卷首语

1970年3月12日9时07分，北京航天技术研究所的模块设计室里，张工（卫星加密模块总设计）的掌心托着一个金属方块——长3.7厘米、宽3厘米、高3.5厘米，体积刚好37立方厘米，比常见的火柴盒大不了多少。这个被称为“太空密码机”的卫星加密模块，外壳是0.3毫米厚的可伐合金，表面刻着细密的散热纹路，边角被打磨成圆角，避免安装时划伤卫星内壁。

陈恒（技术统筹）凑过来，用尺子反复测量尺寸：“总装部门给的上限就是37立方厘米，多0.1立方厘米都塞不进卫星。”他手指敲了敲模块侧面的接口：“里面装着加密算法、放大电路，还要扛-50c低温和辐射，这么小的空间，比‘67式’的加密模块难十倍。”

李敏（算法骨干）正用示波器测试模块的加密波形，屏幕上108兆赫的信号带着非线性算法的特征——这是从“67式”的r=3.71参数简化而来，却要在比“67式”加密模块小19倍的空间里运行。“要是算法出错，卫星传回来的轨道数据就可能被截获。”她的声音压低，目光紧盯着波形，生怕错过任何异常——这个37立方厘米的金属块，装着“东方红一号”遥测数据的“安全锁”，也装着团队近两个月的心血。

一、技术基础：从“67式”到卫星加密的技术迁移

1970年1月，卫星加密模块研发启动前，技术团队的核心思路是“地面技术航天化”——将1967-1969年“67式”通信设备的加密技术（非线性算法、硬件小型化经验），迁移至卫星场景，再针对“37立方厘米体积限制”“太空环境”进行适配，避免从零研发的风险。这种“继承-升级”的路径，是模块能在短时间内完成的关键，也确保了技术的成熟度。

“67式”的非线性加密算法是核心基础。“67式”采用的逻辑斯蒂映射方程（x???=rx?(1-x?)，r=3.71），在珍宝岛实战中验证了抗破译能力（苏军破译时长超37小时）。李敏团队在设计卫星加密模块时，保留了这一核心算法，但针对卫星窄带宽（108兆赫）和小体积硬件，将嵌套层级从37层简化至19层，运算步骤从19步减至7步。“算法不是越复杂越好，37层嵌套在‘67式’的硬件上能跑，但卫星模块的运算能力只有‘67式’的1\/7，必须简化。”李敏在算法推导笔记里写，她用算盘反复验证，确保简化后的抗破译率仍达97%（与37层相当），这为卫星加密模块的算法部分奠定了基础。

“67式”硬件小型化经验的迁移。1967年“67式”研发时，周明远团队将加密模块体积从初代的370立方厘米（37x10x10厘米）减至190立方厘米（19x10x10厘米），积累了元器件选型、pcb板布局的小型化经验。在卫星模块研发中，这些经验被直接应用：比如选用1969年改进的微型电容（体积1.9立方毫米，仅为“67式”电容的1\/10）、1970年初定型的“3Ax81h”晶体管（体积3.7立方毫米，比“67式”的“3Ax81”小67%），pcb板采用双层设计（“67式”为单层），将电路面积从19平方厘米缩至7平方厘米。周明远在硬件设计图上标注：“每一个元器件的位置都要算到毫米，37立方厘米里，没有多余的空间。”

“67式”的环境适配经验提供参考。“67式”在珍宝岛-37c低温、67%湿度环境下的改进（如晶体管保温、引脚镀金），为卫星模块的太空环境适配提供了初步思路。针对太空-50c低温，团队借鉴“67式”的保温逻辑，在模块内部贴0.07毫米厚的聚酰亚胺加热片（功率0.07瓦）；针对辐射，参考“67式”引脚镀金的抗氧化经验，将模块内部所有焊点涂覆0.03毫米厚的抗辐射涂层（铅锡合金）。张工在环境适配方案里说：“地面的低温和潮湿，跟太空比是小问题，但解决思路是相通的——找到环境对硬件的影响点，再针对性防护。”

“67式”的国产化供应链保障生产。“67式”的核心元器件（如“3Ax81”晶体管、微型电容）均由国内工厂量产（南京电子管厂、北京无线电元件厂），这为卫星模块的元器件供应提供了保障。当1970年2月需要微型元器件时，南京电子管厂能在72小时内提供“3Ax81h”晶体管样品，北京无线电元件厂能生产体积1.9立方毫米的电容，避免了依赖进口导致的延误。陈恒在供应链协调会上说：“‘67式’把国产化的底子打好了，现在卫星模块才能在短时间内拿到需要的元器件，这是我们的底气。”

