宝博体育本人航天领域，这个领域号称是工业的皇冠或皇冠上的明珠这些，那我也来介绍一颗自己研究的卫星，ESA（欧洲空间技术研究局）的GOCE卫星（重力场和稳态海洋环流探测）。

　　导师全程参与了这个项目的论证、管理及科研工作，本人也做过很多研究，跟大家说起来也得心应手。不多说，先放一张图，

　　这颗卫星是2009年3月27日发射的。最主要作用是详细测量地球重力场，2013年已经返回地球了宝博体育。

　　众所周知，地球不是个球体，但也不是个椭球，而是个异常复杂有着不同重力分布的奇怪物体，如果按照重力场的异常/变化去画，地球基本上是这个样子的（注意，这个并不代表地球的真实形状），

　　而且这个重力场还是在不断变化的。为了获得如此精细的测量信息：1.卫星自然不能飞得过高，就好比拿尺子测桌子长度必须紧贴在上面一样；2.卫星必须得带超高精度的尺子，千分尺肯定比米尺读出来的有效位数高，这个显而易见了。

　　那么，这颗卫星就飞在了250千米高的轨道上，这个轨道忒低了，一般卫星进入这个就变成了自杀模式：这个高度上的空气密度虽然只有地球表面一亿分之一不到，但由于卫星飞的速度在7km/s以上，依然有“比较大”的摩擦力。这个力对最小的生物几乎都不会有影响，但对卫星寿命影响很大，会导致卫星轨道降低提前失效返回地球。

　　对于GOCE卫星而言，这个摩擦力也会影响重力测量仪器，所以要把它修正掉。用的是一种叫做等离子发动机的东西，

　　它利用电离的氙，在电磁场里加速到40000m/s的速度喷出去，产生反作用力形成推力，帮助GOCE卫星实时抵消空气阻力。整个过程是全自动的，它的作用力大概在毫牛顿级别。这个力的大小大概相当于你喝牛奶时一滴奶不小心掉到了地上，然后它这个落地的冲击力用来推送这颗将近15个你（你有60公斤？）体重的卫星去克服阻力飞行。只用了40公斤氙燃料，整个任务期间全程保持发动机开动，推了这颗卫星四年时间！燃料用完，卫星两个月就被大气拖回地球了。

　　都说了，它最重要的还是为了测量重力，既然飞了这么低，肯定要用超级精密的“尺子”来丈量地球啊。用的是下面这个重力梯度仪，

　　这玩意全世界只有一家欧洲的公司能造出来，连美国人都不卖，因为这个东西实在太可怕了。它可以测量到十亿分之一的重力，这是个什么概念呢？

　　那么这么多精密的仪器在测量，咱们怎么也得精确知道卫星的位置吧，毕竟没有精确位置信息的测量数据都是木有用的。咱们就用GPS，这也是我做的课题：用GPS给这些卫星确定位置

　　这颗卫星每90分钟就绕着地球飞一周，中间跟你隔着大气层和各种干扰因素。就在这种情况下，利用这些飞得高的（20000千米）卫星去定位飞的低的（250千米），我都能把这颗卫星的轨道精度定在了2厘米以内。

　　为了获得这个精度，先不说必然要考虑的地球月球太阳引力、卫星的各种建模、太阳光压、地球潮汐了，就连大气潮汐、地球反射的太阳光造成的光压，都要考虑进去。

　　为啥我知道是2cm精度，打激光啊，全球有几十个激光站，每个都在24小时自动工作，时时刻刻都在往天上打激光，检验这些卫星的位置精度。这些激光的准度在1毫米以内。

　　看起来相貌平齐？这玩意说起来也简单，对着太空拍照，拍下来之后跟自己存的宇宙背景图对比，然后就知道自己的姿态信息了。

　　这个精度在角秒级别！！！没概念？圆的一周是360度，每一度都是3600个角秒。所以它的精度在3600分之一度这个级别上，别挤眼了，你用肉眼是不可能看出这个级别的。

　　这还没完，它还全身各种微冲发动机、热控措施更是举世无双，但太专业就不跟大家多说了。大家可以想象它能做出什么样的结果？

　　地球重力场按切蛋糕一样慢慢研究，就先分个1000乘1000吧，9,8的重力加速度不准确，咱们再往后来个10位有效数字？格陵兰岛、南极这些地区的冰川，能分成N多区，每个区域融化速度不同、甚至有的在变厚；电离层突发的闪烁和干扰，各种你从来没听说过的大气现象；今年夏季亚马逊雨林的下雨量要比往年少了XX亿吨；印度干旱、加州农业灌溉导致的地下水流失，三峡大坝对周边重力的影响；东日本大地震后地震波对大气密度的波动；荷兰今年冬天温度不对，咱们看看加勒比海的洋流是不是不正常？这次厄尔尼诺现象，跟往年不太一样，至少差出几千万平方公里吧，分别是XX、XX区域。

