康国华:“小卫星”里的“大航天”

造就 2021-11-26 13:03


2021年年初,马斯克的Space X公司实施了一次商业卫星的发射任务,仅用一次发射,便将143颗卫星成功送入预定轨道,创造了历史之最。


“一箭多星”的背后,实际上有着深刻的技术变革,其中就包括微小卫星的蓬勃发展,那么,在这样一个新兴领域,我们国家的发展如何呢?


今天我们请来了来自南京航空航天大学的康国华教授,跟我们分享他在小卫星研究方面的体会和感悟。



康国华

南京航空航天大学航天学院



大家好,我是来自南京航空航天大学航天学院的康国华,很高兴能和大家分享我在小卫星研究方面的一些体会和感悟。


工作以来,我经常会遇到有人问我是做什么的,当我说我是研究卫星的时候,他们通常的反应是哇,很高大上,然后就没有然后了;但是如果我说我是研究飞机的,很多人就会很兴奋,往往可以和我聊几句,比如他玩过航模,买过大疆无人机等等。

所以,我经常会想如果卫星能像无人机、航模一样随时可以看、随时可以玩就好了,这样作为一名老师,我就可以有这样的一个东西向学生展示。


去年,网上有这样的一个视频,演示的是阿塞拜疆的无人机正在攻打亚美尼亚的阵地,人们第一次可以像直播、像电子游戏一样看到一个非常真实的战争场景。



普通老百姓可能不太理解两国之间有什么样的恩怨,但他们看完后都会觉得很震撼,原来无人机不仅仅是一个航模、一个玩具,还可以这么厉害。业内人士看到后,则认为小无人机正在改变未来的战争模式,甚至能左右战争的结果。


我们也许不能说小无人机能取代传统战斗机,但至少我们可以看到小无人机开始占据越来越重要的地位。


那么在航天的领域里,是否也有一开始我们认为不起眼的东西,但现在正在开始改变航天发展的格局呢?我认为小卫星就是这个东西。


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小卫星的前世今生


其实卫星一开始并不大,我们可以来看一下世界主要国家第一颗卫星的样子,前苏联的第一颗卫星84kg,美国8.2kg,法国42kg,日本9.4kg。即使到我们国家的“东方红一号”,虽然是后发的,虽然是所有发射卫星里面最大最重的一个,也才173kg。



其实在我们现在看来,这些卫星这样的体积和重量,都算是小卫星。


卫星诞生之后,世界各国开始认识到它的重要性,尤其是军事上的价值,于是卫星开始被拼命做大,卫星的大小一度成为衡量一个国家航天实力的标志


那么为什么卫星在诞生20年之后,又开始重新变小呢?这背后其实是技术和需求上的驱动



正如手机把计算机、导航仪、相机等等都集成到一个方寸之间,小卫星也是把大卫星的单机部件压缩进一个狭小的空间里。


这不仅仅是一个简单的“瘦身”,在它背后实际上有着非常深刻的技术变革。它借助了微电子技术、微机械技术、轻型复合材料、超精密机械加工等新兴技术,在实现小型化的同时,还提高了性能。


此外,在商业部门降低成本、科研部门经费有限、军事部门快速机动的需求推动下,传统的大卫星单机部件越做越小,进入了立方厘米为单位的空间里,这些技术都深刻改变了航天技术的生态。


概括起来,现代的小卫星是以小、快、廉、强为内涵的,它和一开始的那些单纯小的卫星已经有了本质的区别。


我们可以看到,有这样能捏在手里的芯片卫星,非常的小,可以用来研究太阳风暴;



还有这样能托在手掌心的3D卫星,虽然它小,但却运用了目前最先进的3D打印技术。



卫星做小后,给航天的发射也带来了深刻的变革。以往一个火箭发射一颗卫星,现在火箭发射卫星的数量可以是两位数,甚至三位数,实现了百星入轨,也大大提高了火箭的效费比。




2


小卫星里有大航天


卫星小了以后有什么好处呢?套用英语里面的一句名言“Small is the new big”,航天里面的小其实是另外一种大,小卫星里面我们认为有大航天。


实际上,微小卫星不仅可以实现传统大卫星的通信、导航、遥感这些功能,它的功能还更加的丰富和多样化。


世界上第一颗微小卫星诞生在英国的萨瑞大学,所以有时候我们也把微小卫星叫大学卫星。


那么,小卫星如今可以用来干什么呢?


可以用来做生物卫星,以往我们做生物实验的时候,需要借助空间站、返回式卫星等等,那么现在我们的小卫星就可以实现。


还可以把以前很难小型化的SAR(Synthetic Aperture Radar合成孔径雷达)放到小卫星上。


此外,小卫星还可以用来完成太阳帆实验,在星际里航行,甚至还可以到火星上去。前一段时间,人类在火星上第一次飞起了直升无人机,而在2018年我们人类的小卫星实际上就已经到过火星了。


还有军事部门里,我们很关注的空间对抗卫星实际上也有了。



目前,小卫星已经涵盖了从近地到深空、从民用到军用、载荷从光学一直覆盖到雷达等各种各样的维度,可以说进入到了一个百花齐放的时代。


小卫星的“小”其实并不是我们的最终目的,我们真正要探索的是如何在尝试“小”的同时实现更复杂的功能


比如说,我们可以利用小卫星探测地震。2018年我国发射的张衡卫星,其目的就是在太空里,捕捉地震来临之前发生的电磁异常现象,提前几秒预警,挽救千万人的生命。


我们还可以利用小卫星进行深空探测。哈工大发射的卫星“龙江一号”,绕月飞行,拍摄的地月合影登上了《科学》(英文:Science)杂志。


还有前面提到的SAR卫星,这种SAR卫星不管白天黑夜,都可以穿透云层进行成像。前一段时间,苏伊士运河堵船的热点事件中,我国的小SAR卫星“海丝一号”就在太空里拍到了照片,可以测量出这个船有多大。