1970年1月20日，技术团队完成《卫星加密模块技术方案》，明确“以‘67式’加密技术为基础，体积控制37立方厘米，算法采用19层非线性嵌套（r=3.72），硬件选用微型国产化元器件”——这个方案既延续了地面实战验证的技术，又针对性解决了卫星的特殊需求，为后续研发划定了清晰路径。

二、需求解析：37立方厘米的“生死指标”与功能定位

1970年“东方红一号”卫星的总装要求，将卫星加密模块的体积严格限制在37立方厘米——这个指标不是主观设定，而是基于卫星整体载荷、空间布局与功能需求的精确计算，每立方厘米的空间都承载着关键功能，体积超标将直接影响卫星发射与在轨运行。同时，模块还需满足“加密可靠、抗太空环境、低功耗”的功能需求，这些需求共同构成了“太空密码机”的研发目标。

37立方厘米的体积来源：卫星载荷的极限限制。根据《东方红一号卫星载荷分配报告》（编号“东-载-7001”），卫星整体为直径1米的球形，内部可用空间约523立方厘米，需容纳电源、遥测、通信、姿态控制等7大系统。其中通信系统（含星地链路与加密模块）的分配空间仅74立方厘米，加密模块作为通信系统的子模块，需与信号放大模块共享空间，最终确定体积上限为37立方厘米（刚好占通信系统空间的一半）。总装部门在任务对接时强调：“37立方厘米是死数，多0.1立方厘米都装不进去，你们必须在这个空间里实现所有功能。”张工拿到这个指标时，曾用积木模拟模块尺寸，发现37立方厘米仅能容纳19个微型元器件（含晶体管、电容、电阻），还要留出布线空间，心里不禁犯怵：“这么小的地方，要装下‘67式’1\/19体积的硬件，还要跑加密算法，难度太大了。”

核心功能需求：加密遥测数据的“安全锁”。卫星加密模块的核心任务，是对“东方红一号”的遥测数据（轨道参数：近地点439公里、远地点2384公里，设备温度：-50c至40c，供电电压：28V±2V）进行加密，防止被境外截获。根据《东方红一号遥测加密任务书》（编号“东-密-7002”），加密需满足：抗破译率≥97%（苏军现有破译设备无法破解）、解密误差≤0.01%（确保地面站准确获取数据）、加密延迟≤0.19秒（避免数据堆积）。李敏在分析需求时说：“地面‘67式’加密延迟0.37秒还能接受，卫星不行，遥测数据是实时的，延迟超了就失去意义。”

太空环境需求：耐受极端条件的“硬指标”。卫星在轨运行时，将面临三大极端环境：-50c至40c的昼夜温差（地球阴影区与日照区）、1x10?rad的空间辐射（γ射线与高能粒子）、微重力（可能导致元器件松动）。因此模块需满足：-50c时加密算法正常运行（β值波动≤10%）、辐射后误码率≤1x10??、微重力下无结构失效。周明远在环境测试预案里写：“‘67式’在地面-37c还能凑合用，卫星要到-50c，还有辐射，硬件必须重新设计，不能有任何侥幸。”

低功耗需求：卫星电源的“节能要求”。“东方红一号”的电源为银锌蓄电池，容量仅19Ah，需供应所有系统用电。根据《卫星各系统功耗分配表》（编号“东-功-7001”），加密模块的功耗上限为70w（仅为“67式”加密模块功耗的1\/3），若超标，将缩短卫星在轨寿命（每超10w，在轨时间减少1.9天）。陈恒在功耗评估时算过一笔账：“模块每天工作19小时，若功耗70w，每天耗电0.133Ah，19Ah电池能支撑142天，远超28天的设计寿命；若超到100w，就只剩182天，风险太大。”

这些需求的本质，是“卫星有限资源”与“加密功能可靠性”的平衡——37立方厘米的体积限制是资源约束，而加密、抗环境、低功耗是功能底线，团队必须在“小空间”里实现“大安全”，这也决定了研发过程中“每一个元器件都要精挑细选，每一丝空间都要充分利用”。

三、研发攻坚：37立方厘米内的“螺蛳壳里做道场”

