一噸以下的衛(wèi)星被稱為現(xiàn)代微小衛(wèi)星或是微納衛(wèi)星。它不僅更精巧、具備更高的集成度，而且成本很低。同時，微小衛(wèi)星可以在天上組成一個網(wǎng)絡(luò)，彼此之間能夠通信、互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息的交互。什么是微小衛(wèi)星？如何讓力星飛的時間更長？光譜微納衛(wèi)星有哪些故事？

　　大家好，我叫陳宏宇，宏偉的宏，宇宙的宇。我來自中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)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(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)九五級航天工程與力學(xué)系飛行器設(shè)計專業(yè)。

　　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(yè)，那時候信息還比較閉塞，對這些專業(yè)到底代表什么含義并不是很清楚。

　　當(dāng)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(shè)計專業(yè)，你幫我造一個機(jī)器貓頭上那種竹蜻蜓飛行器。”

　　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(yè)，可能將來找不著工作?！?

　　4年以后，也就是1999年，我畢業(yè)了，到現(xiàn)在是2019年，正好20年。這20年里中國航天的發(fā)展，我在見證，同時也在實(shí)踐。

　　就像我們國家的實(shí)力越來越強(qiáng)盛一樣，中國的航天事業(yè)也越來越繁榮，越來越昌盛。

　　我從第一顆現(xiàn)代微小衛(wèi)星的設(shè)計師開始做起，做到主任設(shè)計師、總師助理、副總師、總師，甚至總指揮兼總設(shè)計師。

　　就好比我們汽車有轎車、大巴車、越野車、工程車等，環(huán)境不一樣，車的特點(diǎn)也不一樣。

　　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(xué)院這幾年嘗試了不同高度的地球衛(wèi)星，很過癮。這種過癮是一種什么感覺呢？

　　在闖關(guān)的第一步，我就面臨一個選擇，一個重大的職業(yè)選擇——是做傳統(tǒng)大衛(wèi)星還是做現(xiàn)代小衛(wèi)星？

　　一般來說，一噸以下的，幾十千克、幾百千克的這樣的衛(wèi)星，我們可以叫現(xiàn)代微小衛(wèi)星，或者叫微納衛(wèi)星。

　　如果傳統(tǒng)大衛(wèi)星有大象那么重的話，那么現(xiàn)代小衛(wèi)星可能像一只獵豹，更靈活、更精巧。

　　我也做過大衛(wèi)星，比如暗物質(zhì)衛(wèi)星、“悟空”、“墨子號”衛(wèi)星前期的方案論證，這些衛(wèi)星都是我們單位的小明星。

　　但是北斗的第一顆衛(wèi)星I1-S衛(wèi)星成功打上天以后，我就到院領(lǐng)導(dǎo)的辦公室去了，我是去辭職。

　　我說：“北斗導(dǎo)航隊(duì)伍也成長起來了，我們的衛(wèi)星也發(fā)射成功了。但院長，我想辭去大衛(wèi)星的所有職務(wù)，包括將來的報獎，我也一概不參與，我想專心做小衛(wèi)星?！?

　　大家可能會問，為什么我這么癡迷于現(xiàn)代小衛(wèi)星？因?yàn)樵谖铱磥?，雖然大衛(wèi)星功能非常強(qiáng)大，但小衛(wèi)星有它獨(dú)有的魅力。

　　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(wèi)星做成白菜價?！?