还有我们南航的微小卫星团队,研制了我国第一颗隐身卫星“天巡一号”, 不仅可以隐身于太空,还可以对地拍照获得高清的照片。


这也是国内首次将航空里隐身的概念延伸到航天,为未来国家安全提供了新的手段。


3


小卫星里的航天精神


小卫星虽小,但其研制流程一个都不能少。在研制过程中,我们就像重走长征路,深刻体会了什么是航天精神。


给大家举个例子,下图是卫星上一个很普通的东西——电缆,用于传输能源、传输信息,但就是这么一个普通的东西,给当时我们这支大学刚毕业的研制团队上了一课,让我们体会了什么叫“航天无小事”



一开始我们认为电缆铺设没有什么难度,长度上大致量一量,位置上面有空间铺设就行,结果发现事情没那么简单。由于我们做出来的电缆太粗,使得其应力太大,最终导致电缆插不上去,插上去了又拔不下来,产生了各种各样的问题。


后来我们向航天部门学习,学习他们归零的精神,“量体裁衣”,最终做出来的电缆居然呈现出了一种特别的“美”,让人赏心悦目。


又比如,我们当时在研制卫星软件进行代码调试的时候,发现我们的软件有一段时间随时都会崩溃,当天调试好了,第二天可能又崩溃了,这种情况大概持续了两个月,我们自己都快被搞崩溃了。


后来我们用一条函数删除所有的语句,逐行逐个参数地调试,最终发现就是一个小问题,参数设置错了。


当这个参数没有设置正确的时候,我们整个卫星的浮点计算没有打开,计算量不大的时候没问题;但是当计算量很大的时候整个系统可能就这样崩溃了。

所以后来我们就给自己提出了“细中再细、万无一失、确保成功”的试验要求,并把它打印出来贴在了墙上,时刻提醒着我们“航天无小事”。


以前听老航天人讲航天精神的时候,我们总觉得那都是过去,各种条件还不太好,现在不同了,有高铁、有飞机了,应该就不会有什么苦了,但现实很快就给了我们一个下马威。


比如2010年我们去渭南做星地对接测试的时候,由于不能有电磁的干扰,我们需要扛着沉重的设备,在没有电梯的塔台里,从一楼沿着非常简陋、狭窄的梯子到七楼,然后在一个非常狭小的空间里调试软件。


虽然已是秋天,大家在里面挥汗如雨,还要忍受蚊虫的叮咬。



上图有一张我们团队在做菜的照片,由于当时我们要在外场进行长时间的试验,大学刚毕业的我们就需要学着自己做饭,有的时候甚至连这样的条件也没有,只能在试验场地吃盒饭。


那个时候,我们深刻地体会到了航天人独有的那种精神——特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献


即使在这样的环境下,我们仍然保持着乐观的精神。上面有一张照片,不是在卖萌,而是我们在完成总装的这个步骤后,队友们很开心,围绕着卫星比了一个爱心。


在发射前,我们党员还组成了塔架测试小组,在火箭点火前最后30分钟才从塔架下面撤出来,有时候我们私底下开玩笑称这个测试团队为“敢死队”。


在卫星发射前,我们还会在党旗下庄严的宣誓,那一刻我们体会到了小卫星的世界里面不仅有大航天,还有航天的大精神。


4


小卫星的大未来


小卫星的发展已有40多年,随着新技术的发展,各种新应用的层出不穷,小卫星的未来会是什么样子呢?


SpaceX的“星链”计划也许揭开了未来小卫星应用的一角。我们知道,“星链”计划想通过4.2万颗小卫星实现星基互联,打造无所不在的互联网。



现如今,小卫星已经能够凭借其成本、周期以及体积上的优势汇聚成网,不再是单打独斗,这种方式也正在改变着我们的通信和商业模式,甚至有人认为这就是下一代的6G


小卫星组网后,不仅可以让地球上每一寸土地都连上互联网,我们还能借助GPS和北斗卫星将导航的定位从“道路级”提升到“车道级”。也就是说,开车的时候用这个导航,你不但可以知道你在哪条路上,还能知道你在哪条车道上,是左拐道、中间道还是右拐道。


我们还想把所有的小卫星都装上摄像头,当然这可能会涉及隐私方面的问题。但是大家想想,若这样的一个星座建成了,如同现在每个路口都有摄像头一样,是不是能给公共区域带来前所未有的安全感?


这样的一些卫星,它们会形成海量的实时数据,通过对这些数据的挖掘,可能就会有一些新的应用诞生,也许未来,小卫星就会成为像如今的水、电、互联网一样的基础设施

不管6G是否以这样的形式到来,但我们可以看到,以微小卫星为载体的微纳航天已经开始蓬勃发展,这里面会孕育出很多新的航天产业、新的航天发展模式以及新的航天思维。


最后我想说,小卫星的未来有着无限可能,仅受你想象力的限制


未来你可以定义、定制甚至定位属于你自己的小卫星,它也许会像手机、像无人机一样深刻地改变我们人类的生活。

我希望大家能加入我们,虽然没有办法让你成为“来自星星的你”,但是我们可以让星星来自于你。


就像我们南航的校歌里唱的“效法羲和驭天马,志在长空牧群星”,让我们自己制造的小卫星在太空里闪耀吧!



编辑  | 梁蓝
版面 | 郑思琪
 



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