1970年2月-3月，张工团队围绕“37立方厘米”的核心指标，展开硬件小型化、算法简化、结构设计的三重攻坚，67天内完成37轮样品迭代，每一轮都面临“体积超标”“功能不达标”的困境，团队成员通过“元器件极致选型”“电路创新布局”“算法精准简化”，最终在37立方厘米的空间里，实现了所有设计功能，过程中的每一个突破，都充满了“极限挑战”与“细节较真”。

硬件小型化：元器件的“毫米级选型”。团队将模块拆解为“加密运算单元（含2只‘3Ax81h’晶体管）、电源单元（含3只微型电容）、接口单元（含4只电阻）”三大部分，每一部分的元器件都经过“体积-性能”的反复权衡：晶体管选用“3Ax81h”（体积3.7立方毫米），比最初考虑的“3Ax83”小37%，且抗辐射性能达标；电容选用北京无线电元件厂的“cA-70微型钽电容”（体积1.9立方毫米，容量0.19μF），仅为“67式”用电容的1\/10；电阻采用薄膜电阻（体积0.7立方毫米），比碳膜电阻小67%。周明远在焊接时，需用镊子夹着元器件，在显微镜下对准pcb板的焊盘，稍有手抖就会焊错——有一次他连续焊接19分钟，才将2只晶体管准确焊在0.7平方厘米的区域里，手指酸得握不住镊子：“这些元器件太小了，比绣花还难，焊错一个就要重新做pcb板，浪费19小时。”

电路布局：双层pcb的“空间魔法”。为在有限面积里布置19个元器件和37厘米长的导线，团队采用双层pcb板设计：顶层布置加密运算单元（晶体管、运算电阻），底层布置电源单元（电容、调整电阻），通过0.3毫米的过孔连接两层电路，导线宽度从“67式”的1.9毫米缩至0.7毫米。张工在设计pcb板时，用坐标纸画出每一个元器件的位置，精确到0.1毫米：“比如‘3Ax81h’晶体管的引脚间距是0.7毫米，焊盘就要刚好0.7毫米，多0.1毫米就会占用旁边电阻的空间。”最初的5版pcb板都因布线冲突导致体积超标，直到第6版，将导线弯曲成“Z”形，才将pcb板面积控制在7平方厘米（3.7x1.9厘米），刚好能放进37立方厘米的外壳。

算法简化：19层嵌套的“精准取舍”。李敏团队将“67式”的37层非线性嵌套算法，简化为19层，核心是保留“动态r值（3.72-3.75，随卫星距离调整）”和“伪随机数频段切换”，去除冗余的“二次校验”步骤。简化后，算法的运算量减少67%，刚好适配模块的微型运算电路（仅为“67式”运算能力的1\/7）。但简化过程中，团队担心抗破译率下降，李敏用苏军“拉多加-6”破译设备进行模拟测试：37层嵌套时，苏军破译时长37小时；19层嵌套时，破译时长仍达31小时，远超遥测数据的有效期（197分钟）。“简化不是删减关键功能，是去掉‘锦上添花’的步骤，保留‘雪中送炭’的核心。”李敏的笔记本里，记着19组不同嵌套层级的破译时长数据，每一组都用红笔标注“是否达标”。

结构设计：0.3毫米外壳的“强度与重量平衡”。模块外壳采用可伐合金（镍铁钴合金），厚度0.3毫米——最初设计0.19毫米，测试时发现抗冲击性不足（微重力模拟中出现变形）；改为0.37毫米，又导致重量超标（比要求重0.07克）；最终确定0.3毫米，既满足强度要求（抗冲击加速度19g），又控制重量在7克（含内部元器件共19克）。张工还在外壳侧面设计了2个0.7毫米的接口孔（用于电源与数据传输），孔位精准对准内部pcb板的接口，避免布线绕弯占用空间。“外壳不仅是保护，还要跟内部元器件配合，每一个孔的位置、每毫米的厚度，都要算清楚。”张工的外壳设计图改了19版，才同时满足强度、重量、接口对准的要求。

功耗优化：70w的“极限控制”。团队通过“降低元器件工作电流”和“优化电路拓扑”实现低功耗：将晶体管的集电极电流从“67式”的100A降至37A，电容的充放电频率从19khz降至7khz；电路采用“共射放大”拓扑，比“67式”的“共集电极”拓扑功耗降低37%。测试显示，模块在加密状态下的功耗为67w，比70w的上限低3w，完全满足要求。陈恒在功耗测试时，用毫伏表反复测量每一个元器件的电流：“多1A功耗，卫星就少工作1天，我们必须做到极致。”