08 | 微纳：为什么小卫星是大趋势？

你好，我是彭天放。欢迎跟我一起透视卫星技术前沿。

讲完了前面卫星面临的挑战，这一讲开始，我们看看有哪些前沿技术和重要的发展趋势值得你关注。

我们先从第一个大趋势讲起，那就是卫星正在迅速变小。

1.卫星正在变小

2017年，印度的一枚极轨卫星运载火箭发射成功，引起了很大的国际关注。

这次发射的特别之处在于，这艘火箭同时搭载了104颗卫星上天，创下了人类单次发射卫星数量的最新世界纪录。

你光听这个数字可能觉得没什么大不了，但其实直到20世纪末，一艘火箭同时发射三、五颗卫星都非常了不起。就算是上一次的世界纪录，2014年俄罗斯的第聂伯火箭也只同时发射了37颗卫星。

但是仅仅在三年之后，印度竟然把这个纪录刷新成了三位数。

为什么一箭多星技术会发展得这么快呢？是因为火箭更能装了吗？我们来稍微对比一下，你就会发现并不是。美国登月的时候用的土星5号火箭运载能力有大约120吨，而这次印度发射用的火箭，运载能力大概才1.4吨。

其实真正的原因并不是火箭变大了，而是今天的卫星变小了。

印度发射的104颗卫星除了一颗重700公斤之外，剩下的103颗卫星平均体重只有6公斤，其中最小的只有1公斤重。不过这些卫星实在太小了，所以不少媒体借此嘲笑印度，说他这哪是在发射什么卫星啊，明明就是往太空中丢了一袋土豆。

那这么小的卫星到底有什么用呢？是不是在制造太空垃圾呀？其实正相反，卫星的微小化也许是这几年最值得你关注的卫星发展方向。

传统的大卫星通常都有好几吨重，翼展有的时候能达到几十米。像目前正在服役的美国长曲棍球系列侦察卫星，工作的时候一展能达到45米，重量超过15吨。

那小卫星到底能有多小呢？

2012年美国发射的鹰眼微型卫星重量只有12公斤，可以在太空中拍摄分辨率为1.5米的图像，并把数据传输给地面部队。

2013年美国发射的环境实验纳型卫星重量只有5公斤，体积只相当于3瓶农夫山泉，这个卫星可以用来监测太空环境的变化。甚至还有人往天上发射过跟你的手机差不多大的卫星，重量都不到100克。

你还记得第二讲中马斯克的星链计划吗？他这次发射的60颗卫星也都是重量220公斤左右的小卫星。

如果打个形象点的比方，这些大卫星和小卫星，就像是一截火车车厢和行李架上的一个双肩包之间的差距。

2.卫星为什么能够越来越小？

你可能好奇，卫星为什么突然开始变小了呢？答案其实很简单，不是以前不想把卫星做小，而是因为以前我们做不到。

这几年小卫星能够大行其道，其实得益于一门统称为微纳尺度工程的技术。这门技术简单来说就是把所有的东西在功能基本不变的情况下做得越小越好。

比如说你可能熟悉的集成电路或者芯片，以及你可能不太熟悉的各种卫星机械单元、传感器都属于这个领域。

在技术上把东西变小，意味着可以大幅度地提高设备的功能密度。所谓功能密度就是每一单位体积的设备所发挥的功能大小。

功能密度的提高意味着要么在原有的体积基础上，设备的功能快速增强，要么就在原有功能不变的基础上体积急剧变小。

比如你现在手里的手机和电脑，就是在体积基本不变，但是功能越来越强的过程中发展。微纳卫星也是同一个道理，不过正在经历功能基本不变，但是体积却越来越小的发展过程。

3.卫星变小有什么好处？

为什么微小卫星这几年受到追捧呢？因为变小之后的好处实在太明显了。

第一点，就是卫星变小之后性能的可靠性反而相对提高了。

这是为什么呢？其实也不难理解。大卫星动辄有几十万个零件，而小卫星的元器件少，设计简单，本身系统就不会那么复杂，可靠性就更容易提升。

而且更重要的是，大型卫星的平台价值通常都有几亿美元，出点故障平均就要亏损几千万。所以为了减少故障的风险，在设计之初就需要对可靠性有非常高的要求。所以很多时候，大型的卫星宁可选用保守安全的低性能元器件，也不会轻易冒险创新。

