衛星發射，所有人歡呼雀躍，作為航天東方紅衛星有限公司型号總體設計師的楊芳和同事們感覺這一刻就像孩子出遠門兒了一樣，同時他們新階段的工作也馬上開始。“在楊芳眼中，軌道體現着地球和人類對衛星的控制，為衛星設計工作帶來挑戰，也為衛星賦予了更多可能性。楊芳為大家帶來演講《送一顆衛星上天，幫忙關照地球家園》。

以下為楊芳演講實錄：

大家好，我叫楊芳，我是中國空間技術研究院下屬航天東方紅衛星公司的一名衛星總體設計師。我從事衛星總體設計工作已經快20年了，現在天上已經有好幾顆我參加設計、研制和發射的衛星，未來應該還會有更多。

演講嘉賓楊芳：《送一顆衛星上天，幫忙關照地球家園》

大家對衛星應該覺得好奇吧，是不是也覺得很高大上、很神秘？

01

衛星是“仆人”？

咱們去查“科普中國”的詞條，“衛星”本意是指圍繞一顆行星并按閉合軌道周期性運行的天然天體。但是由于現在繞着地球運行的人造天體太多了，所以當我們說“衛星”的時候，我們通常是指“人造地球衛星”。

衛星的英文名詞是“satellite”，它源自古拉丁詞語“satelles”或者“satellitis”，含義是“an attendant or servant to a powerful master or Lord”，翻譯過來就是“一個非常強大的主人的附屬者或者仆人”。這個拉丁詞根含義非常形象地說明了衛星的兩個特點：它是仆人，所以它要為主人幹活；它的主人很強大，它得聽主人的。

02

衛星的主人是誰呢？

衛星有兩個主人。它的第一個主人就是強大的地球（the Powerful Earth）。衛星一旦發射入軌，正常時它就進入無動力飛行，它的運動軌道基本上就由地球唯一決定，因為地球與衛星之間的萬有引力是它最主要的作用力，同時，地球的大氣阻力、磁場，甚至地球不均勻不對稱的質量分布等在一定範圍内也會産生作用力，起到輔助的作用，航天術語是“攝動力”。

地球這個主人有多強大呢？舉個例子，如果一顆衛星以一定的速度進入高度在650km以上的地球軌道，那它自己幾乎就永遠也掉不下來了。而如果一顆衛星離地球最近的高度小于150km，就會在一兩天之内就被地球的大氣拖拽回來，再也飛不起來。

地球不均勻不對稱的質量分布所産生的作用力，則會讓路過南北極的衛星軌道面每天向東運動，滿足條件時這種軌道面時刻保持與太陽角度方向相同，形成太陽同步軌道。

衛星既然是“人造”的，它的第二個主人，當然是人類。沒有人類的智慧，地球永遠隻有月亮這一顆衛星。我們在講述人類航天曆史的時候，都一定會提及這張片子裡的偉大科學家：哥白尼（1473-1543）提出天體運行論、日心說，伽利略（1564-1642）支持日心說，發明望遠鏡，開普勒（1571-1630）利用望遠鏡通過觀察得到行星運動三定律，牛頓 （1642-1723）力學三定律、萬有引力定律。

講到人類航天的發展，不能不提這一位前蘇聯的天才科學家，他叫康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基。他提出了宇宙第一公式，提出了液體火箭可以進入太空，提出了液氫液氧可以是理想的推進劑，提出了多級火箭——要知道他是19世紀的科學家，那時還沒有“人類航天”的概念，但他的這些基本的想象和數學推導，讓人類航天在工程學的意義上找到了正确的方向。

站在偉大科學家的肩膀上，現在我們利用中學物理課學來的牛頓萬有引力定律和牛頓第二定律，就可以數學推導出衛星的運行軌道；或者也可以用開普勒行星運動三大定律，類比計算出衛星繞地球的運動規律。

我們可以通過衛星所受的地球引力、地球大氣阻力等，來設計選擇衛星繞地球運動的軌道形态特性，從而設計不同的衛星。

說到軌道，還有一個神奇的傳說，屏幕上這個人叫Arthur Clark（阿瑟·克拉克），他是英國一個天才的科幻大師，老年以後定居在斯裡蘭卡。

1945年——你想，這時距離人類擁有衛星還有12年，因為第一顆衛星是1957年發射的——阿瑟·克拉克就在《無線電世界》這本雜志上發表了一篇論文，叫做《地球外的中繼——衛星能夠提供全球範圍的無線電覆蓋嗎？》

他的答案是肯定的。他研究提出當衛星處于距地心42000公裡高度的赤道上空，衛星繞地球的運動與地球的自轉完全同步，看起來衛星就“靜止不動”了，這種靜止軌道衛星就可以用于時刻也不能中斷的通信，而且三顆衛星就可以覆蓋80%的地球。據說，早前世界各大衛星通信公司每年都要向克拉克支付數美元或數美分的象征性紅利，因為他的設想功勳卓著，但當時并未為這一技術理論申請專利。

03

衛星怎樣為主人幹活呢？

其實每一顆衛星都有自己的用戶，“用戶”也是衛星最直接的主人。比如，我國的風雲系列氣象衛星，它的用戶就是氣象局，衛星拍下氣象雲圖傳送到氣象局的地面系統，供氣象專家分析天氣變化。2008年發射的我國第一代環境和災害監測小衛星“環境一号”衛星的用戶是原來的環保部和減災委，現在分别是生态環境部和應急管理部。

我覺得最有意思的是導航衛星，其實在座的每一個人，說起來都算得上是導航衛星的直接用戶，你看看你的手機裡面是不是裝着各種導航APP軟件呢。

未來越來越多的衛星将象導航衛星一樣，會為我們每一個人直接服務。比如說，我們的團隊正在研制可以直接用手機指揮控制的智能遙感衛星系統，今後大家可以用自己的手機像點外賣一樣，點一顆衛星為你訂制拍攝視頻或者圖片，我們正在努力讓你成為遙感衛星的主人！

