为了保障航天器创新又稳妥，设计师要做什么？“有时也要讨价还价”
2024 年 6 月 21 日，中国空间技术研究院研究员曲少杰在科普中国·星空讲坛“科学报国正当时”主题场带来演讲《通往星辰大海之路》，为我们讲述了航天背后的故事。
以下是曲少杰的演讲节选：
大家好，我是曲少杰，来自中国航天科技集团五院，也叫中国空间技术研究院，主要从事各类航天器的总体设计工作。
航天是一项庞大而复杂的系统工程，运用系统工程的方法，让一个复杂系统当中的不同组成部分能完美地互相配合、协调运行，最终达成特定的任务。
建造航天器，需要用到哪些专业？
以嫦娥六号为例。嫦娥六号探测器由四部分组成，其中，轨道器、返回器组合在一起叫轨返组合体，还有着陆器和上升器，组合在一起叫做着上组合体；另外，还有鹊桥二号中继卫星，因为在月球背面没法跟地球直接通信，所以需要鹊桥二号在月球背面的天空中作为中转。
这背后就要涉及很多专业。比方说，在地球和月球之间通信，要用到通信工程专业；着陆器的机械臂在采样和样品之间的转移机构，需要自动化、机械工程这些专业；为了应对月球表面白天和晚上高达 300 度的温差，着陆器和上升器需要保温，要用到传热学和热能工程专业，还有从地球飞到月球，再从月球飞回地球，这中间这个复杂的飞行的轨迹、飞行的过程，要用到动力学还有轨道设计专业，等等。
我从本科到研究生学的专业都是空间物理。当时为什么选择这个专业呢？说实话，是服从调剂的结果。
我读高中的时候，不像现在网络信息十分发达，当时大家对于自己将来要考什么大学、选什么专业，都没什么概念。
填报高考志愿时，班主任对我说，你的分数可以选北大或清华。
因为当时心里隐约对北大有种“浪漫一点”的印象，我想，那就选择北大吧。
然后我选了当时最热门的计算机专业。那是 1998 年，当时最火的就是计算机和生物专业。因为太热门了，而我的高考总分没有足够高到被计算机专业录取，被调剂到了地球物理系。
上中学的时候，我喜欢学物理，高二参加全国中学生物理竞赛获得了山东赛区一等奖，高考物理也拿了满分。不知是不是这个原因，我被调剂到了地球物理系。
邮递员把大学录取通知书交到我手中，我打开一看，上面写着“地球物理系”，我十分茫然，心想，地球物理是什么，是修理地球的吗？
后来才明白，我们系里一共四个专业，研究范围由下往上分别是：固体地球物理，研究地壳以下；高层大气物理，研究内容到了几百公里的高度；空间物理，就是当时我所在的这个专业，研究范围扩展到了地球和太阳之间的行星际空间；再就是天文学，研究得就更远了，到了太阳系之外乃至整个宇宙。
大学毕业后，我来到中国科学院的国家空间科学中心读硕士。2005 年硕士毕业时，导师建议我继续读博士。
说实话，当时我内心又有点茫然。因为我不知道自己所学的这些理论知识究竟能发挥什么作用、用在什么地方。比起做纯理论研究，我更想做一些更实际的、能够更快体现出应用价值的事情。
在前辈的指引下，我来到了航天五院。比较幸运，接下来的 20 年，也赶上了中国航天事业快速发展。记得刚开始工作的时候，我们几年发射一个卫星，现在每年都要发射几十颗甚至上百颗。
为什么航天器需要做好防护？
航天器包括各类卫星以及探测器、飞船、空间站等。它们在太空中都会面对太阳风、宇宙射线以及各种粒子辐射，还有比如真空环境、微重力环境等多种环境。
航天器暴露在太空辐射环境，就像人在绵绵细雨中，淋雨时间长了，身上会湿透，会生病——航天器也一样，会“生病”，会发生故障。所以，就像我们下雨天出门要打伞，航天器上天之前也要做好防护。
所以，我们在地面上研制的这些航天器，需要采取必要的防护设计，才能确保它们在太空环境中稳定运行并发挥正常作用，这就是我们“空间环境适应性设计”要进行的工作内容。只有不断创新，科技才能不断进步，而我的工作就是在这些任务创新的同时去保障它们稳妥可靠地实现。
在世界航天史上，卫星受太空辐射环境影响产生故障甚至报废的例子有很多。
举个例子，有部国产电视剧《你是我的荣耀》，其中有处剧情是抢救 JX-1 号卫星，这颗卫星的原型就是我国第一颗气象卫星风云一号 A 星，发射于 1988 年。这颗卫星上天之后，只工作了 39 天就出了故障，因为太空辐射环境导致它姿态失去控制，太阳帆板没法对日定向，而太阳能帆板是要靠太阳能发电。这样一来，它没法朝着太阳定向，就导致失去能源，不能发电，卫星就无法工作了。
再举一个例子，2022 年 2 月，美国太空探索技术公司 SpaceX 发射了一批星链卫星，有 40 多颗。结果发射时遇到了地磁暴，地球磁场发生了强烈扰动，导致地球大气密度急剧上升，所以这批卫星在飞行过程中遇到的大气阻力越来越大，于是轨道高度越来越低，最后超出了设计预期，简单说就是卫星“爬”不上去了。最终的结果就是这批卫星全部在大气层中坠毁。
