这个轨道非常美，非常迷人，人和地球共同设计了它

科普中国-我是科学家 2019-01-22

　　卫星发射，所有人欢呼雀跃，作为航天东方红卫星有限公司型号总体设计师的杨芳和同事们感觉这一刻就像孩子出远门儿了一样，同时他们新阶段的工作也马上开始。“在杨芳眼中，轨道体现着地球和人类对卫星的控制，为卫星设计工作带来挑战，也为卫星赋予了更多可能性。杨芳为大家带来演讲《送一颗卫星上天，帮忙关照地球家园》。

　　以下为杨芳演讲实录：

　　大家好，我叫杨芳，我是中国空间技术研究院下属航天东方红卫星公司的一名卫星总体设计师。我从事卫星总体设计工作已经快20年了，现在天上已经有好几颗我参加设计、研制和发射的卫星，未来应该还会有更多。

　　演讲嘉宾杨芳：《送一颗卫星上天，帮忙关照地球家园》

　　大家对卫星应该觉得好奇吧，是不是也觉得很高大上、很神秘？

　　01卫星是“仆人”？

　　咱们去查“科普中国”的词条，“卫星”本意是指围绕一颗行星并按闭合轨道周期性运行的天然天体。但是由于现在绕着地球运行的人造天体太多了，所以当我们说“卫星”的时候，我们通常是指“人造地球卫星”。

　　卫星的英文名词是“satellite”，它源自古拉丁词语“satelles”或者“satellitis”，含义是“an attendant or servant to a powerful master or Lord”，翻译过来就是“一个非常强大的主人的附属者或者仆人”。这个拉丁词根含义非常形象地说明了卫星的两个特点：它是仆人，所以它要为主人干活；它的主人很强大，它得听主人的。

　　02卫星的主人是谁呢？

　　卫星有两个主人。它的第一个主人就是强大的地球（the Powerful Earth）。卫星一旦发射入轨，正常时它就进入无动力飞行，它的运动轨道基本上就由地球唯一决定，因为地球与卫星之间的万有引力是它最主要的作用力，同时，地球的大气阻力、磁场，甚至地球不均匀不对称的质量分布等在一定范围内也会产生作用力，起到辅助的作用，航天术语是“摄动力”。

　　地球这个主人有多强大呢？举个例子，如果一颗卫星以一定的速度进入高度在650km以上的地球轨道，那它自己几乎就永远也掉不下来了。而如果一颗卫星离地球最近的高度小于150km，就会在一两天之内就被地球的大气拖拽回来，再也飞不起来。

　　地球不均匀不对称的质量分布所产生的作用力，则会让路过南北极的卫星轨道面每天向东运动，满足条件时这种轨道面时刻保持与太阳角度方向相同，形成太阳同步轨道。

　　卫星既然是“人造”的，它的第二个主人，当然是人类。没有人类的智慧，地球永远只有月亮这一颗卫星。我们在讲述人类航天历史的时候，都一定会提及这张片子里的伟大科学家：哥白尼（1473-1543）提出天体运行论、日心说，伽利略（1564-1642）支持日心说，发明望远镜，开普勒（1571-1630）利用望远镜通过观察得到行星运动三定律，牛顿（1642-1723）力学三定律、万有引力定律。

　　讲到人类航天的发展，不能不提这一位前苏联的天才科学家，他叫康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。他提出了宇宙第一公式，提出了液体火箭可以进入太空，提出了液氢液氧可以是理想的推进剂，提出了多级火箭——要知道他是19世纪的科学家，那时还没有“人类航天”的概念，但他的这些基本的想象和数学推导，让人类航天在工程学的意义上找到了正确的方向。

　　站在伟大科学家的肩膀上，现在我们利用中学物理课学来的牛顿万有引力定律和牛顿第二定律，就可以数学推导出卫星的运行轨道；或者也可以用开普勒行星运动三大定律，类比计算出卫星绕地球的运动规律。

　　我们可以通过卫星所受的地球引力、地球大气阻力等，来设计选择卫星绕地球运动的轨道形态特性，从而设计不同的卫星。

　　说到轨道，还有一个神奇的传说，屏幕上这个人叫Arthur Clark（阿瑟·克拉克），他是英国一个天才的科幻大师，老年以后定居在斯里兰卡。

　　1945年——你想，这时距离人类拥有卫星还有12年，因为第一颗卫星是1957年发射的——阿瑟·克拉克就在《无线电世界》这本杂志上发表了一篇论文，叫做《地球外的中继——卫星能够提供全球范围的无线电覆盖吗？》

　　他的答案是肯定的。他研究提出当卫星处于距地心42000公里高度的赤道上空，卫星绕地球的运动与地球的自转完全同步，看起来卫星就“静止不动”了，这种静止轨道卫星就可以用于时刻也不能中断的通信，而且三颗卫星就可以覆盖80%的地球。据说，早前世界各大卫星通信公司每年都要向克拉克支付数美元或数美分的象征性红利，因为他的设想功勋卓著，但当时并未为这一技术理论申请专利。

　　03卫星怎样为主人干活呢？

　　其实每一颗卫星都有自己的用户，“用户”也是卫星最直接的主人。比如，我国的风云系列气象卫星，它的用户就是气象局，卫星拍下气象云图传送到气象局的地面系统，供气象专家分析天气变化。2008年发射的我国第一代环境和灾害监测小卫星“环境一号”卫星的用户是原来的环保部和减灾委，现在分别是生态环境部和应急管理部。

