05 | 边界：为什么太空是卫星的设计师？

为什么太空是卫星的设计师？ 910 阅读 0 评论 0 点赞

你好，我是彭天放，欢迎跟我一起透视卫星技术前沿。

前面几讲我们了解了卫星的主要优势和应用，但是想要真正弄懂一门技术，只了解优势是不够的，往往是技术面临的挑战决定了它的面貌。

比如，传统芯片在当前的主要挑战，就是摩尔定律的极限快到了。

所以，当前的研究热点就聚焦在了很多想把摩尔定律延续下去的新思路上，比如说像是量子计算和碳基芯片等等。

卫星同样也是一个，被挑战牵引着发展的领域。

接下来三讲，我们就来看看，哪些挑战正在影响今天的卫星发展。

1.为什么卫星长成今天这样？

在卫星要面对的所有挑战里，最重要的可能就是太空本身了。

它构成了卫星设计的边界约束，甚至可以说太空才是卫星最本质的设计师。

太空的存在对于卫星，就像是香农定律对于无线通信技术一样，是一个只能遵循，但是不能跨越的边界。

这就像是儒家中所说的最高境界，所谓从心所欲不逾矩，这个矩对于卫星而言，就是太空。

我们从一个简单的例子，卫星的外观说起。

如果我问你，先进的卫星应该长成什么样？你可能一时答不上来。我帮你准备了一张对比图，你认为这两颗卫星，哪颗更先进呢？

这两颗卫星，有一颗是美国在2018年发射的，是目前最先进的通信卫星之一。而另一颗呢，是人类发射的第一颗卫星。

左边这张图的外形非常好看。如果你看过小说《三体》的话，里面描述的先进的太空探测器水滴，恐怕也就长这样了。所以光看颜值，左边这张图完胜。

右边这张图，你乍一看它的外观，就像一个大号的改装电脑主机。卫星上的很多装置，像什么通信天线、太阳帆、推进器，全都直接露在外面，根本谈不上什么设计感。

但答案是，右边这张图才是目前最先进的一类通信卫星。

你会不会感到有点奇怪？我们杰出的工业产品不都应该有非常强的设计感吗？比如说像是超级跑车、隐身战斗机、航天飞机这些东西，最起码都有一个流线型的几何外形啊。为什么卫星的外观演化，反而朝着相反的方向发展呢？

这里面起到关键作用的，恰恰就是太空的边界约束。

对地面设备来说，空气是一个特别重要的边界约束，不论是飞机还是跑车，都需要优化自己的外形，来减小空气阻力。可是在太空中，空气阻力几乎为零。有没有流线型的外形不重要，反而是结构可靠、性能优化才更重要。

在卫星发展的早期，人类对于太空环境的认识和适应能力还是比较有限的，所以按照地面设备的思路制造太空设备，也完全可以理解。

这就像是第一批从海洋进入陆地的生物，外观上多少会残留一些海洋生物的影子。但是进化到了今天，在新环境的边界约束之下，陆地生物就演化出了各种各样的外形。

我们的太空生物卫星也是一样。

2019年1月，美国发射了一颗锁眼侦察卫星。这是一个重达十几吨的大号照相机。它巨大的光学系统让卫星长得非常像你家防盗门的锁芯，就是为了最大程度地突出对地观测的功能。

所以，你对比着飞机，觉得卫星长得奇怪，就像是鱼类看着我们觉得长得奇怪一样。卫星上几乎所有的特殊设计，都是在太空特有的边界约束下长期优化的结果。

2.卫星设计的边界条件有哪些？

认识了边界约束对于航天器设计的重要性，我们就来看看，太空究竟给卫星带来了哪些边界约束。

这里，我按照卫星的发射、存活和工作的生命流程，归纳了三个要点：

第一，在发射阶段，运载手段对于卫星结构的约束；

第二，在太空求生中，太空环境对于器件和材料的约束；

第三，卫星为了要完成任务，任务特点对于功能模块的约束。

这样说起来比较抽象，我来一个一个具体解释。

3.边界条件一：运载工具

先来说第一个，卫星想要进入太空，就一定要通过某种运载工具。

在过去，主要就是指各种运载火箭，甚至航天飞机，而它影响了卫星的结构设计。

我们就拿火箭来说，发射时候的卫星通常位于火箭头部的整流罩里面。但是很多卫星其实是非常大的，有些的设计尺寸可以达到几十米。但是像美国宇宙神五号这样常用的火箭，它的整流罩直径才四五米。

所以，多数的卫星都要设计折叠结构，主要就是这个原因导致的。

除了折叠结构这个边界约束，还要求卫星特别结实。

因为火箭发射产生的震动是特别剧烈的，最高的时候会达到几十倍的重力加速度。这是什么概念呢？相当于每个卫星在发射的阶段，都要经历一场长达十几分钟的车祸。而且这还不算，离开大气层之后，火箭和卫星还需要进行分离。这就要通过一种内含炸药的螺栓，通过爆炸的方式来完成。

