今天小編分享的科學經驗：為了保障航天器創新又穩妥，設計師要做什麼？“有時也要讨價還價”，歡迎閱讀。
2024 年 6 月 21 日，中國空間技術研究院研究員曲少傑在科普中國 · 星空講壇 " 科學報國正當時 " 主題場帶來演講《通往星辰大海之路》，為我們講述了航天背後的故事。
以下是曲少傑的演講節選：
大家好，我是曲少傑，來自中國航天科技集團五院，也叫中國空間技術研究院，主要從事各類航天器的總體設計工作。
航天是一項龐大而復雜的系統工程，運用系統工程的方法，讓一個復雜系統當中的不同組成部分能完美地互相配合、協調運行，最終達成特定的任務。
建造航天器，需要用到哪些專業？
以嫦娥六号為例。嫦娥六号探測器由四部分組成，其中，軌道器、返回器組合在一起叫軌返組合體，還有着陸器和上升器，組合在一起叫做着上組合體；另外，還有鵲橋二号中繼衛星，因為在月球背面沒法跟地球直接通信，所以需要鵲橋二号在月球背面的天空中作為中轉。
這背後就要涉及很多專業。比方說，在地球和月球之間通信，要用到通信工程專業；着陸器的機械臂在采樣和樣品之間的轉移機構，需要自動化、機械工程這些專業；為了應對月球表面白天和晚上高達 300 度的溫差，着陸器和上升器需要保溫，要用到傳熱學和熱能工程專業，還有從地球飛到月球，再從月球飛回地球，這中間這個復雜的飛行的軌迹、飛行的過程，要用到動力學還有軌道設計專業，等等。
我從本科到研究生學的專業都是空間物理。當時為什麼選擇這個專業呢？說實話，是服從調劑的結果。
我讀高中的時候，不像現在網絡信息十分發達，當時大家對于自己将來要考什麼大學、選什麼專業，都沒什麼概念。
填報高考志願時，班主任對我說，你的分數可以選北大或清華。
因為當時心裡隐約對北大有種 " 浪漫一點 " 的印象，我想，那就選擇北大吧。
然後我選了當時最熱門的計算機專業。那是 1998 年，當時最火的就是計算機和生物專業。因為太熱門了，而我的高考總分沒有足夠高到被計算機專業錄取，被調劑到了地球物理系。
上中學的時候，我喜歡學物理，高二參加全國中學生物理競賽獲得了山東賽區一等獎，高考物理也拿了滿分。不知是不是這個原因，我被調劑到了地球物理系。
郵差把大學錄取通知書交到我手中，我打開一看，上面寫着 " 地球物理系 "，我十分茫然，心想，地球物理是什麼，是修理地球的嗎？
後來才明白，我們系裡一共四個專業，研究範圍由下往上分别是：固體地球物理，研究地殼以下；高層大氣物理，研究内容到了幾百公裡的高度；空間物理，就是當時我所在的這個專業，研究範圍擴展到了地球和太陽之間的行星際空間；再就是天文學，研究得就更遠了，到了太陽系之外乃至整個宇宙。
大學畢業後，我來到中國科學院的國家空間科學中心讀碩士。2005 年碩士畢業時，導師建議我繼續讀博士。
說實話，當時我内心又有點茫然。因為我不知道自己所學的這些理論知識究竟能發揮什麼作用、用在什麼地方。比起做純理論研究，我更想做一些更實際的、能夠更快體現出應用價值的事情。
在前輩的指引下，我來到了航天五院。比較幸運，接下來的 20 年，也趕上了中國航天事業快速發展。記得剛開始工作的時候，我們幾年發射一個衛星，現在每年都要發射幾十顆甚至上百顆。
為什麼航天器需要做好防護？
航天器包括各類衛星以及探測器、飛船、空間站等。它們在太空中都會面對太陽風、宇宙射線以及各種粒子輻射，還有比如真空環境、微重力環境等多種環境。
航天器暴露在太空輻射環境，就像人在綿綿細雨中，淋雨時間長了，身上會溼透，會生病——航天器也一樣，會 " 生病 "，會發生故障。所以，就像我們下雨天出門要打傘，航天器上天之前也要做好防護。
所以，我們在地面上研制的這些航天器，需要采取必要的防護設計，才能确保它們在太空環境中穩定運行并發揮正常作用，這就是我們 " 空間環境适應性設計 " 要進行的工作内容。只有不斷創新，科技才能不斷進步，而我的工作就是在這些任務創新的同時去保障它們穩妥可靠地實現。
在世界航天史上，衛星受太空輻射環境影響產生故障甚至報廢的例子有很多。
舉個例子，有部國產電視劇《你是我的榮耀》，其中有處劇情是搶救 JX-1 号衛星，這顆衛星的原型就是我國第一顆氣象衛星風雲一号 A 星，發射于 1988 年。這顆衛星上天之後，只工作了 39 天就出了故障，因為太空輻射環境導致它姿态失去控制，太陽帆板沒法對日定向，而太陽能帆板是要靠太陽能發電。這樣一來，它沒法朝着太陽定向，就導致失去能源，不能發電，衛星就無法工作了。
再舉一個例子，2022 年 2 月，美國太空探索技術公司 SpaceX 發射了一批星鏈衛星，有 40 多顆。結果發射時遇到了地磁暴，地球磁場發生了強烈擾動，導致地球大氣密度急劇上升，所以這批衛星在飛行過程中遇到的大氣阻力越來越大，于是軌道高度越來越低，最後超出了設計預期，簡單說就是衛星 " 爬 " 不上去了。最終的結果就是這批衛星全部在大氣層中墜毀。
讨價還價