　　我觉得最有意思的是导航卫星，其实在座的每一个人，说起来都算得上是导航卫星的直接用户，你看看你的手机里面是不是装着各种导航APP软件呢。

　　未来越来越多的卫星将象导航卫星一样，会为我们每一个人直接服务。比如说，我们的团队正在研制可以直接用手机指挥控制的智能遥感卫星系统，今后大家可以用自己的手机像点外卖一样，点一颗卫星为你订制拍摄视频或者图片，我们正在努力让你成为遥感卫星的主人！

　　04每一克的重量进入太空，都得花钱

　　作为一颗卫星，它为主人干活的主要工具或者仪器设备我们称之为“有效载荷”。英文名更好理解，payload，字面翻译就是“需要花钱的负荷（重量）”，毕竟每一克的重量进入太空，都得花钱啊！

　　有效载荷根据用户的需求不同而五花八门、各色各样，而大体上可以归纳为四种用途：遥感、通信、导航、科学实验。刚才说到的环境卫星，就是一种陆地遥感卫星，它同时装载了可见光相机、光谱成像仪和红外相机，可以帮助用户对陆地上大尺度的植被变化、森林火灾、水体污染等进行监测。

　　但是，如果用火箭只把“有效载荷”送上太空，它是不能自己工作的。因此，需要设计为有效载荷服务的系统，我们称之为“卫星平台”，通常包括供电、热控、内部健康管理、对地球通信、姿态运动控制等等；为了把这些仪器设备装在一起，当然还需要结构；有些需要在天上转动的，我们专门做了机构，比如把太阳电池阵伸展出去并且在转动过程中始终保持对着太阳。

　　05如何设计卫星？

　　毕竟一次发射耗费大量的财力物力，所以几乎所有的用户都希望自己拥有的卫星能够更长时间可靠地工作。为了克服地球的引力进入轨道，火箭得带着几百吨的燃料、用巨大的推力起飞，这样卫星上的结构板、电子产品、光学镜头等等，都必须能够有足够的强度和刚度承受得住这样的推力和振动，不能在发射过程中损坏。

　　地球这个主人的强大，还体现在它用大气层和磁场，保护了在地球表面生活的人类。但是当卫星离开了地球表面进入轨道，就面临真空、高低温骤变和严酷的辐射环境。所以人类在地面上设计使用的工具、仪器、设备，人类过去掌握的规律、验证方法，并不完全适用于卫星的设计、制造和试验。比如说，在重力作用下装调的相机镜头，可能在失重时就会产生新的变形，导致图像不清晰；而来自太阳或宇宙射线的高能粒子，会频繁地让计算机死机。

　　所以，卫星设计师致力于探索卫星这种产品与地面产品不一样的设计规律，我总结了以下几点：高远的轨道、力学、失重、真空、辐射、冷热变化；其实归纳起来都由“高远的轨道”引起。从1957年迄今60多年，人类只有能力将5000多颗卫星送入地球轨道工作，目前在轨工作的也只有不到2000颗，发射失败、在轨失效的概率远高于汽车、飞机、高铁等其他系统产品。

　　06被“垃圾”包围的地球

　　随着人类航天活动的开展，现在的地球轨道空间也面临着越来越严重的污染问题。尽管只有不到2000颗卫星在正常工作，另外那些早已失效的卫星，及伴随它们入轨的末级火箭残体，却都已经永久地留在了轨道上。据国际碎片组织数据公布，目前近地轨道空间大于10cm的空间碎片数量约为2万个，统计模型分析1cm以上的空间碎片在50万个以上。

　　这张图看上去触目惊心。人类除了在地球上造成了污染，其实在轨道上也造成了污染。

　　所以，现在航天界无奈地有了新的研究方向，研究如何找到这些太空垃圾并把它们清理掉！而整个人类更得冷静下来，想一想如何才能更有效地进入空间、利用空间和退出空间，共同制定太空规则。

　　07我和卫星的故事

　　说了这么多卫星和它主人的故事，我觉得应该说说我和卫星的故事了。作为卫星的设计师，我们为用户服务，制定技术规范、进行总体设计、研制每一个部件零件/硬件软件、再进行装配、集成、测试，最后把它运送到发射场，装在火箭上，看着它起飞、入轨。这个时间，短的1-2年，长的8-10年甚至更长。所以我们都把卫星当作自己的孩子，有时候卫星装上火箭扣上整流罩的时候，我们会觉得就像自己的孩子要出远门。

　　每次宣布卫星发射成功那一刻，所有人都欢呼雀跃，但只有卫星的设计师知道，卫星工作表现这才刚刚开始呢。因为前面的成功主要是火箭的成功，而后面才是卫星表现的开始。我们对卫星要进行在轨的维护，如果卫星是五年的工作寿命，那我们就要在五年内甚至更长的时间内呵护这颗卫星。

　　当然，因为现在的卫星设计越来越可靠，我们虽然手机24小时不关机，但是收到电话的时间还是少了。我举个例子，我经常不接一些垃圾电话，但是只有一种垃圾电话我不敢不接，那就是显示来自陕西西安的电话，因为我们的飞行控制中心在西安。如果卫星有问题，电话会第一时间从西安控制中心打到我的手机上。

　　卫星能不能让用户主人满意，能不能跟地球主人和睦相处，是卫星设计师决定的；而卫星在轨不听话或者健康出问题时，也是卫星设计师出手检查处理的。细细想来，到底我是卫星的主人还是仆人，真的说不好。

　　康斯坦丁说过，地球是人类的摇篮，但是人类不能永远生活在摇篮里。我是卫星设计师杨芳，我来做科普，我希望未来的中国航天你们都来加入，谢谢。