衞星設計師曲耀斌：航天事業，可能是當代最具冒險主義色彩的故事_風聞

　　2月4日，長三乙火箭成功將

　　通信技術試驗衞星六號發射升空

　　圖源：中國航天網

　　每一次火箭的發射都是令數億人心潮澎湃的時刻，隨着連綿不斷的轟鳴聲，巨大的火箭拔地而起，冉冉上升，在尾部輝煌的火焰中，直上雲天。

　　北斗、深空、長五、快舟……隨着這些航天器一起飛入太空的，是我們探索宇宙和人類未來的夢想。

　　但我們有沒有想過，發射成功背後的故事到底是怎樣的？

　　數十萬航天工作者一起在攻克的航天事業到底有多困難？

　　這數十萬中，如果每個人是一顆螺絲釘，他們在做怎樣的工作？

　　一顆衞星的存在需要怎樣的維護和監測？

　　為什麼它的消逝會牽動每個航天人的心絃？

　　我們必須用最少的已知去挑戰、去探索最大的未知。所以我們現在所做、所經歷的，可能是當代最具冒險主義色彩的故事。

　　曲耀斌

　　上海航天技術研究院

　　上海衞星工程研究所 副總工程師

　　大家好，我叫曲耀斌，是一名衞星總體設計師，也是數十萬中國航天工作者中的一員。

　　這裏面其實有一個隱含的問題，我們這麼多人一起做航天事業，在每一發箭、每一顆星裏能做什麼？每個人，特別是青年朋友們，都在做一顆螺絲釘嗎？

　　這其實是一個關乎航天學科發展、系統工程和傳承發展的大問題。

　　用已知去探索未知

　　航天學科雖然只有短短幾十年，但在近現代的科技體系中有着獨特地位。

　　宇宙太大了，航天器在空間環境中運行，很難用傳統的方法來開展大量實驗，去遍歷所有的內外部條件，去充分試錯。

　　並且作為世界上最昂貴的承載平台，航天器的子樣太少，定製性又很強，無法運用傳統工業化進行生產。

　　**換句話説，我們必須用最少的已知去挑戰、去探索最大的未知。**所以我們現在所做、所經歷的，可能是當代最具冒險主義色彩的故事。

　　2010年，我剛工作不久，是一名衞星姿軌控系統設計師。上海航天當時接到一個項目論證任務，要打造一個全新的衞星平台，去36000公里的高度開展新技術通信試驗。

　　這裏有一個平台的概念，它可以看作是設計一顆衞星所需要架構的機、熱、能源、信息的綜合形態。

　　那一個新的衞星平台意味着什麼？

　　通信技術試驗衞星五號

　　圖源：中國航天網

　　在汽車行業裏面研發一個新平台需要多輪定型、反覆測試，費用相當於量產車的1000部。

　　前兩年737MAX接連發生故障而導致空難，就是因為波音在新平台研發時，耗時了數年測試都沒有發現一個安全監管軟件裏面的差錯。

　　再回到我論證的新衞星平台，它還要完成兩個艱難的使命。

　　一是在7天時間內完成4次精確的變軌控制，發動機的工作時長和誤差不能超過1秒。

　　發動機劇烈工作期間，衞星還需要保持接近絕對穩定。任何一項超差都會消耗額外的推進劑，導致我們無法正常入軌，整個任務失敗。

　　**第二個難點是這顆衞星要配合新載荷開展多項任務試驗，**比如首次在地球靜止軌道實施很多複雜的動作。這個軌道24小時才一個週期，往往毫無差錯地運行完整個任務序列就過去了5到10天。

　　當時我大概花了幾周的時間就把整套全新的控制算法寫了出來。但在地面基於新開發的產品，還需要充分摸清各個部件的細節特性，開展實時的半物理驗證，並且儘可能地調試、測試各種參數。

