西瓜创客【42号计划】


“Remember to look up at the stars and not down at your feet“

始终要记得抬头仰望星空,而非埋头看着脚下。
——斯蒂芬•威廉•霍金


1、引言


1990年,旅行者在冲出太阳系之前,回望了一眼地球,地球在它眼中变成了一个肉眼面前可见的暗淡蓝点,之后,旅行者号便义无反顾的冲出了太阳系,这也是人造设备第一次飞出太阳系。

天文学家和诗人作家卡尔•萨根对此描述说:“那是我们的家园,我们的一切。你所爱的每一个人,你认识的每一个人,你听说过的每一个人,曾经有过的每一个人,都在它上面度过他们的一生。我们的欢乐与痛苦聚集在一起,数以千计的自以为是的宗教、意识形态和经济学说,所有的猎人与强盗、英雄与懦夫、文明的缔造者与毁灭者、国王与农夫、年轻的情侣、母亲与父亲、满怀希望的孩子、发明家和探险家、德高望重的教师、腐败的政客、超级明星、最高领袖、人类历史上的每一个圣人与罪犯,都住在这里——一粒悬浮在阳光中的微尘。”

曾经,我们的祖先抬头仰望星空,以为自己是宇宙的中心,万物星辰围绕我们运转,直到布鲁诺用被焚烧的代价,来冲破人类认知的枷锁….
曾经,我们以为太阳系是宇宙的中心,直到我们发现,整个太阳系不过是银河系第三悬臂边缘的一个卑微的存在….
曾经,我们以为银河系就是整个宇宙,而后来,我们才知道,银河系不过是宇宙中上万亿个星系中的小小一员….
每一次人类尊严或者说自大的退却,换来的都是力量和认知的更大进步。
今夜,让我们再一次,站在无数先哲的肩膀上仰望星空并认知星空,并由此而发现一个从此会更为谦逊,也更为强大的自己。

地球是人类的摇篮,但人类不会永远生活在摇篮之中。 

2019年1月23日,上海虹桥希尔顿酒店,2019西瓜创客编程未来节上,肖恩老师宣布【42号计划】正式发布。


2019年1月23日,上海虹桥希尔顿,西瓜创客【42号计划】正式发布


欢迎来到西瓜创客42号计划。
在这里,我们暂时放下对分数的烦恼,和先哲一起仰望星空;
在这里,我们了解宇宙、探索太空,学习宇宙探索的知识,我们会是人类第一代星际移民;
在这里,我们更会参与到中国第一次民营火箭的入轨发射,把自己的作品发射上天;
在这里,我们不仅要成为知识的知道者,更要成为仰望星空的行动者!
让我们一起相遇在去往“下一个地球”的路上。

2、什么是【42号计划】?

这是一个由西瓜创客发起,激发下一代探索宇宙,普及航天知识的科普计划。这个计划由宇宙课、立方星和探空火箭3个部分组成:


2.1、宇宙课


西瓜创客宇宙课课卡

为了帮助小朋友们探索宇宙的未知,我们开发了一套公益课程,这个课程综合了编程、数学、物理和天文的学习,能帮助你提升跨学科学习的能力,让好奇心获得启迪,培养自己对未知勇于探索的精神;欢迎一起在这个课程中了解人类太空探索的历程,了解嫦娥四号为什么能刷新人类宇宙探索的历史,并了解科学家是如何寻找地外文明。



肖恩老师在宇宙课上教孩子们编辑自己的阿雷西博信息

在所有的宇宙探索中,编程都起到了至关重要的作用。不论是在火箭发射、轨道计算、登月着陆,都有着大量的编程应用。所以我们的【42号计划】也会给大家普及编程知识,用编程模拟飞船运行,以及用编程转译阿雷西博信息(Arecibo Message)。



孩子们通过编程模拟嫦娥四号登月


西瓜创客宇宙课,于2019年2月20日开启,首批报名学习的孩子和他们提交的作品(已于2019年4月20日截止),将于2019年6月30日搭载星际荣耀的双曲线-Y1火箭进入太空,共同学习并见证中国民营火箭的第一次入轨发射。


2.2、立方星  

孩子们的作品和梦想,是如何被送入太空的?说到这里,就不得不说一下西瓜自行设计和制造的立方星了,而它,正是将孩子们作品和梦想带入太空的载体与容器。

2.2.1、什么是立方星 ?