而在未来，传统的运载火箭很可能不再是唯一的运载工具了，但是卫星进入太空需要某种运载手段，这个边界条件还是不变的。

比如我国的航天科工集团就提出过，利用电磁弹射的方式，把卫星像炮弹一样打入太空。这毫无疑问，就会对卫星的结构设计提出更高的要求。

4.边界条件二：太空环境

第二个边界约束，就是卫星在太空的生存环境，对于它的器件和材料的约束。

说起太空环境，你最先想到的就是真空、失重，但是太空生存需要面临的环境，其实远比这复杂。真空、失重、宇宙辐射、严酷的温度和化学腐蚀等等原因，你都要考虑，这就影响了卫星上的器件和材料选择。

我们就拿温度控制来举例子。

因为没有空气，太空中就没法通过对流进行热传导，卫星上的温度可以说是冰火两重天。

在太阳照得到的一面，表面可以有上百摄氏度的高温，而同一时刻，在阳光照不到的背面，就能够立刻转化成零下一百度的低温。

在这样的温度环境下，很多精密仪器都没法正常运转。

2004年，美国发射的科学卫星Swift，它的探测模块就需要维持在20摄氏度，而且上下的误差不能超过0.5度。这就需要研发各种导热材料，来搭建一个温控系统。

再比如说真空环境，还会带来所谓的真空冷焊现象。

我们地面上的物质表面会吸附一层很薄的气体膜，但是太空中就没有这个吸附层，相互接触的表面经过一段时间，就很有可能吸附在一起。

美国伽利略号木星探测器的主天线，就曾经因为真空冷焊，再也没有打开过。所以卫星上相互接触的材料，都需要经过摩擦实验，判断两个表面是否会发生冷焊。

太空的电磁和粒子辐射还会干扰星上的电子设备，有的时候会直接把电子设备的逻辑状态从零变成一，引起卫星上的系统故障。

事实上，大约40%的运行故障，都是因为太空粒子辐射引起的。所以，卫星上的很多电子设备，首先要考虑的是防辐射的设计，性能的选择反而放到了其次。

5.边界条件三：任务特点

再来说第三点，卫星的任务特点对卫星功能模块的约束。

我们知道地面设备通常都有电源、动力、通信这些分系统，卫星上也是一样。

但是因为工作距离远，卫星上这些器官就跟地面的设计思路完全不一样。

这里来不及展开，我们就拿电源分系统来举例子。

大部分的地面设备都是外部供电的，但是卫星考虑到它的任务特点，外部供电基本就不可能了。所以卫星上的电源系统就需要自带干粮。

我想在你的印象中，卫星都应该是一个方盒子，带两个长长的翅膀。这两个翅膀就是太阳能电池。因为现在大部分卫星的能源都来自太阳能，当然还有一类核动力卫星。

在20世纪，苏联的宇宙系列侦察卫星上，就曾经使用过核动力。但是可惜，1978年，一颗核动力卫星意外坠毁在了加拿大，还造成了国际争端。

所以现在除了深空探测器之外，核动力已经使用得不太多了。但不论是太阳能还是核动力，能源系统的发展都要满足卫星工作距离远的这个任务特点。

上面三个对于卫星的约束，在可以预见的将来，还将长期存在。但是，这并不意味着卫星就因为这些不便的约束，停止了发展。

事实上，卫星一直在通过自己的技术发展，不断更好地适应这些边界约束。

比如说刚才提到的电磁弹射的发射方式，如果将来普遍应用，卫星的结构还会经历一次彻底的改变。

再比如说，日本就在一直积极地研究远程无线输电技术。如果这个技术得以实现，卫星就可以不自带干粮，也能够适应遥远的工作距离。

本讲总结

总结一下，这一讲我们讲了三个卫星重要的边界条件。

第一，就是卫星一定要通过某种运载手段进入太空，而这种手段往往会影响卫星的结构设计。

第二，卫星要在复杂的太空环境中求生存，所以太空环境会约束卫星的材料和器件的选择。

第三，就是卫星的任务特点，会改变卫星上各个功能模块的设计。

思考题：

最后，我给你留了一道思考题。在工程上，环境约束塑造产品的情况非常常见。你能不能说说，你最熟悉的产品，都有哪些边界约束呢？欢迎你在留言区，分享你的看法。

不过，仅仅造一颗满足边界约束的卫星，并不能起到什么实际的作用。卫星的工作是需要很多资源一起配合的。

下一讲，我们就来看看什么是当前最稀缺的太空资源。

网友评论

其实看到这一讲的标题，首先想到的是另外一句话：并不是设计师和造船工人，而是大海制造了船。人类有过很多种关于船的设计，但真正能够实现远洋航行的大船，基本上都满足一些特征，比如船体成流线型，船体下部截面较小等等；即便是一些三体船之类的设计，每个船体的设计也都遵循这些基本原则这些原则不是人为制定的，而是只有符合这背后的自然规律，造出来的船才会有效率。

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哈哈哈，终于明白了在呼和浩特博物院和一些航天航空展览时看到的卫星模型的样子为什么那么土了，原来一直都是以地球环境思维来想象太空，而太空没有地球那些环境限制，所以无需高大上的设计感，实用是王道，毕竟发射一颗卫星也很贵。