　　因?yàn)橹挥行l(wèi)星的成本低了，它才能從科學(xué)的頂峰，下到尋常百姓家，讓所有人都能獲益。

　　通過批量生產(chǎn)降低成本，當(dāng)然需要衛(wèi)星制造符合工業(yè)化的流程，比如一些標(biāo)準(zhǔn)的模塊、標(biāo)準(zhǔn)的接口和組件。

　　更重要的是微小衛(wèi)星在天上可以組成一個網(wǎng)絡(luò)，就像我們看電影《終結(jié)者》一樣，形成一個“天網(wǎng)”。

　　當(dāng)然，那是一個恐怖的天網(wǎng)，我們要做一個和平的、為人類服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。天上的衛(wèi)星彼此之間能夠通信，能夠互聯(lián)，能夠做信息的交互。

　　論單星的功能，微小衛(wèi)星和大衛(wèi)星比不了，但形成一個網(wǎng)絡(luò)后，就像形成一個團(tuán)隊(duì)一樣，它的作用可能超過大的衛(wèi)星。

　　我們北斗衛(wèi)星現(xiàn)在也組成了一個網(wǎng)，還有很多低軌的“星座”，都提出了“星座”的概念。

　　衛(wèi)星的本質(zhì)是一個工具，不是眾星捧月的明星，應(yīng)該為人類服務(wù)，讓人更方便地使用這個工具。

　　我做好這些選擇以后，就開始做第一個“打怪升級”的項(xiàng)目了。它的名稱叫伴隨衛(wèi)星，是咱們國家第一顆空間伴隨衛(wèi)星。

　　一個大的航天器，比如神舟飛船，它釋放出一個小衛(wèi)星，小衛(wèi)星在上下前后圍著大航天器旋轉(zhuǎn)、拍攝、監(jiān)測，提供監(jiān)視護(hù)航等。

　　有人形象地把這樣一個小衛(wèi)星形容成大衛(wèi)星的小護(hù)士、小保鏢。這樣的衛(wèi)星在我們國家之前是沒有的。

　　我接到這個任務(wù)以后，第一個想法是為什么它會伴隨起來呢？我曾經(jīng)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)/r。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(yùn)動。

　　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(lǐng)域完成的，包括在工程實(shí)踐中不斷地加深理解，對這件事情的認(rèn)識也逐步深入。

　　“神舟七號”是2008年發(fā)射的，伴隨衛(wèi)星放在神舟飛船的頂部，和飛船一起入軌。

　　航天員完成出艙活動以后，艙內(nèi)的另外一個航天員景海鵬，在艙內(nèi)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(tài)的穩(wěn)定，還要將自帶的相機(jī)對準(zhǔn)我們的飛船，而且它要選一個合適的陽照窗口。

　　衛(wèi)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。

　　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(jī)。

　　拍第一張照片的時候真的很興奮，因?yàn)樽约旱漠a(chǎn)品上去以后，要這么智能地完成一系列動作。

　　因?yàn)樘焐系奶柗浅Ｃ髁?，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。

　　2016年的時候，又給了我們一個機(jī)會，再發(fā)一個伴星的升級版，我們叫“天宮二號”伴星。

　　“九游娛樂會員有什么福利？”

　　這是伴星釋放的那一時刻，航天員用手持?jǐn)z像機(jī)拍攝下來的，對他們來說，這是一個附加的任務(wù)。

　　當(dāng)時在北京BACC飛控大廳里面，我們監(jiān)視著航天員，看著他們24小時的狀態(tài)。

　　當(dāng)時，航天員剛剛起床，襪子都沒來得及穿，然后接到一個任務(wù)，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(wù)后，航天員們就趕快找各種攝像機(jī)連線，然后在一個小的舷窗窗口往下拍。

　　伴星釋放的時候是當(dāng)?shù)氐囊雇?，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(jiān)測到了200多米外的伴星，然后拉長焦距，一直保持著監(jiān)視的狀態(tài)。

　　然后，通過我們國家的“天鏈”衛(wèi)星將圖像傳到地面，這樣我們在現(xiàn)場就看到了伴星的釋放。

　　當(dāng)然，航天員拍到我們的伴星，伴星也不能閑著，我們給伴星設(shè)計的飛行程序是“互拍”。

　　所以在這一時刻，伴星也調(diào)整好它的方向，把相機(jī)對著航天員整個一個大的組合體。

　　因?yàn)轱@示的原因，實(shí)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(xì)節(jié)，包括外邊的一些細(xì)的電纜、管路等，都能看得清楚。