　　我们这个行业可以说集合几乎人类所有理工学科的智慧，但是要是找出一个科技含量最高的代表来，我觉得还是非光刻机莫属。

　　外行的知友可能不知道光刻机的作用，简单来说，光刻就是利用光与特殊光学响应材料的作用，形成密集图案结构的过程。没有图案的完美制备，芯片制造就无从谈起。

　　看起来好像没什么大不了，但实际上，其难度之大，集成的学科种类门数之多，可能在整个人类科学发展进程上，都是数一数二的存在。

　　就我所能理解的，至少结合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别等多个学科的智慧。

　　这里，我们拆分一下光刻工艺的过程，看看它是怎么把各个门类的科学“揉合”在一起的。

　　在这个过程中至少集合了流体力学、表面物理和化学，晶圆首选要经过六甲基二硅胺烷的疏水化处理，随后光刻胶泵送系统要在晶圆中心准确地滴入精确体积的光刻胶，同时配合晶圆高速旋转，最后形成厚度极其均匀的光刻胶薄膜（先进节点一般要求在±2nm以内）。在这个过程中，疏水处理时间与温度、晶圆转速、光刻胶用量、浓度、黏度等参数都要精确控制。

　　上面动图中，每片晶圆都先后经过量测和曝光的过程，为了提高晶圆的output，已经完成量测的晶圆（上图右半边）在步进式曝光的同时，后续跟进的晶圆（上图左半边）在进行着量测。

　　量测的目的主要是找平（leveling），因为光刻胶虽然已经铺的非常平整了，但是对于曝光来讲，其平整度还是无法被认定为完美的平面，因此需要扫描并探测出整片晶圆的光刻胶高度，以在后续的曝光过程中进行焦距补偿。

　　检测器在快速扫描的过程中，通过光线反馈的信号，快速记录并拟合出光刻胶分布的leveling图像。

　　曝光步骤涉及的学科至少包括光学、数学、高分子物理与化学、表面物理与化学。

　　曝光是一个特别精密的过程，先不说曝光本身需要的光源调节、焦距调节是多么地精确，单是晶圆移动的精确度，就已经让人叹为观止了。

　　晶圆每次移动的距离大约为0-10几厘米级别，先进工艺中，要求它的移动误差为几十纳米级别，它们的数量级相差了10的7次方。

　　这是什么概念呢？我自己换算了一下，相当于把一个物体从北京搬到上海（距离约为1000公里），它的理论目标位置与实际到达位置的偏差只有10厘米。

　　实际上，晶圆的移动不止这么简单，因为它不只是有x、y、z三个方向的平动，还有三维转动伴随在里面，以满足焦平面和光刻胶平面的最佳吻合，这个转动幅度也是在几十纳米范围内。

　　所以你看，单是实现移动这一件小事，就需要感应装置、机械装置、数学计算与拟合的协调统一。

　　而曝光过程本身，就更加复杂了。曝光本身对光源的集中度和光波长的纯净度要求极高，先进工艺使用的是准分子激光来获得波长更短的纯净光源。这部分内容太过专业，就不做展开讲解了（实际上是因为太复杂了，答主还没弄明白）。

　　光刻之后，就要对光刻效果进行评估，最常见的就是缺陷评估和关键尺寸（Critical Dimension，简称CD）量测。

　　要知道，这些评估通过都是通过计算机来自动实现，因为不可能通过效率极低的人力的方式。而缺陷的形状五花八门，计算机怎判断出来哪里是缺陷？怎么自动判断出关键尺寸的大小？这里，就需要光学探测成像与图像识别算法的高度配合。

　　所以你看，为了实现完美的光刻工艺，工程师几乎是把人类理工科智慧的精华全都用上了。从这个角度讲，光刻机作为现实中高科技含量的代表，我认为当之无愧。

　　说起电视，大家的印象可能是大屏幕液晶，年纪大一点的印象比较深的可能会是那种CRT真空管电子束的大电视，现在的中学物理课本还很爱用里面的电子模型出题目，算不出是不是还可以怪出题者太老土。

