一吨以下的卫星被称为现代微小卫星或是微纳卫星。它不仅更精巧、具备更高的集成度，而且成本很低。同时，微小卫星可以在天上组成一个网络，彼此之间能够通信、互联，实现信息的交互。什么是微小卫星？如何让力星飞的时间更长？光谱微纳卫星有哪些故事？

出品：格致论道讲坛

以下内容为中科院微小卫星创新研究院微纳卫星研究所所长陈宏宇演讲实录：

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，也就是年，我毕业了，到现在是年，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，我尝试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。

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。

从高轨千米到中轨卫星，包括北斗的MEO卫星我也参与过。

还有千米的，甚至最低的千米的，最低的千米的，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。这种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。

卫星的本质是一个工具，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，卫星可以做的更智能、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。

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)/r。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。

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多米拍到的另外一张照片（上图右），上面有两台相机。

拍第一张照片的时候真的很兴奋，因为自己的产品上去以后，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。

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呢？大家可以看一下，非常清晰。

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。

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”现在达到千米了，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多千米到一百五六十千米，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，但是到千米很快就掉下来了，它没法形成轨道飞行。

在千米的时间只有大概不到10分钟。

国外也有卫星从天上往下走，比如说欧空局的GOCE卫星，它最低飞到千米，也不敢再下了，因为下面太神秘了心里没底。

日本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。

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，现在它只飞到了多千米，还没到千米。

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，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

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