颗卫星布满全球。在北斗和GPS卫星的基础上,用它们原始的数据我们再做进一步提高。


大家知道,现在北斗导航非常好用了。我们刚刚完成了中国第三代北斗卫星的发布,有了我们国家自己的北斗,各行各业都更加方便,但是受到技术体制(包括GPS也一样)的限制,还是有点美中不足。


北斗的定位精度现在只到了5米左右,再往前提高比较困难。我们开车在高架桥上行驶时,有时候卫星分不清到底是在桥下面还是上面,需要人为辅助,包括车道也分不清。


所以,我们想做一个导航增强,把将来的导航定位精度从5米提高到5厘米。如果这样的话,将来自动驾驶都不成问题了。


到现在我也没学开车,我没有驾照,我等着自动驾驶实现的那一天!大家对这一天有没有期待,有没有信心?我们5年后见。谢谢!

 

本文来自公众号:“SELF格致论道讲坛”(ID:SELFtalks),原标题《把卫星做成白菜价,让它从科学的顶峰下到寻常百姓家》,作者:陈宏宇,中科院微小卫星创新研究院微纳卫星研究所所长

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