但是小卫星就没有这些问题。单颗卫星的成本比较低，所以即使出了故障也没有多大损失。坏了不会那么心疼，所以更倾向于做创新，用性能更好的元器件。

上一讲中，我们提到卫星的可靠性要求，在这几年出现了一个相反的发展趋势，那就是今天因为小卫星的出现，我们可以为了性能更多地牺牲一点可靠性。

第二个优势，就是小卫星相比于大卫星部署更加灵活，反应也更加敏捷。

快速的部署意味着快速的迭代，这一点无论对于商业还是军事都至关重要。

比如说过去的半个世纪里面，半导体遵循的发展规律是摩尔定律，每1.5年的性能就要翻倍。但是一颗大型的传统卫星从设计制造到最终发射至少也要一两年，这就很难跟上最新的技术进展。

但是小卫星就不是这样，快一点的，在一两个星期内就能完成制造。这也是小卫星能够选择高性能器件的另一个原因。

还有就是在应对突发事件上，比如说某个局部区域突然爆发大规模的冲突，你很难提前一两年就预料到在哪里需要部署卫星。但是小卫星，就可以提高这种出现了突发事件区域的部署灵活度。

最后，也是最重要的一点，那就是卫星的成本门槛大大地降低了。

发射成本对于卫星技术的影响非常大。就算这些年来火箭发射的成本已经大大降低，但是每公斤还是需要5000-20000美元左右。

所以为什么航天员就要选择那些体重轻、个子矮的人呢？这可不只是为了舱内的操作方便，更是为了节约成本。你要知道，航天员的身高如果高一点，整套的生命保障系统的重量都要跟着增加，那一厘米就能差出几百万。

随着卫星体积的变小、重量的变轻，发射的成本也就降下来了。

一般的中型卫星，发射到近地轨道的成本差不多是1亿元人民币，而要是发射到高轨道那就更贵了，而10公斤左右的微纳卫星如果扎堆团购火箭，几十万人民币就可以发射入轨。

而且不光是发射成本降低了，研发成本也下降了。大型的卫星需要几亿美元做研发，而微小的卫星只需要几百万美元。像Space X公司这样批量生产通信卫星，成本还能进一步降低。这几年商业卫星公司大量地产生，其实离不开这种成本的急剧下降。

正是因为上面这些优点，卫星的微小化趋势成了各国和各个企业争相投入的热门方向。不论是在军事上、环境监测还是商业通信，小卫星的比重都在持续增加。

4.大卫星是不是过时了？

那既然小卫星的好处这么多，是不是说大卫星已经过时了呢？

小卫星能够完全取代大卫星的功能呢？

短期来看，暂时还不行。

一个理由是，在中高轨道的这个区域，大型卫星的优势依然非常明显。

现在中高轨道上的卫星几乎没有小卫星。因为这些轨道，一般距离地球都有好几万公里的距离。在这个距离上的卫星如果想跟地球通信，往往需要体积和功率都更大的天线才能实现。

另外，用火箭把卫星送到高轨道的成本也要远远地高于低轨道。

所以如果花这么多的钱发射一颗卫星进入高轨道的话，人们还是期望它能够多工作几年。所以这也不太符合小卫星一般寿命比较短的特点。

而且中高轨道上的卫星本身就要携带大量的燃料。

因为距离地球太远，这些卫星需要进行频繁的、甚至大幅度的轨道和姿态调整，这都是靠消耗大量的燃料完成的。大卫星之所以重量都在好几吨这个水平，其实很多时候，是因为燃料本身就占据了卫星超过3/4的重量。