　　在那兩三年，大概有1/3的時間，我和同事們都是通宵在實驗室裏度過的。

　　後來我們開發了一套能夠完全模擬星上軟件架構，並且能開展10倍速率仿真但不損失任何一個進程環節的超實時系統。我們遍歷了儘可能多的故障情況，設計星上自主預案。

　　以未知探索已知。航天就是這樣一門學習了幾乎所有的失敗，才能走向一次成功的學科。

　　這上千個假想的故障，可能99%以上永遠都不會發生，但往往你放過了一個，就可能會荒廢了一代人的努力。

　　所以航天人可以創新，但你的底氣只能是完全基於科學的態度和海量的數據支撐。

　　2018年12月25日凌晨，通信技術試驗衞星三號發射，耗時數月，完成了各種入軌，自主完成了所有試驗動作。

　　長三丙火箭成功將通信技術試驗衞星三號發射升空

　　圖源：新華社

　　此時，我們這支國內最年輕的高軌新平台設計師隊伍也已經在這顆衞星上面，日夜不斷地深深耕耘了八年。

　　每一顆螺絲釘都至關重要

　　50年前，在幾近荒蕪的中國基礎工業體系上，為什麼能夠一下子綻放出來的，就是集所有專業之大成的兩彈一星？

　　其中我認為有一個重要原因，是以錢學森先生為首開創的系統工程方法，這套方法沿用至今。

　　錢學森

　　圖源：中國航天系統科學與工程研究院

　　它將一發運載火箭、一顆衞星、一枚導彈，逐步地分解為**幾十個系統、幾千個部組件和上萬個元器件，**並逐級賦予了每個環節相應的設計需求和工程實現。

　　這樣一個責任體系，我們把它稱之為“兩總系統”。

　　換言之，在每一個設計層級，不同的設計師都是基於幾個基礎的產品最優化地構建系統，進而向上傳遞，最終實現整個項目的優化。

　　反過來説，一次成功的航天任務，取決於這個龐大系統中的每一個環節、每一個產品、每一道工序和每一個人。

　　今天一開始我説大家都去做螺絲釘，也不光是個玩笑，況且這顆螺絲釘委實不好當。

　　這幾年，我和同事們在研究如何在太空中實現精確的“眼對眼”。也就是説，如何能夠在衞星幾公里每秒的高速運行下，還能穿過幾百上千公里，指準地面上的一個終端，甚至跨越幾萬公里，對上另一顆衞星。

　　這可能是這個世界上最遙遠、最難的**“驚鴻一瞥”**。

　　我們很多人拿華為手機的50倍調焦模式拍過月亮，當時是什麼感受？手機一晃，月亮就出去了。

　　圖源：華為

　　實際上我們正在做的高精度、高穩定度的指向控制技術，相當於把這個鏡頭的視場，再縮小10000倍。

　　哪怕鏡頭的視場已經這麼小，仔細一分解，還需要在裏面包住12個大項，74個小項各種器件、算法、工藝的誤差。

　　有時候一個齒輪做得不均勻一點，超差；一個參數敏感了一點點，超差；因為温度交變導致你的基板上翹了連肉眼都看不見的那一點點，又是超差。

　　很多環節走到最後，你會發現它已經突破了這個國家在微微小點上的技術天花板。這時候就需要有一個人留在這裏，把它支撐住。

　　因為往往哪怕一個點上面超多了，它會把剩餘幾十個點的東西全部吃掉，也因為都是角秒級、亞角秒級的誤差，往往是我們在這邊壓下了葫蘆，那邊又起了瓢。

　　當我們在所有點上都好不容易挖透了，就再跳出來，借鑑其他非航天領域的方法，再提升、再優化。

　　我們將地面經緯儀測量原理搬到天上，用來標定不同的基礎，將整個精度提升了20%；又借鑑了家用計算機雙核計算的原理，來模擬奧運射擊冠軍的動態視覺，精度又提升了30%。