讨价还价
航天器进入太空后，一旦出现故障就很难维修，这就要求航天器必须有很高的可靠性。因此各方面的设计都要留出充足的余量，这就会导致成本增加。
所以，我们在制定各种空间环境设计要求的时候，定得尽量准确、精确。因为如果设计要求过高，就会造成资源浪费；如果定得太低，又会导致设计出来的航天器可能经受不住太空环境的长期考验，可能提前发生故障，导致任务失败。
于是，在制定这些设计要求的环节，经常会出现类似“讨价还价”的情况。
举个例子，大家可能会在新闻里看到，嫦娥六号在月球上展开了一面国旗。
这个展开机构的作用就体现在国旗展开的那一下，展开结束它就不再工作了；还有分离监视相机，用来监视两个组合体的分离过程，把这个画面拍下来再传回地球，所以只需要在分离的那几分钟工作。
类似这些短期工作的设备，因为不需要耐受长时间的环境考验，所以我们对它们的环境设计要求就会相应降低，以便节约资源和成本。
在可靠中创新
航天工作总是不断追求创新的。这一点，在我国嫦娥探月工程里面体现得淋漓尽致。
嫦娥工程有个不成文的传统：偶数任务是奇数任务的备份，两者并行开展研制，同时研制完成，如果奇数任务失败，偶数任务可以立刻接替它去完成。但是任务都成功了，那么偶数任务就要改变原来既定的任务，去执行新任务。
比如，嫦娥一号和二号设计的任务都是环绕月球运行，一号圆满成功了，所以嫦娥二号就有了新任务：去了距离地球一千多万公里的小行星，图塔蒂斯；嫦娥三号在月球着陆成功了，那么四号就要改变任务，到月球背面着陆；嫦娥五号成功采样返回地面，那么六号就要去月球背面采样。
举个例子，这是嫦娥三号任务着陆器和玉兔一号月球车的互拍照，它们分别用自身携带的光学相机为对方拍了一张照片，但是它们两个没有在一起的合影，因为没人给它们拍。
到天问一号火星探测任务的时候，设计师们就想了一个办法：在祝融号火星车的肚子下方装了一台 Wi-Fi 相机，让祝融号火星车带着这个 Wi-Fi 相机走出一段距离，把相机放在火星表面，然后祝融号返回着陆器旁边，由远处的 Wi-Fi 相机为它们拍摄了这张合影。
嫦娥六号任务里也有一张合影，是着陆器和上升器的合影。这次，我们的设计师又脑洞大开，在着陆器外侧安装了一个大约五公斤重的自主智能机器人，一个小机器人，可以自己移动。嫦娥六号在月球背面完成采样任务后，这个小机器人就自己从着陆器上分离下来，落到月球表面，然后自己移动到远处，自己寻找适合拍摄成像的角度，然后为着陆器和上升器拍摄了这样一张合影。
为什么要从事航天？
曾有人问我，我们为什么要发展航天？
我想，可以用航天之父、苏联火箭专家齐奥尔科夫斯基的一句名言来回答这个问题，他说：“地球是人类的摇篮，但是人类不可能永远生活在摇篮里”。
航天是未来的选择。在我个人从业的近 20 年里，经历了神舟飞天、嫦娥探月、天问探火……每当自己参与的这些重大任务圆满完成，心底的那份自豪感和成就感告诉我：我热爱这份职业。
而且，航天事业需要很多专业一起来参与，比如机械、电子、通信、计算机、自动化等等，也非常欢迎大家有朝一日来加入我们的队伍，为航天事业贡献一份力量。
接下来我想跟大家分享一张照片和两段我很喜欢的话。
这张照片有一个名字，叫“暗淡蓝点”，是 1990 年 2 月 14 日由旅行者 1 号探测器在距离地球 64 亿公里之外的太阳系边缘拍摄的。
在遥远的旅行者 1 号眼中，在广袤无垠的宇宙中，在一片无尽的黑暗里，地球只是一个难以被察觉的小小的亮点，只有不到一个像素那么大。参与旅行者计划的科学家之一、天文学家卡尔·萨根曾用这样一段话来描述这张照片，他说：
“那个亮点，它就在那里，那就是我们的家园。你所爱的每一个人，你所认识的每一个人，你所听说过的每一个人，曾经存在的每一个人，都在它上面度过了一生。我们所有的欢乐与痛苦，人类历史上数以千计的自以为是的宗教、意识形态和经济学说，每一个猎人与强盗，每一个英雄与懦夫，每一个文明的缔造者与毁灭者，每一个国王与农夫，每一对年轻的情侣，每一位母亲和父亲，每一个满怀希望的孩子，每一个发明家和探险家，每一位德高望重的教师，每一个腐败的政客，每一个超级明星，每一个最高领袖，每一个圣人与罪犯，都在那里——那颗飘浮在阳光中的尘埃。”
还有一段话我很喜欢的话也分享给大家，来自哲学家康德，他说：
“世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件就是我们头顶上灿烂的星空。”
谢谢大家。
策划制作
作者丨曲少杰 中国空间技术研究院研究员
责编丨杨杨
审校丨徐来 林林
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