立方星,源自英文 CubeSat,顾名思义,Cube 就是立方体,Sat 就是卫星(Satelite 的缩写),CubeSat 就是一个结构形状呈立方体的微小卫星,俗称立方星。这种卫星虽然重量轻体积小,但是能够搭载一定的空间实验载荷开展科学实验,并且价格低廉,目前已经成为一种国际化的微小卫星标准。


立方星


立方星看上去像只魔方,里面却是五脏俱全。不到10厘米的计算机主板可以管理卫星姿态、热控和应用载荷等所有星载系统;集成电路只有几十克重;动量轮仅拇指大小;用来星地间通讯的天线,只有1元硬币大;联通各设备的导线不足1毫米粗。

通常我们将10立方厘米大小称之为1U,因卫星功能和设备大小的不同,以U为单位,有2U、3U、4U、6U等多种大小和体积的 Cubesat。


零重空间6U星结构示意图


自2003年首次发射升空,Cubesat 立方星如今已进入许多实际应用领域,并于2014年入选《科学》杂志"2014年全球十大科学突破"。

“如我们想要将孩子们的数字作品带入太空,那么至少需要将一颗存储器放入火箭。“
”既然我们可以将存储器通过商业发射公司发射进入太空,那么,是否可以借这个机会来尝试来做一颗带有传感、存储和通信功能的,真正的卫星呢?“ 
”虽然大的卫星我们无法制造,我们是否可以制造一颗小的 Cubesat 呢?“ 

不得不说这些念头,让一贯以”What if “为信条的我们感到兴奋,于是,我们就开始踏上了制作西瓜创客 Cubesat 的历程。


2.2.2、西瓜创客的 Cubesat 是什么样子的?

在卫星设计制造领域零经验的我们,有幸请到了微小卫星设计制造知名企业零重空间的兰利东博士以及成都国星宇航科技有限公司的王珑博士作为我们的专家顾问,帮我们迈出坚实的第一步。



西瓜最早的设想,是希望能有机会在这次的设计和制造一颗可以进行地面通信和控制的遥感遥测卫星,但是在实际调研的过程中我们发现,因为发射过程中的各种特殊要求(防震、频率干扰)以及太空的极端工作环境(真空、超低温),卫星的设计、测试、材料和制造条件都非常苛刻。加上通信频段和入轨轨位方面需要至少提前半年进行申请,无法赶上我们本次既定的发射计划,所以最终我们决定,只设计和制造一颗具备传感探测和记录功能的载荷,而不是一颗真正意义上的卫星。

因为它还仅仅是一颗 Cube(立方载荷),而不是Sat(Satelite,卫星),所以我们将这颗西瓜创客试验性的载荷,命名为 Cube-X1。

这颗载荷主要功能,就是测量火箭发射过程中的运动矢量、海拔高度、气压参数、温度参数、重力加速度以及地磁参数等,通过和火箭通信,将数据传输给火箭,由火箭将数据传输到地面站,以供地面站进行实时监控。



西瓜创客载荷系统结构图


肖恩老师带队和载荷的承制方——方威电子的工程师们一起,开始载荷的电子设计,不要忘了,肖恩老师可是7岁就开始做电子设计,17 岁就带队获得过  intel 杯电子设计大赛冠军的资深创客哦~。


肖恩老师率队获得 2006年 intel 杯电子设计竞赛嵌入式系统单元冠军

首先,要根据项目的要求设计原理图,也就是线路该怎么走,电子元器件用哪些等。



西瓜创客载荷 Cube-X1 原理图

接着就是使用电路图软件,比如 Protel 或 PADS 等软件,按照原理图来画PCB板子,画板其实就是把这些元器件的封装排放好,连上线。在这里,我们用软件是 Altitum designer.