　　它结构简单到令人发指，而且这是一套从摄像到放映的完整电视系统，如果忽略其中的无线传输环节，这套系统就只有光敏元件和光源两个重要的电子器件。

　　发明者虽然是有些落魄，但不要以为这是什么泥腿子发明家折腾出来的土电视，这套系统可是世界上最早的实用电视，BBC指定的合作方。

　　说完一些成就该讲讲原理了。这套系统带来的震惊在我看来并不亚于当年的越王勾践剑，颇有差分机的风范。

　　如上图，扫描盘B上以螺旋线排列有一系列的圆孔，当扫描盘逆时针旋转时，圆孔逐个扫过假人A的正前方，并从左至右将假人的影像分隔为纵向的条状像素。

　　在假人的正前方设有光敏元件，假人的条状影响通过圆孔被光敏元件接收，光敏元件将接收的影像按照时序明暗转化为电信号。

　　电信号传输到灯泡，产生明暗变化的光线，这时候只要用一个与信号同步的转盘就可以一条一条像素还原出完整的图像。

　　听起来可能有点晦涩，我们可以打个比方，假设我们用黑白两色的方块拼好了一个二维码，你的朋友想要复制你的这个杰作，于是你按照从上到下从左往右的顺序一列一列地将每一个方块的颜色记在纸上，写成一行文字，折成纸飞机飞给了朋友。

　　朋友拿到了纸飞机，拆开阅读里面的文字，并按照你记录的顺序从上到下从左往右一个一个地将方块拼好，复制出了你的作品。

　　一是刷新率很低，而且受制于扫描盘的转速，也就是电机的转速，同时因为每次只刷新一条像素，早期的机械扫描式电视画面割裂感严重。

　　二是分辨率太低，如上图，由于扫描方式的特殊，电视纵向的分辨率非常高，但横向分辨率很低，早期的机械扫描式电视也不过24线的横向分辨率。决定横向分辨率的即是扫描盘上孔的数量，为了保证通光量，孔的直径不能做得很小，要增加孔的数量势必要做大整个扫描盘。所以机械扫描式电视一般都自带电视柜。

　　别看这种机械扫描式电视笨重简陋，在后期还发展出了625线线的标准，也就是说横向分辨率能达到1000像素，今天HD的标准单向最大分辨率也不过1280像素，某种程度上也算是大力出奇迹的做法。

　　不过还没完，机械扫描式电视还曾经发展出彩色的版本，通过在扫描盘与光敏元件之间增加三原色的滤光片，将被摄物体影像分成三种颜色分别捕捉，再分别放映，就能得到彩色的图像了。这套三原色也就成了后来大家公认的红绿蓝三原色。哦，对了当时是1940年代。

　　看到有人说第一张图里的人头模型有些惊悚，我要说一下，他是发明人最孤独最落魄时期唯一的伙伴宝博体育，他是帅哥比尔，给一张他的特写。

　　，当物体运动时，时间会变慢，运动速度越快，时间就越慢。因此在地球上看GPS卫星，它们携带的时钟要走得比较慢，用狭义相对论的公式可以计算出，每天慢大约7微秒。

　　，物质质量的存在会造成时空的弯曲，质量越大，距离越近，就弯曲得越厉害，时间则会越慢。受地球质量的影响，在地球表面的时空要比GPS卫星所在的时空更加弯曲，这样，从地球上看，GPS卫星上的时钟就要走得比较快，用广义相对论的公式可以计算出，每天快大约45微秒。

　　在同时考虑了狭义相对论和广义相对论后，GPS卫星时钟每天还要快上大约38微秒，这似乎微不足道，但是如果我们考虑到GPS系统必须达到的时间精度是纳秒级的，这个误差就非常可观了（38微秒等于38000纳秒）。

　　实际生活中，如果归结到原理层面，科技含量很高很高的东西太多了，手机里的芯片制程都是纳米级别的，妥妥的纳米技术。然而这些技术一般人完全无法理解，没多少人在意其科技含量有多高。而热泵系统在生活中足够常见，也刚好位于“常识”与“不可理解的高科技玩意儿”之间，原理来源久远，1824年就提出了原理，真要弄得很厉害又需要很高的技术含量。

　　因此我郑重向大家推荐，以“能不能理解热泵原理”作为日常生活中判断一个人是否具备基本的科学素养的判断标准。

　　4、抱着空调出风口或者暖气片舒服得浑身哆嗦的人，完全不去想这玩意儿为什么舒服。

　　我农场保卫科科长小黄就是第四种人，往暖气片上面一趴，舒服得舌头都吐出来了。至于为什么他会吐出舌头，是因为他是一条狗，俗话说狗撵摩托不懂科xuo，指望他理解热泵原理是扯犊子的。