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你所谓的问题，就是别人眼中的答案。

你所谓的约束，就是别人眼中的创新。

关键在于我们如何提出问题，如何转化问题，这样创新的大门也就打开了。

在采铜老师的《精进2》中讲到过一个例子。发射卫星因为火箭仓空间的限制，怎么把卫星做的既大又小呢，如果只盯着怎么把火箭仓做大还是把卫星做小都解决不了问题。但可以把问题矛盾转化成缩小卫星的表面积，依靠折叠让火箭运到太空后再充分展开，矛盾不就被消灭了吗？

所以有约束不要紧，如何定义问题，抓住问题的核心矛盾，转化并解决问题就能拿出意想不到的创新方案。

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#系统数学模型#、#高铁的环境约束#

卫星作为一个系统性项目，其设计必须存在一个系统模型，模型的一般组成为设计变量、约束条件和目标函数。针对卫星系统而言，以通讯卫星为例：模型目标为卫星功能实现最优，高频段，高带宽，高增益；模型约束主要包括三类，功能约束，运输约束，环境约束。功能约束即要求满足卫星基础功能，基础通讯要求；运输约束即要求火箭运载限制，要求重量轻、体积小、可折叠扩展等；环境约束即要求在太空环境（如温度、辐射、粒子等）中卫星功能不失效。在约束基础上进行上下求索，改变卫星各子系统形态、材料、参数等，从而得到最优解。

浅谈高铁的环境约束。1、车体空气阻力与轮轨粘着牵引力。随着高铁速度的增加，轮轨的粘着牵引力减小，车体空气阻力增大，如此存在一种矛盾，只能改变车体线型和轮轨车辆设计来不断修正提高。2、运营环境。如高铁运输范围横跨祖国南北东西，各地气候温度不同，需同样进行满足，则高低温、湿热存在要求等。等等

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原来对真空的理解只是没有空气，人类在太空没有空气就存活不了，但是现在想来还是太简单了，辐射，温度的变化，以及化学腐蚀。地球现在的环境就是天堂。但是有一点想不明白。化学腐蚀是怎么回事的呢？我们地球上看到的腐蚀是有液体的，太空中不会那么容易有液体吧，要不然科学家也不会疯狂的在外太空寻找水了。还有温度低，但是感觉不到水的存在又是什么感觉呢？

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在莱特兄弟发明飞机的一个多世纪里，飞行技术有了飞速的发展；但是，从1969年波音747之后，今天商业飞机的飞行速度却始终没有什么提高。这其实就涉及到商业飞机所要遵循的三个边界条件：第一，是技术上的边界，也就是突破音障的困难。这是因为当飞机飞到声波的速度时，飞机产生的声波开始在物体前面堆积，形成干扰飞机飞行的波浪，会严重干扰飞机的飞行。因此，这不是简单地增加发动机功率就可以实现的，而是需要从空气动力学的原理入手进行重新研究。第二，是成本上的边界。即使如今我们可以从技术上解决音障的问题，但是制造商业飞机不同于制造军用飞机，不可能不计成本的去投入生产，必须考虑大众对于飞机票价的接受程度。第三，是乘客体验的边界。按照目前的技术条件，乘坐超音速飞机的时候，通常会伴随非常吓人的噪音，让乘客感觉到非常的不舒服，这显然无法应用到商业飞行领域。所以，如今商业飞机的飞行速度，无疑会受到技术、成本、用户体验等多重因素的影响；而我们能做的，只是在这些边界的约束下，把商业飞机的设计和制造做得更好而已。

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彭老师，金融产品的边界约束有这么几项，一是项目标的，它决定了产品的收益与风险，二是内部管控，首先要能识别其中的风险，其次是具备管理资产的能力，两者结合才能推出产品，三是客户需求，根据投资人的额度、期限以及收益要求做针对性的产品调整，这样做才有销路，四是外部政策，这就是金融监管的限制，比如管理方式与产品结构会设立种种约束，或者明令禁止。

金融产品的创新，一方面是与时俱进的结果，另一方面是规避监管的产物。

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很典型的例子就是三防手机，三防手机的特征是，抗压，防摔，防水，防尘，防震，抗腐蚀，信号好，电池够用。

一部好的三防手机在我们眼中就会觉得，这么差的配置居然卖这么贵。

其实，这是三防手机对抗恶劣环境下所形成的，三防手机一般用于危险工作中，例如跨海大桥焊接工作，护林员，石油勘探，伐木工，探险者等。

这些危险工作对手机的要求只是保障通讯，拍照，和手机的定位。

沙漠地带或者粉尘多的工地，这要求手机也能防止细小颗粒进入手机内部。

水下二三十米的工作，这要求手机长期在水下能不会渗水，有很好的抗压性，还不会变形。

高空作业，要保证手机在几十米的高空，以任何角度掉下都不会摔变形。

真正的三防手机会有严格的ip防护等级。

不像我们民用手机说的用了什么三防技术，这些都是花架子，例如现在世面上的防水手机，如果手机外壳摔变形，密封圈破损，这时候还能防水么，这是个问号。