机械工程概论电子版(大学生造卫星，一场800万元的试验)

Posted 2023-05-29

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机械工程概论电子版(大学生造卫星，一场800万元的试验)

2月27日之后，武汉大学遥感信息工程学院的学生，感觉自己有了新“身份”。

当天，在海南文昌航天发射场，长征八号遥二运载火箭成功将22颗卫星发射升空，创下我国一箭多星的纪录。其中的“启明星一号”卫星是由武汉大学牵头，是以50多名武汉大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（以下简称长春光机所）、哈尔滨工业大学学生为主体研制的。

以前，面对家人“遥感学的啥”这样的问题时，这群珞珈山下的学子不知如何更好地回答。这一次，他们有了答案，“就说是造卫星的”。

这颗重量只有19.2公斤的卫星，装有一台可见光相机和一台红外相机，可见光谱遥感分辨率达21米，白天能够获取32个波段的高光谱遥感，夜晚也能获取8个波段的多光谱遥感和红外光遥感。

提出研制“启明星一号”并总负责的金光教授，曾是“吉林一号”卫星副总设计师。2019年退休后，他获邀加入武汉大学宇航科学与技术研究院，学校拨给了他1000万元科研启动经费。

金光从中拿出800万元打造的这个卫星，将成为武大学子的“空间实验站”。

“造星”背后，是武汉大学求贤若渴，直面遥感学科短板的成果体现。在武汉大学遥感信息工程学院院长龚健雅看来，“启明星一号”以学生为研制主体，代表年轻一代“像星星冉冉升起”。

3月9日，武汉大学宇航科学与技术研究院实验室，屏幕上显示着“启明星一号”的飞行位置、参数等模拟信息。新京报记者杜寒三摄

“自己造个卫星怎么样”

“武大遥感世界第一，有最雄厚的师资力量，你们会成为最优秀的人才”，2016年，黄淑娟考入武汉大学遥感信息工程学院时，老师如此向本科新生介绍。

这并非一句套话，根据高等教育评价专业机构软科发布的信息，武汉大学遥感技术学科已连续五年排名世界第一。

“我们厉害在哪？”当时还不了解情况的黄淑娟，疑惑中带着好奇。直到大一上学期开始上课，六名院士轮流授课《测绘学概论》，她才有所体会。

第一堂课，她去晚了些，教室已经坐满了人。黄淑娟只好抱着电脑，倚着教室后排的墙坐在地上。

每次课前，学生们都排着队，摊开课本找院士签名。集齐六个签名的幸运儿会发条朋友圈，开玩笑说可以“召唤神龙”。

比黄淑娟小两届的林炜华记得，当时仍健在的宁津生院士，走路和写板书都慢腾腾的，字与字的间距也拉得大。早上8点上课，9点50分下课，林炜华听课都听累了，但80多岁的宁津生“一直都不坐，坚持站着讲课”。

这让林炜华觉得是种传承，“引领新一代遥感人进门”。

除了传承，武汉大学遥感信息工程学院也重视实践。

黄淑娟大二那年，学院包了两辆大巴，组织六七十个学生到武汉大学遥感卫星地面站参观。地面站建在山上，外形像锅盖，还有一个天线。她抬头想，“是不是有卫星正在接收信号？”

参观结束后，黄淑娟操纵无人机，悬停拍下同学们的合照。

如果问这些学生什么是遥感，他们多半会给出诗意的答案，“遥感就是遥远的感知”，简单来说，就是无人机、飞机、卫星等，从低到高直至太空，通过电磁波等信号回传，获得地面信息后进行处理。

但想从太空感知地面，并不容易。

尤其是加入科研团队后，找不着数据，成了黄淑娟的一大困扰。

多光谱影像承载更多的色彩信息，全色影像分辨率高，黄淑娟想结合两者优势做影像融合。但开源的影像并不好找，商业卫星则要收费。

她算了笔账，购买满足实验需求的影像，要花数千元钱。而如果想研究时间跨度较长的影像，只能向国外卫星机构订购。

2019年研究生论文答辩时，教授金光问数据哪里来的，学生都说是国外卫星。金光就说，“咱自己造一个卫星怎么样？”