　　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(wèi)星上的載荷，即各種相機(jī)、實(shí)驗(yàn)裝置，“神七”伴星只有1個，“天宮二號”伴星裝了6臺不同的實(shí)驗(yàn)裝置。

　　工程會存在很多約束，比如衛(wèi)星的重量、尺寸、功耗不能超標(biāo)，必須有一定的安全軌道等。

　　“九游娛樂會員有什么福利？”

　　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(biāo)的這個過程。

　　第一個衛(wèi)星完成了，還挺有難度的，我們的“小野心”就一點(diǎn)點(diǎn)膨脹了。有沒有更好玩的衛(wèi)星讓我們?nèi)プ鲎觯?

　　軍用飛機(jī)可能飛得更高一些，無人機(jī)更高一些，但也就是二三十千米，不會太高。

　　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(nèi)。一般的衛(wèi)星飛在300千米以上。

　　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(wèi)星軌道快速地衰減。

　　我們的空間站“天宮”現(xiàn)在達(dá)到400千米了，300千米以下是沒有衛(wèi)星能夠長期飛行的。

　　在這中間有一個區(qū)域，就是圖中（上圖）用黃色標(biāo)出的，差不多70多千米到一百五六十千米，科學(xué)家叫它過渡流區(qū)。

　　這個空域是人類沒有涉足的一個神秘區(qū)域，里面有怎樣的空間環(huán)境，有多少分子，什么狀態(tài)，我們都不知道。

　　國外有一種給太空旅游做準(zhǔn)備的太空船，從地面發(fā)上去，但是到100千米很快就掉下來了，它沒法形成軌道飛行。

　　國外也有衛(wèi)星從天上往下走，比如說歐空局的GOCE衛(wèi)星，它最低飛到250千米，也不敢再下了，因?yàn)橄旅嫣衩亓诵睦餂]底。

　　日本2017年年底發(fā)射了一顆衛(wèi)星“燕”，是探測低軌道的一個超低軌道衛(wèi)星，它也很謹(jǐn)慎，逐漸向下走。

　　2017年12月到現(xiàn)在，有一年多了，我可以在數(shù)據(jù)庫里觀察到它的變化，現(xiàn)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(xué)家膽子很大，他們問我能不能做一顆100千米的衛(wèi)星，而且要飛的時間久一些？

　　因?yàn)轱w行三圈能得到很多數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。

　　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(qū)域，我們愿意嘗試一下。

　　看一下這枯燥的數(shù)據(jù)，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。

　　相當(dāng)于我們從空中開著飛機(jī)開到水里了，而且還保持飛機(jī)的速度。這會帶來一系列的問題，一系列的“坑”。

　　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(zhuǎn)，或者身體翻跟頭。

　　衛(wèi)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(wèi)星的1萬倍，稍有不慎就翻跟頭了。

　　有一種常見的球類體育項(xiàng)目，這種球在空中飛的時候很穩(wěn)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(xué)原理的，它的羽毛在后面，重心在前面。

　　我們受到了啟發(fā)，隨后做了很多仿真設(shè)計，計算了好多天，很多數(shù)據(jù)支撐我們這樣一個設(shè)計。

　　我們做出衛(wèi)星的初始構(gòu)型，但還是不夠好。沒關(guān)系，過了幾個月我們又有新的構(gòu)型了。

　　它有點(diǎn)不像衛(wèi)星了，甚至像一個導(dǎo)彈，帶著翅膀，呈錐柱形，這樣的流線型設(shè)計會讓它在空中飛得更好。

　　這個衛(wèi)星是搭載量子衛(wèi)星“墨子號”發(fā)上天的?！澳犹枴笔侵餍?，我們的衛(wèi)星達(dá)到500千米后自己就下去了。

　　在高速飛行的時候，衛(wèi)星的頭部溫度能到六七百度，這么高的溫度，衣服都燒化了。

　　不但要跟外界的熱隔起來，里邊有很多的機(jī)械在工作，還要把內(nèi)部的熱量散出去。

　　我們用了所有能想到的先進(jìn)的方法。比如，我們現(xiàn)在很多手機(jī)里面用到的石墨烯，導(dǎo)熱很好，我們的衛(wèi)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(wèi)星上也用了。