航天器進入太空後，一旦出現故障就很難維修，這就要求航天器必須有很高的可靠性。因此各方面的設計都要留出充足的餘量，這就會導致成本增加。
所以，我們在制定各種空間環境設計要求的時候，定得盡量準确、精确。因為如果設計要求過高，就會造成資源浪費；如果定得太低，又會導致設計出來的航天器可能經受不住太空環境的長期考驗，可能提前發生故障，導致任務失敗。
于是，在制定這些設計要求的環節，經常會出現類似 " 讨價還價 " 的情況。
舉個例子，大家可能會在新聞裡看到，嫦娥六号在月球上展開了一面國旗。
嫦娥六号攜帶的五星紅旗 來源：CLEP
這個展開機構的作用就體現在國旗展開的那一下，展開結束它就不再工作了；還有分離監視相機，用來監視兩個組合體的分離過程，把這個畫面拍下來再傳回地球，所以只需要在分離的那幾分鍾工作。
類似這些短期工作的設備，因為不需要耐受長時間的環境考驗，所以我們對它們的環境設計要求就會相應降低，以便節約資源和成本。
在可靠中創新
航天工作總是不斷追求創新的。這一點，在我國嫦娥探月工程裡面體現得淋漓盡致。
嫦娥工程有個不成文的傳統：偶數任務是奇數任務的備份，兩者并行開展研制，同時研制完成，如果奇數任務失敗，偶數任務可以立刻接替它去完成。但是任務都成功了，那麼偶數任務就要改變原來既定的任務，去執行新任務。
比如，嫦娥一号和二号設計的任務都是環繞月球運行，一号圓滿成功了，所以嫦娥二号就有了新任務：去了距離地球一千多萬公裡的小行星，圖塔蒂斯；嫦娥三号在月球着陸成功了，那麼四号就要改變任務，到月球背面着陸；嫦娥五号成功采樣返回地面，那麼六号就要去月球背面采樣。
舉個例子，這是嫦娥三号任務着陸器和玉兔一号月球車的互拍照，它們分别用自身攜帶的光學相機為對方拍了一張照片，但是它們兩個沒有在一起的合影，因為沒人給它們拍。
到天問一号火星探測任務的時候，設計師們就想了一個辦法：在祝融号火星車的肚子下方裝了一台 Wi-Fi 相機，讓祝融号火星車帶着這個 Wi-Fi 相機走出一段距離，把相機放在火星表面，然後祝融号返回着陸器旁邊，由遠處的 Wi-Fi 相機為它們拍攝了這張合影。
嫦娥六号任務裡也有一張合影，是着陸器和上升器的合影。這次，我們的設計師又腦洞大開，在着陸器外側安裝了一個大約五公斤重的自主智能機器人，一個小機器人，可以自己移動。嫦娥六号在月球背面完成采樣任務後，這個小機器人就自己從着陸器上分離下來，落到月球表面，然後自己移動到遠處，自己尋找适合拍攝成像的角度，然後為着陸器和上升器拍攝了這樣一張合影。
為什麼要從事航天？
曾有人問我，我們為什麼要發展航天？
我想，可以用航天之父、蘇聯火箭專家齊奧爾科夫斯基的一句名言來回答這個問題，他說：" 地球是人類的搖籃，但是人類不可能永遠生活在搖籃裡 "。
航天是未來的選擇。在我個人從業的近 20 年裡，經歷了神舟飛天、嫦娥探月、天問探火……每當自己參與的這些重大任務圓滿完成，心底的那份自豪感和成就感告訴我：我熱愛這份職業。
而且，航天事業需要很多專業一起來參與，比如機械、電子、通信、計算機、自動化等等，也非常歡迎大家有朝一日來加入我們的隊伍，為航天事業貢獻一份力量。
接下來我想跟大家分享一張照片和兩段我很喜歡的話。
這張照片有一個名字，叫 " 暗淡藍點 "，是 1990 年 2 月 14 日由旅行者 1 号探測器在距離地球 64 億公裡之外的太陽系邊緣拍攝的。
很巧的是，地球正好就在靠近太陽的一條橙色的散射光線中間。這道橙色的散射光線起到了濾光鏡的作用，因為橙色是藍色的補色，橙色濾鏡可以将地球在照片中變成白色，在這個天然濾鏡的幫助下，我們才勉強能察覺到這個光點。
在遙遠的旅行者 1 号眼中，在廣袤無垠的宇宙中，在一片無盡的黑暗裡，地球只是一個難以被察覺的小小的亮點，只有不到一個像素那麼大。參與旅行者計劃的科學家之一、天文學家卡爾 · 薩根曾用這樣一段話來描述這張照片，他說：
" 那個亮點，它就在那裡，那就是我們的家園。你所愛的每一個人，你所認識的每一個人，你所聽說過的每一個人，曾經存在的每一個人，都在它上面度過了一生。我們所有的歡樂與痛苦，人類歷史上數以千計的自以為是的宗教、意識形态和經濟學說，每一個獵人與強盜，每一個英雄與懦夫，每一個文明的締造者與毀滅者，每一個國王與農夫，每一對年輕的情侶，每一位母親和父親，每一個滿懷希望的孩子，每一個發明家和探險家，每一位德高望重的教師，每一個腐敗的政客，每一個超級明星，每一個最高領袖，每一個聖人與罪犯，都在那裡——那顆飄浮在陽光中的塵埃。"
還有一段話我很喜歡的話也分享給大家，來自哲學家康德，他說：
" 世界上有兩件東西能夠深深地震撼人們的心靈，一件是我們心中崇高的道德準則，另一件就是我們頭頂上燦爛的星空。"
謝謝大家。
策劃制作
作者丨曲少傑 中國空間技術研究院研究員
責編丨楊楊
審校丨徐來 林林
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