他解释道，有时想要昨天的数据，国外卫星只能提供10年前的。他打了个比方，选择国外卫星就像吃饭，吃什么只能由厨师说了算。要了碗海参炒面，发现海参只是厨师名字，并没有真海参。

金光与一同出席答辩的教授巫兆聪商量，在教学上搞个改革，造个卫星让学生互动实验。需要卫星图像时，下达拍摄指令，拍完后若不合适，再调整参数。

两人不谋而合。

3月9日，武汉大学遥感信息工程学院一楼大厅，挂有两院院士照片。新京报记者杜寒三摄

“金大胆”的算盘

研制卫星，金光有他的底气。

退休来武汉大学前，他长期在长春光机所工作，人称“金大胆”。

长春光机所做航天相机出身。早在2003年，金光就找到领导，问能否不依托别人，连相机带卫星平台，自己做出一个闭环来？

2005年，所里拿出一大笔钱，支持创建新技术研究室，金光担任主任。最初手下一个人也没有，他又争取到政策，报名参加的研究生划到他名下，提前预留研究所的工作。海报贴出后，第一批招到11人。

从学生中挑，金光有他的算盘，“一张白纸能画出更好的画”。

半路出家的金光，顶着“瞎忽悠”的争议，从光学设计到机械设计，再到自动控制，手把手训练学生。

特批的火箭运载能力达1.2吨，但当时研制的卫星重量只有420公斤。航天事业充满曲折，如果剩余空间留给其他单位，火箭能否如期发射就有变数。

2014年六七月份，金光与火箭方商量，剩下的空间全包了，再造三颗卫星。

第二年，“吉林一号”一箭四星发射成功，成为我国首颗自主研发的“星载一体化”商用卫星，也是我国第一颗自主研发的米级高清动态视频卫星。

2019年，与多年前在长春光机所类似，招新海报也在武汉大学贴出。

那时黄淑娟已加入巫兆聪科研团队，巫兆聪找到她，“要让学生造一颗卫星，愿不愿意参与到项目里？”黄淑娟立马就应下了，但心里仍不免嘀咕，“我们也能造卫星，骗人的吧？”但她又觉得老师不像是开玩笑。

3月11日，金光在办公室接受采访。新京报记者杜寒三摄

“修图师改行造相机”

此后将近一年的时间里，黄淑娟都在搜集20世纪70年代以来国内外卫星的载荷、波段范围、空间和时间分辨率、应用等资料。找不到数据，就从一篇篇论文中挖。挖出来的数据，再通过做实验论证其准确性。

这是一个漫长而枯燥的过程。

早上9点到实验室，晚上11点多离开是常态。遇到赶时间，指导老师把他们“关”在实验室，不停地提出建议，学生们修改，老师再反馈，一直忙到夜里12点。

学校宿舍楼晚上11点半关门，黄淑娟同宿管阿姨说好话，“对不起，我回来晚了，辛苦阿姨给我开门”。阿姨开了门，“下次早点回来呀”，黄淑娟不敢答应。第二天，黄淑娟还是从实验室回来得晚，不同于前一天初犯，这次阿姨让她做了登记。

卫星研制过程复杂，一般分为机械、热控、姿态控制、星务、通信、电源动力等几大系统。学生们在不同的团队分工合作。

3月9日，武汉大学宇航科学与技术研究院卫星仿真测试实验室，还挂着“‘启明星’卫星发射及测控第二现场”“预祝‘启明星’微纳卫星发射成功”的横幅。

五台液晶电视挂在墙上，显示着卫星飞行位置、参数等模拟信息。桌上摆着一套卫星仿真系统，还有一个像不锈钢饭碗的飞轮。端起飞轮，随着内部器件的高速转动，会看到双手发生偏转。卫星上也有类似的飞轮，这也是卫星改变飞行姿态的方式之一。

