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？
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。”
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。”
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。
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。
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。
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。这种过瘾是一种什么感觉呢？
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？
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。
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。”
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。
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。
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。
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。
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。
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。
“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。
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。
另外一个是飞到大概100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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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？
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。
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。
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。
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。
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。
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？
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。
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。
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”。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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！
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