　　為什么消防員能進(jìn)到火里面，因?yàn)樗囊路幸恍┠蜔岬牟牧?，像高硅氧布等，我們都給衛(wèi)星使用了。

　　現(xiàn)在想起來往事不堪回首，這個衛(wèi)星的設(shè)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。

　　從500千米下到100千米，日本的衛(wèi)星用了一年時間，只下到了300千米。

　　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(wèi)星安全降到100多千米，而且還要自己維持。

　　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(wèi)星最后在軌飛行了4天，非常成功！

　　穿白色衣服的是科學(xué)家，穿藍(lán)色衣服的是我們的小伙伴們——工程團(tuán)隊(duì)，穿藍(lán)綠色的衣服是西安衛(wèi)星測控中心的各位老師們。

　　2014年，我們一個院長跟我說：“我有一個非常好的相機(jī)叫高光譜相機(jī)，你幫我打上去?！?

　　什么叫高光譜相機(jī)？我們傳統(tǒng)的相機(jī)，包括我們的手機(jī)基本都是用三種顏色RGB（紅綠藍(lán)）來融合一個七彩的世界。

　　用這個相機(jī)拍地面，普通相機(jī)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。

　　傳統(tǒng)的衛(wèi)星內(nèi)部其實(shí)沒什么東西，挺丑的。以前的衛(wèi)星里邊首先是有很多黑盒子，還有很多線，很多電纜。

　　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(duì)，做好統(tǒng)一的機(jī)箱，做綜合電子。

　　衛(wèi)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(biāo)準(zhǔn)的模塊，我們把它拼起來，拼各種各樣的衛(wèi)星，生產(chǎn)就更快了。

　　我們設(shè)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(wèi)星通過很小的收攏面積獲得更大的展開面積。

　　為了控制衛(wèi)星的成本，我們用了飛機(jī)上蒙皮的一種輕小的材料，但是帶來了新的問題。

　　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(chǎn)品能到天上使用，適應(yīng)惡劣的環(huán)境。

　　它是一個數(shù)據(jù)云，數(shù)據(jù)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。

　　衛(wèi)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。

　　這樣的衛(wèi)星還有很多應(yīng)用，我們用樂高作比喻。樂高不光能組成一個玩具，衛(wèi)星也不光能做成一個星。

　　我們用同樣的設(shè)計方法，很快，用1年時間，已經(jīng)完成了“向日葵一號”的發(fā)射，“天智一號”，即大名鼎鼎的軟件定義衛(wèi)星的發(fā)射。

　　后面我們還在做量子衛(wèi)星的小型版和引力波探測衛(wèi)星的小型版，2020年左右就可以發(fā)射了。

　　當(dāng)然，我們希望將來能夠做批量的生產(chǎn)，有工業(yè)化的思路，將來撒豆成兵的時候就有基礎(chǔ)了，建星網(wǎng)就更容易了。

　　最后展示一下我的團(tuán)隊(duì)。有60多位帥哥美女，他們非常單純，非常可愛，非常能干。

　　這是我們發(fā)射力星的時候，在酒泉衛(wèi)星發(fā)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。

　　雖然連闖了三關(guān)，在航天領(lǐng)域，特別是微納衛(wèi)星領(lǐng)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。

　　我們正在研究的是到小行星帶上，找合適的小行星采礦。據(jù)說，有的小行星上可是有鉆石的。

　　我們剛剛完成了中國第三代北斗衛(wèi)星的發(fā)布，有了我們國家自己的北斗，各行各業(yè)都更加方便。

　　我們開車在高架橋上行駛時，有時候衛(wèi)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(dǎo)航增強(qiáng)，把將來的導(dǎo)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。