博士生张雪峰负责卫星模拟仿真系统的搭建与调试。最开始时，满屏幕的专业术语，他几乎都不认识。研究图像处理的他，将这种跨度比喻成“用修图软件的修图师改行制造相机”，而且是造能在太空飞的相机。

金光把张雪峰和另外两个学生送到长春光机所集训了一周。张雪峰觉得，就像进了大观园。老师讲解时，他们一边做着笔记，一边还要用手机录视频。四五条每条时长30多分钟的视频，成了宝贵的资料。回武汉后，三个人围在屏幕前反复观看。

带回的中心机没有信号灯，张雪峰接上电源，无法确定其是否工作。在接口连上显示器，但屏幕仍然不亮。几次尝试无果，他只得给长春光机所的老师打电话求救。老师一听就说，“会不会是电压调低了，没带起来？”张雪峰一试，果然是这个问题。

“启明星一号”研制以学生为主体，金光说，这不意味着教师放手，相反是在其中起关键作用，让学生少走弯路。设计图纸由他审查，不合格再返工修改，直到他认为可以投入研制，再开始加工，“学生是执行者。”

3月9日，摆在武汉大学宇航科学与技术研究院的“启明星一号”模型。新京报记者杜寒三摄

“老金，你花就行了”

2月27日上午，武汉大学“启明星一号”团队近20名老师和学生，在宇航科学与技术研究院卫星仿真测试实验室，观看1200多公里外的火箭发射直播。

张雪峰攥着手，仰着头，不敢眨眼。11点06分，白烟升腾，火箭尾部拖着火焰腾空而起，实验室响起掌声。十多秒后，火箭变成了一个小白点，直至再也望不见。

黄淑娟看着火箭越飞越远，有些不舍，低声问边上的同学，“发射成功了吧？”两人都不确定，“应该是吧”。

金光是沙场老将，他给大伙儿吃了颗“定心丸”，“发射成功了”。又是一阵掌声。

这颗卫星，花了金光800万元的科研经费。

2019年前后，中国科学院院士、武汉大学遥感信息工程学院院长龚健雅，三次赶赴长春邀请金光加入武汉大学。一个体现诚意的细节是，金光人还在长春，学院就给他备好了办公室。

龚健雅的盛情邀请背后，是武汉大学谋划遥感学科的一局大棋。

龚健雅2018年发表的文章《新时代世界一流学科建设的站位与战略布局》，至今仍在学院官网新闻栏中置顶。

文章提到，武汉大学的遥感学科目前能够排名世界第一，是因为几何遥感（包括摄影测量）很强，以及遥感信息处理的研究水平很高，得到了世界公认。但是遥感不仅包括几何遥感，而且包括物理遥感（或者说定量遥感）和遥感传感器。在遥感传感器方面，武汉大学还有相当大的差距，不仅没有达到国际领先的水平，在国内也难有一席之地。

公开资料显示，2018年12月30日，武汉大学宇航科学与技术研究院举行揭牌仪式，挂靠在遥感信息工程学院，力图构建遥感平台、遥感仪器、遥感信息获取处理与应用的完整科学技术体系，形成具有小卫星平台、空间遥感仪器以及遥感信息处理与应用的研究优势，打造国内领先、国际一流的遥感与航天工程类人才培养与科学研究基地。

作为引进的高端人才，金光拿到了1000万元的科研启动经费。用他的话说，这笔钱怎么花，“领导不管”。领导对他说，“老金，你花就行了，用在教学建设上就可以了。”