西瓜创客载荷 Cube-X1 设计图


然后,我们将图纸给到PCB厂家,他们根据电路板的大小进行开料,然后经过打孔、沉铜、电镀、退膜、蚀刻、绿油、丝印字符、成型、测试等这些工艺后,就得到了一块PCB板。我们在 PCB 板上按照设计图安装好CPU、存储器等各种元器件,也就成为了我们载荷的主板。

西瓜创客 Cube-X1 PCB 板

西瓜创客载荷 Cube-X1 PCB主板图



西瓜创客载荷 Cube-X1 主板功能区域图



最后,我们将这颗具有数据传感和搜集功能的 Cube,封装在了一个航空金属铝的精致外壳当中,而且使用激光雕刻的技术,为每一个面都雕刻了特别的文字或图形,赋予它独特的意义。

西瓜创客 Cube-X1 内部结构

西瓜创客载荷 Cube-X1 外观图

42年前,美国宇航局研制的无人外太阳系空间探测器旅行者一号(Voyager 1)发射,并且于1990年,冲出太阳系——这是人造设备第一次飞出太阳系,也是迄今为止人类造物所抵达的最远距离。



旅行者一号与金唱盘

旅行者一号在冲出太阳系之前,回望了一眼地球,地球在它的眼中变成了一个肉眼可见的暗淡蓝点,呈现在照片上的时候,就像是阳光下一颗发亮的微尘。


茫茫宇宙中宛若微尘的地球


宇宙科学家卡尔萨根在NASA讲解这幅著名的照片


正是那颗42年前被发射的旅行者一号,激励着我们提出了抬头仰望星空的“42号计划”——并不是所有的旅程都有归途,也并不是所有的探索都有回报,但是如果我们不曾仰望和启程,也就不会对未知有更深的认知。


离开太阳系飞入星际空间的旅行者一号


于是在 Cube-X1 的正前面,我们刻下了当年搭载旅行者一号升空,著名的金唱盘上的图样,用于缅怀这段伟大而浪漫的旅程,以及对于人类好奇心、探索精神和乐观主义的敬意。



旅行者一号“金唱盘”上的图形


西瓜创客载荷 Cube-X1 正面

在卫星的左右两个侧面,我们刻上了西瓜创客第一、第二和第三期学员的名字。感谢你们在西瓜早期(2017年1与至4月)还没有任何名气的时候,给予我们的信任和支持,让我们有幸陪伴你们成长。感谢你们父母的远见卓识,为你们发现并选择了这样一门全新的课程,并由此为孩子们洞开了一个宇宙。


西瓜创客载荷 Cube-X1 右侧面

西瓜创客载荷 Cube-X1 左侧面


在卫星的顶面,我们刻下了《小王子》的作者埃克苏佩里曾经说过的一句话:“如果你想造一艘船,千万不要鼓励人们去伐木、去分配工作、去发号施令,而是要教会他们去渴望大海的无垠和高深莫测。”我们相信,能够成功激发孩子们去渴望星辰大海,他们也就有了学习和创造的最大动力。

西瓜创客载荷 Cube-X1 顶面


曾经,我们的祖先仰望星空,以为自己是宇宙的中心,万物星辰围绕我们运转,知道布鲁诺用被焚烧的代价,来冲破人类认知的枷锁...

曾经,我们以为太阳系是宇宙的中心,直到我们发现,整个太阳系不过是银河系第三旋臂边缘一个卑微的存在...

曾经,我们以为银河系就是整个宇宙,而后来,我们才知道,银河系不过是宇宙上万个星系中小小的一员...