当然，如果发射入轨的成本大幅度下降，或者出现了更高效的自带控制系统，是不是未来就是小卫星的天下了呢？

长久看来我觉得，也不会。

因为大卫星可以在更大的体积上，完成更全面的功能。

比如说侦察卫星，这些卫星主要功能就是对着地球拍照片，而决定这些拍照质量的关键参数就是孔径。

孔径，你可以简单地理解为镜头的直径。孔径越大分辨率就越高。美国很多侦察卫星的镜头直径都有四五米，这是小卫星暂时还没有办法替代的。

而且刚刚我们说卫星能够变小，是因为它的功能密度在提高。但这不只是小卫星，大卫星的功能密度也在提高，而且因为体积更大，还可以有更强的功能。

直到2016年，美国仍然在发射大型的军事卫星。据报道推测，它的天线直径就达到了100米。

所以我认为未来的格局更可能是，大小卫星协同发挥功能。

比如说军事卫星，小卫星就可以围绕在大卫星周围，负责警戒、信号传输，甚至还可以作为假目标来吸引火力。

本讲总结

总结一下这一讲。我从印度一箭多星的技术突破出发，带你认识了一个卫星发展的重要趋势微小化。

卫星变小之后有三个关键的优势：

第一，小卫星因为系统更加简单轻巧，允许我们为了性能牺牲一些系统的可靠性。

第二，小卫星的部署更加灵活，反应也更加敏捷。

第三，卫星的发射和研发的成本大幅度的降低，直接促进了商业航天的发展。

另外，我们还说明了一个问题，那就是今天小卫星虽然是个趋势，但是小卫星依然不能完全取代大卫星的存在。

思考题：

最后，我给你留了一道思考题，你能想到有哪些领域正像卫星一样，正在朝着微小化的方向发展吗？请在留言区写下你的答案，与大家分享。

刚才我们说，在很多情况下小卫星依然不能取代大卫星的功能。那有没有什么办法能让小卫星发挥出和大卫星一样，甚至更强的性能呢？

下一讲我们就来讲讲卫星发展的另外一个重要趋势网络化。

网友互动

以社区为单元的商业设施，正在逐渐增多，品类细分，模式创新。微粒社会正在来临。

健身房不再是大机构的天下，可能小区楼下就有一个自助健身房。

不知道什么时候，小区的24小时便利店越来越多，他们就是通过物理距离上的即时性打败线上网购平台便利性。

图书馆不再是学习的唯一去处，目前我已发现有将自习和饮品休闲相结合的商业模式，随时随时可以找到学习的地方。

自微信推出再小的个体也有品牌这一理念，各自自媒体，网购带货直播，IP赋能，Z世代圈层经济，私域流量等等无不体现了小的威力。

大有大的难处，小有小的优势。

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小型化甚至微型化的例子有很多。

SOC芯片。芯片从集成电路发展到特大规模集成电路，集成度越来越高，体积越来越少，处理能力越来越强。

存储器。属于半导体领域，无论是内存还有非易失性存储，存储密度越来越大，体积越来越小。如华为发明的NM卡，小指甲盖大小存储容量可达512GB。

汽车。汽车小型化如宝马mini品牌，微公交。

导弹。如中国的东方快递系列导弹越来越小。

等等

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#传感器为例谈微小型化发展#

传感器在各种工业领域包括航空航天等运用较多，且品种较大，高精度，小尺寸，高可靠性是目前的一种发展趋势。MEMS，微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的出现提供了可能，将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围纳米范围。目前国外的MEMS芯片占据了绝对优势地位，该技术也是目前国内传感器领域卡脖子关键技术。

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小卫星以后可能更加分工合作，通过涌现的方式来取代大卫星。小卫星可以去探索更广阔的世界，也可能去帮助大卫星进行健康监控或微信，也许会像切叶蚁一样发展为一个群落，有检修、维护、报警或者寻找更多的轨道资源

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医学上的微创手术，是利用腹腔镜、胸腔镜、肛肠镜等内窥镜在人体内实施的手术。优点是创伤小、疼痛轻、恢复快，正是科学技术发展使现代医疗器械及相关设备得到改善，让微创外科的手术给病人带来了福祉。

做过胃镜检查的人也会发现，胃镜也变得越来越细了，相对地使检查不那么痛苦了。

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卫星的可靠性要求，在这几年出现了一个相反的发展趋势，那就是今天因为小卫星的出现，我们可以为了性能更多地牺牲一点可靠性。这背后的思维方式转变太关键了：敢于浪费、敢于忽略，敢于失败，才能勇于创新而这本质上不是一个态度问题，而是一个技术与工程问题，更是一个经济问题。

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如今，几乎所有消费类电子产品，都朝着微型化的方向在发展。我记得上大学那会，几乎所有的个人电脑都是台式机，都是一台厚重的主机机箱，配上一台大大的显示器。而如今，我们每个人几乎都在使用轻薄、小巧的笔记本电脑，甚至是像微软Surface这样屏幕和键盘可拆卸的小型化电脑。当然，对于一些特殊场景，比如说工程制图、或者是游戏发烧友等等，性能更加强大的台式电脑还是能够发挥自身的优势。相信在未来，随着云技术的发展和普及，我们能够把更多的复杂运算移到云端，那么，以个人电脑为代表的电子产品，已经可以做到更加微型化、集约化。