公开的《武汉大学关于加强海外高层次拔尖人才引进工作的实施意见》，是武汉大学高端人才科研启动经费标准的缩影。根据文件，以海外高层次拔尖人才为核心，组建配备学术团队，选聘工作助手，并以团队形式配套科研启动经费，其中理工、医科特别岗位资助额度为300万元至1000万元。

2021年武汉大学校长窦贤康接受媒体采访时的表述，亦可窥见武大的求贤若渴。

窦贤康说，武汉大学在高端人才队伍建设方面绝对量的增加，包括增长的速度和加速度在中国高校中表现突出，“只要我们把人才看成是一个大学最重要的核心指标，上下齐心，并借助一些外部力量，一定会把武汉大学的人才队伍建设得更好。”

“没有任何领导说你不能搞，院士们还说这个事值得做”，造卫星的想法不仅没有阻力，龚健雅还建议将原定的卫星名“遥感一号”改为“启明星一号”，“以学生为主体研制，代表年轻一代像星星冉冉升起”。

回顾两年多的研制历程，如何省钱是金光一直在考虑的。火箭发射卫星，每公斤报价15万元。换句话说，每减少卫星1公斤重量，就能节省15万元。

金光沿用了他在长春光机所提出的“星载一体化”，就像电脑一体机一样，载荷与卫星一体化设计，并体现轻量化。他拿起办公室桌上的烟盒，敲了敲，“以前一个板子是实心的，在实现抗弯效果的前提下，中间能不能镂空一点？”

金光说，按照传统的设计思路，若要实现同样的功能，卫星重量要在50公斤以上。而“启明星一号”最终重量仅为19.2公斤。

3月9日，林炜华所在的实验室，团队目前正在筛选湖北省内的目标水体以供卫星观测。新京报记者杜寒三摄

“最亮的星”

卫星成功发射，只是一个开始。

3月8日，还在念大四的林炜华，上金光办公室拷了一张“启明星一号”传回的图像。

金光操着东北口音，“小姑娘，快看看这个能做啥，你拷回去。”两个人凑在电脑屏幕前，图像色调是绿色的，放大能看到水体，还有一些农田。

“启明星一号”团队曾在遥感信息工程学院进行问卷调查，搜集学生今后想依托卫星做的应用与研究。

有个想法让黄淑娟印象深刻，用夜光影像研究城市内的“鬼城”，计算房屋空置率，“现在光说建了多少房，但有没有人住并不知道。”

林炜华所在的实验室，正在筛选湖北省内的目标水体。金光曾表示，“启明星一号”能“看清”水体的主要污染物，为水体环境监测提供预警。采集的夜光遥感影像是彩色的，能更好地用于分析城市灯光与经济发展间的关系。

2018年6月，由武汉大学牵头，联合长光卫星技术有限公司研制的“珞珈一号”科学试验卫星成功发射入轨。

那时，黄淑娟正在准备期末考试。朋友圈一水儿都是“珞珈一号”，还有人说“大家快记一下‘珞珈一号’的载荷、发射时间和相关信息，肯定会考”。黄淑娟特意看了一眼，没想到考试真有这道题。

四年前的故事，将迎来续集。

今年1月，武汉大学在其官方微信公众号发文，依托宇航科学与技术研究院，后续还将发射“珞珈二号01星”“珞珈三号01星”“珞珈三号02星”。

珞珈山的春天来了。前些天，林炜华一出宿舍，就看到了盛开的樱花，“猝不及防就跌入了春天”。

3月11日，武汉大学盛开的樱花，不远处有学生走过。新京报记者杜寒三摄

卫星刚，樱花柔，这两者都让她觉得浪漫。

林炜华说，启明星又叫金星，清晨在东方天空出现。等“启明星一号”飞过武汉上空，她会抬头多看两眼，就当看星星，“在我心中，它就是最亮的星”。

尽管她知道，用肉眼看到这颗40×30×40厘米的微纳卫星，可能只是徒劳。

新京报记者杜寒三编辑袁国礼校对吴兴发