每一次人类尊严或者说自大的退却,换来的都是力量和认知的更大进步。

所以在卫星的背面,我们刻下了人类昂首奔赴太空数百年历程当中的那些伟大先驱们的名字,从伊萨克牛顿到阿尔伯特爱因斯坦,从加加林到杨利伟和翟志刚。让我们站在无数先驱的肩膀上仰望星空并认知星空,并由此而成为一个更为谦逊,也更为强大的自己。


西瓜创客载荷 Cube-X1 背面(含数据连接线出口)

Cube 背面的洞,是数据连接线的出口,采用航空转换头,连接到火箭的信号传输接口上。


2.3、探空火箭  

只有卫星/载荷是不行的,进入太空,我们还需要火箭。如果你学过西瓜创客 E 系列课程当中的“太空之旅”,那么对于多级火箭、轨道飞行这一类的基础知识一定不会感到陌生。

我们平时所说的航空航天,其实是两个概念,飞行器飞行在垂直高度大约100公里以下,叫航空飞行器;而飞行在垂直高度大约100公里以上的,就叫航天飞行器了。因为在此高度附近,因大气太过稀薄,难以产生足够支持航空飞行的升力,而这条航空与航天之间的分界线,就叫做卡门线。本次西瓜创客载荷选择的搭载火箭,就是星际荣耀的双曲线Y-1火箭,预计将在中国甘肃酒泉卫星发射中心发射升空,这也是中国民营火箭第一次入轨300公里高度。



首先,Cube 要被装配进入火箭。这个过程听起来很简单,实际上有非常多技术上的问题需要解决。比如现在的火箭作为运载工具,一次发射通常会搭载多颗卫星,而这些卫星需要在不同的轨道上以不同的秩序和姿态被释放。因为在火箭飞行的过程中会有震动,卫星和内部器件的震动频率也需要避开火箭的震动频率区以防止共震带来的损害。


西瓜创客载荷 Cube-X1 与星际荣耀双曲线一号 Y1 火箭接口对接评审会

西瓜创客载荷 Cube-X1 与一箭多星卫星支架上的试装配



然后,火箭会被发射到既定的高度,打开整流罩,释放卫星。根据用途不同,卫星所在的轨道是不同的:比如对地观测的卫星,一般在300-500公里,而高度在两万公里以上的高轨卫星,一般都跟通信有关。西瓜创客搭载的星际荣耀这一次发射,火箭升空高度将达到300公里。

最后,真正的卫星,需要以一定的初始速度进入轨道,大一些的卫星,是具备动力和姿态调整能力的,而且后续还需要通过太阳能板来提供动力。立方星自己是没有动力的,所以在释放的时候,需要有一个弹射的装置将它弹射进入轨道。

西瓜创客的Cube-X1,预计将会在2019年6月30日左右,搭载星际荣耀的双曲线一号火箭,在中国酒泉发射升空。

让我们一起来期待这激动人心的时刻吧!:)


附:【42号计划】里程碑

2019年1月23日,42号计划项目发布
2019年1月25日,立方星开始设计制造 2019年2月20日,西瓜宇宙课正式开课
2019年4月17日,载荷预装配
2019年4月20日,宇宙课作品搜集截止
2019年7月5日左右,火箭发射(最终日期待定)


文末彩蛋:为什么是【42】?

在道格拉斯·亚当斯(Douglas Adams)的经典科幻小说《银河系漫游指南》(Hitchhiker’s Guide to the Galaxy)中,一台名为“深思”(Deep Thought)的超级计算机经过700万年的思考,得出了关于“生命、宇宙和万事万物终极问题”的答案,这个答案就是“42”。但作者一开始并没有说明那个“终极问题”究竟是什么,这成为无数科幻迷、天文爱好者心中一个长久的谜团、不断追寻的问题,也成为宇宙探索中一个意味深远的暗号,背后是无穷的未知。
(如果你想知道更多关于【42】的故事,可详细阅读《银河系漫游指南》)