　　我有一台热效率1:6的水源热泵，算是国内比较领先的了。最开始国内开始有热泵取暖机组的时候，我记得实际工况下热效率只有1:3.8，据说现在已经有了1:8的。也就是说宝博体育，消耗1焦耳的电能宝博体育，能够产生8焦耳的热能。

　　我先把温度是28℃左右的深层地下水抽上来，想办法把它温度降低到22℃，再灌回地下去，大地母亲会把它重新加热到28℃的。大地母亲就是这么慷慨。

　　也不是不见了，我把这部分热能偷走了。我偷去哪儿了呢？我把它偷到我的大棚里面去了，让蔬菜冬天也能暖暖和和舒舒服服的，顺便接了一点去屋子里，让黄科长趴着吐舌头，照顾好每一个员工是农场主的责任和义务。

　　这个管道就是热水管道，里面都是我从大地母亲那里偷来的热量。热水变冷，又跑回热泵那里去被加热，再回来为蔬菜和黄科长供热。

　　所以，我们不产生热量，我们只是热量的搬运工。我们从大地母亲那里把源源不断的热量搬运到大棚里边，实际上不一定就是大地母亲，也可以是大气。大地母亲那里偷，就叫“水源热泵”，大气那里偷，就叫“气源热泵”。气源热泵更常见一些宝博体育，我们家用的空调和冰箱就是。

　　在这个过程中，影响我们从大地母亲或者大气里面偷热量的效率的因素，最大的是两个：压缩机和工质。

　　压缩机实际上就是一台产生压力的机器，它负责用压力把工质从气态压缩成液态，送去热交换器里面蒸发吸热。从“偷”的角度讲，它是“小偷公司”的管理层，为小偷们提供动力。

　　工质就是小偷本身，它直接负责“偷”这个动作。它从气态变成液态的过程中，放出热量也就是向小偷公司上缴赃物，龙牙场长就喜滋滋的把赃物拿去种菜和烤狗。它从液态变成气态的过程中，吸收热量也就是从大地母亲那里偷到赃物。

　　能够产生压力的机器，基本上只有三种原理：气缸式、螺杆式、涡轮式。我们的压缩机基本上也就这三种。

　　这种是气缸式，不管气缸的形状再奇怪，总会有个气缸，有两个或者以上的气门。我们经常在装修现场看到的打气泵就是这种压缩机。

　　但是这种压缩机的工况在热泵中很不好用，便宜倒是便宜，就是热效率不可能做到很高。

　　看起来好大一坨好复杂是不是？其实很简单，就是两根精密配合的螺杆，通过螺纹之间的挤压产生压力。就像一条狗，可复杂了，肠肝肚肺什么的，可是你只管撸它就是了，注意不要撸毛了。

　　这种压缩机的工况非常适合做热泵，常见的民用热泵都是这种，便宜、结实、耐用。

　　涡轮压缩机要做到很高的压缩比是比较困难的，价钱也不便宜，因此很少在热泵中运用，一般还是用在汽车发动机的进气压缩上面。实际上飞机发动机就是一台涡轮压缩机，把空气压缩以后喷出去产生动力。

　　据说核潜艇上面用于散热的热泵使用的就是涡轮压缩机，未经证实。我觉得可能性不大，这玩意儿噪音好大的。

　　工质没有太多好说的，我也不是太懂。主要有R22、R134a、R410A这些，大名鼎鼎的氟利昂就是R22。主要区别在于环保与否、膨胀系数、粘度、饱和蒸汽压、比热这些参数，直接影响热量的“偷取”效率。

　　据我了解，中国的热泵效率并不是世界领先，而是世界一流水平而已，比中国技术实力强的还有德国、美国和日本。中国厉害在效率差强人意、价格十分感人，能用非常便宜的价格作出性能相当优异的产品。民用热泵方面市场最大的就是空调和冰箱，中国说自己是第二，谁敢说自己是第一？能够千把块钱就能做出一台相当不错的空调，该有的功能都有，效率也跻身世界一流水平。

　　物联网、智能、变频、冷暖两用，这还也就一般般，不推荐买这个，贵了。实际上国内的二线不知名品牌还能便宜个几百块，花里胡哨的功能也少很多，安装的时候注意一点其实用起来差不多。我自己会安空调，最喜欢淘宝那种一看就是冒牌的烂空调回来自己安装，居然也差不多。