　　在今年2月20日發射的新技術試驗C星、D星上，初步利用了剛剛説的那些技術，從而成功實現了國內首次星間高速激光通信。

　　長二丁火箭，採取一箭四星方式，成功將

　　新技術試驗衞星C星、D星、E星、F星發射升空

　　這只是開始，隨着技術的逐步深化，會演化出很多讓人意想不到的新應用。因為宇宙很大，足以讓每一點點的貢獻都放大出新的成果。

　　你做的星敏感器的噪聲小半個分貝，帶來的可能就是通訊距離再遠一萬公里；驅動機構的干擾、轉速穩定再多1%，天文望遠鏡就能夠多看到上萬個星系。

　　這，就是航天系統工程。

　　一顆星的消逝與存在

　　在我們單位一樓，有一個很特別的地方，叫上海航天衞星監測中心，我們都叫它“長管”。

　　長管，意為長長久久地管理，在這365天日夜不斷地接收着，經上海航天研製、發射並且目前還在運行着的接近50顆衞星的實時數據，其中有一半都已經是超壽命運行。

　　為什麼説這個地方很特別？我的手機24小時不能關，因為其中監測着我們系列的11顆星，如果數據有任何異常，比如温度高了，姿態超差了，能源緊張了，機構卡住了，監測人員都會第一時間打我電話。

　　為什麼？因為我和我的團隊，需要馬上判斷是否要應急搶救、處理，這關係到這顆星的存亡。

　　衞星執行這幾年間，甚至十幾年間，設計師們的代碼，年復一年孤獨地運行在宇宙裏，隨着部件的損耗，它會越來越脆弱。

　　在“長管”這裏，穩定的數據就代表着這顆衞星的存在，也代表在那時，那一批年輕的設計師們在它身上留下的印記。

　　去“長管”的時候，隨手翻一些老衞星的使用手冊，你還會看到很多老院士、老專家、老先生的批註，再看一看我們很多總師在剛工作的時候編譯的那些程序、軟件，這麼多年一直運行也很順利。

　　雖然航天器是有壽命的，但有時候你回頭看看那些數據，會發現在自以為迷茫彷徨的青年時期做出的設計，反而成為了現今不惑之年的指引和初心。

　　可能很多人潛意識裏面，都會在航天器的身上留下亙古、永恆的標籤，實際上也的確如此。時間在航天這裏，有時候會變得特別真實。

　　通信試驗衞星五號模擬圖

　　圖源：中國軍事網

　　你的設計會留在航天器裏，留在太空裏，也會經下一代之手，不斷地更新重生，在新的航天器裏升級，煥發新的生機。

　　為什麼每一次的火箭發射，都能讓我們幾十萬航天人熱淚盈眶。為什麼那麼一兩次的失利，都會讓所有人痛徹心扉。

　　因為這是有關歷經艱險終有收穫的共鳴，也因為我們每一個精益求精的設計，都化作經驗、標準和基礎，融在了下一代的航天器裏，推動着這個偉大事業的不斷前行。

　　我直接參與過大概20幾次衞星的故障定位和應急搶救，目睹過很多，今天就給大家分享一個其中經歷。

　　2019年9月23日，那一天是秋分。半夜的時候，實踐六號01星報警，這顆星是2004年9月9日發射的，報警那天實際上已經超出了13年壽命。

　　它的有效載荷其實已經不執行任務了，更多時候是開機看一下效能。它僅有的使命是採集各個部件的數據，為下一代的高壽命航天器設計奠定基礎。

　　當年的研製團隊也已經散落在各個地方，我們其實已經完全沒有義務再去費勁地解救這個星。但那天晚上，我第一次見到了很多人，早已是廠所領導的主任設計師，親自來畫故障樹；

　　已經改做技改管理的軟件設計師，重新翻出了當年的代碼，仔細地翻閲；而已經退居二線，在家裏面帶着孫輩的測控設計師，與當年的內部技術參謀，反覆地進行電話溝通。

　　為什麼？因為秋分的那天晚上地影期最長，處理衞星故障的難度更大，我們所有人都不希望在那個晚上，這顆開創了一個系列的首發星就此消失。

　　後來怎麼樣？這是前兩天它第87277圈的數據，在軌繼續正常運行。

　　那一批設計師們，在那一刻穿過了長長的時間，化作了年輕的樣子，站到了我們青年人的身前，撬動了十數年甚至數十年以後，眼前可見的未來。