04

每一克的重量進入太空，都得花錢

作為一顆衛星，它為主人幹活的主要工具或者儀器設備我們稱之為“有效載荷”。英文名更好理解，payload，字面翻譯就是“需要花錢的負荷（重量）”，畢竟每一克的重量進入太空，都得花錢啊！

有效載荷根據用戶的需求不同而五花八門、各色各樣，而大體上可以歸納為四種用途：遙感、通信、導航、科學實驗。剛才說到的環境衛星，就是一種陸地遙感衛星，它同時裝載了可見光相機、光譜成像儀和紅外相機，可以幫助用戶對陸地上大尺度的植被變化、森林火災、水體污染等進行監測。

但是，如果用火箭隻把“有效載荷”送上太空，它是不能自己工作的。因此，需要設計為有效載荷服務的系統，我們稱之為“衛星平台”，通常包括供電、熱控、内部健康管理、對地球通信、姿态運動控制等等；為了把這些儀器設備裝在一起，當然還需要結構；有些需要在天上轉動的，我們專門做了機構，比如把太陽電池陣伸展出去并且在轉動過程中始終保持對着太陽。

05

如何設計衛星？

畢竟一次發射耗費大量的财力物力，所以幾乎所有的用戶都希望自己擁有的衛星能夠更長時間可靠地工作。為了克服地球的引力進入軌道，火箭得帶着幾百噸的燃料、用巨大的推力起飛，這樣衛星上的結構闆、電子産品、光學鏡頭等等，都必須能夠有足夠的強度和剛度承受得住這樣的推力和振動，不能在發射過程中損壞。

地球這個主人的強大，還體現在它用大氣層和磁場，保護了在地球表面生活的人類。但是當衛星離開了地球表面進入軌道，就面臨真空、高低溫驟變和嚴酷的輻射環境。所以人類在地面上設計使用的工具、儀器、設備，人類過去掌握的規律、驗證方法，并不完全适用于衛星的設計、制造和試驗。比如說，在重力作用下裝調的相機鏡頭，可能在失重時就會産生新的變形，導緻圖像不清晰；而來自太陽或宇宙射線的高能粒子，會頻繁地讓計算機死機。

所以，衛星設計師緻力于探索衛星這種産品與地面産品不一樣的設計規律，我總結了以下幾點：高遠的軌道、力學、失重、真空、輻射、冷熱變化；其實歸納起來都由“高遠的軌道”引起。從1957年迄今60多年，人類隻有能力将5000多顆衛星送入地球軌道工作，目前在軌工作的也隻有不到2000顆，發射失敗、在軌失效的概率遠高于汽車、飛機、高鐵等其他系統産品。

06

被“垃圾”包圍的地球

随着人類航天活動的開展，現在的地球軌道空間也面臨着越來越嚴重的污染問題。盡管隻有不到2000顆衛星在正常工作，另外那些早已失效的衛星，及伴随它們入軌的末級火箭殘體，卻都已經永久地留在了軌道上。據國際碎片組織數據公布，目前近地軌道空間大于10cm的空間碎片數量約為2萬個，統計模型分析1cm以上的空間碎片在50萬個以上。

這張圖看上去觸目驚心。人類除了在地球上造成了污染，其實在軌道上也造成了污染。

所以，現在航天界無奈地有了新的研究方向，研究如何找到這些太空垃圾并把它們清理掉！而整個人類更得冷靜下來，想一想如何才能更有效地進入空間、利用空間和退出空間，共同制定太空規則。

07

我和衛星的故事

說了這麼多衛星和它主人的故事，我覺得應該說說我和衛星的故事了。作為衛星的設計師，我們為用戶服務，制定技術規範、進行總體設計、研制每一個部件零件/硬件軟件、再進行裝配、集成、測試，最後把它運送到發射場，裝在火箭上，看着它起飛、入軌。這個時間，短的1-2年，長的8-10年甚至更長。所以我們都把衛星當作自己的孩子，有時候衛星裝上火箭扣上整流罩的時候，我們會覺得就像自己的孩子要出遠門。

每次宣布衛星發射成功那一刻，所有人都歡呼雀躍，但隻有衛星的設計師知道，衛星工作表現這才剛剛開始呢。因為前面的成功主要是火箭的成功，而後面才是衛星表現的開始。我們對衛星要進行在軌的維護，如果衛星是五年的工作壽命，那我們就要在五年内甚至更長的時間内呵護這顆衛星。

當然，因為現在的衛星設計越來越可靠，我們雖然手機24小時不關機，但是收到電話的時間還是少了。我舉個例子，我經常不接一些垃圾電話，但是隻有一種垃圾電話我不敢不接，那就是顯示來自陝西西安的電話，因為我們的飛行控制中心在西安。如果衛星有問題，電話會第一時間從西安控制中心打到我的手機上。

衛星能不能讓用戶主人滿意，能不能跟地球主人和睦相處，是衛星設計師決定的；而衛星在軌不聽話或者健康出問題時，也是衛星設計師出手檢查處理的。細細想來，到底我是衛星的主人還是仆人，真的說不好。

康斯坦丁說過，地球是人類的搖籃，但是人類不能永遠生活在搖籃裡。我是衛星設計師楊芳，我來做科普，我希望未來的中國航天你們都來加入，謝謝。

這就是今天我給大家分享的衛星的故事。我是科學家，我來做科普，未來的中國航天，等你加入！

演講嘉賓楊芳：《送一顆衛星上天，幫忙關照地球家園》

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