演講 | 王建宇（中國科學(xué)院上海分院副院長）

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非常高興今天有這個(gè)機(jī)會(huì)和我們潘院士、年輕的同事們一起參加這個(gè)活動(dòng)，我和潘老師十年磨一劍，我們是2007年相識(shí)，就是為量子相識(shí)，今天也是為量子走到一起。我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)室叫中科院空間主動(dòng)光電重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

剛剛潘院士已經(jīng)講了很多量子，我們?cè)倩仡櫼幌隆?/p>

現(xiàn)在有意思來了，愛因斯坦說過，他是對(duì)量子論持懷疑態(tài)度的，我們這顆量子衛(wèi)星則是要證實(shí)量子力學(xué)的正確性，（而且證明的方式）用了老先生提出來的激光理論，用激光去證實(shí)它。

所以辯證法或者唯物主義來說，什么事都是實(shí)事求是，自己提出的東西也可以打自己。

因?yàn)榻裉煳业念}目是量子、激光和航天工程，我們來回顧一下歷史。

衛(wèi)星的歷史

激光器的歷史

回過來看，1960年美國人根據(jù)愛因斯坦理論造出了第一臺(tái)激光器，我們中國人也不賴，1961年馬上就造出來了，中國的第一個(gè)激光器，這個(gè)激光和傳統(tǒng)的光源前面已經(jīng)說了，因?yàn)樗鞘芗さ墓庠?，它有很多特點(diǎn)。

一個(gè)單色性非常好，什么波長就是什么波長；第二個(gè)就是指哪打哪，我們現(xiàn)在一千公里，上面指下來打到哪里；和太陽光相比，它的波長比太陽要高10的10次方倍。

很快科學(xué)家把這兩個(gè)特點(diǎn)聯(lián)想到一起，激光這么好的東西我如果在天上用會(huì)怎么樣？

美國人很多還是先驅(qū)者，在阿波羅登月的時(shí)候，那時(shí)候激光也有了，登月阿波羅工程還是一個(gè)偉大的工程，但是他要把這個(gè)做到天上去還是有困難的，所以他們就在天上埋了一個(gè)東西，我們叫激光反射器，地面激光打上去，照亮這個(gè)反射器，反射回來探測(cè)這個(gè)距離。1994年的時(shí)候，美國人第一次把激光裝到克萊門汀的小衛(wèi)星上面，拿它去探測(cè)月球。

在這之后，不斷有新的成果涌現(xiàn)，我也非常高興。我們中國2007年第一顆帶激光的衛(wèi)星上天，這顆衛(wèi)星就是嫦娥一號(hào)，上面有一個(gè)激光高度計(jì)，這是我們團(tuán)隊(duì)做的。

1961年8月，中國第一臺(tái)激光器——'小球照明紅寶石'激光器，在中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所誕生了。

這個(gè)是我們2007年做的一個(gè)工作，把我們中國第一臺(tái)激光高度計(jì)送上天了，畫出了月亮的三維圖形，當(dāng)時(shí)還比較自豪地說，原來美國人做這個(gè)是個(gè)斜軌道的，所以他（月球）兩邊測(cè)不到，我們號(hào)稱是全世界第一次測(cè)到了月球兩截的一個(gè)東西。

2007年，嫦娥1號(hào)搭載激光測(cè)高儀，進(jìn)行月面地形測(cè)繪。該載荷由上海技物所研制。成功完成1年繞月，獲取912萬高程數(shù)據(jù)點(diǎn)，繪制3km格網(wǎng)月表DEM模型，填補(bǔ)國際月球兩極地形空白。

這里還有一個(gè)比較，這個(gè)是原來美國克萊門汀上去的一個(gè)圖，我們也做了一個(gè)比它的清楚。但是很郁悶，2009年美國人又打了一個(gè)，實(shí)事求是說，他畫的圖比我們的清楚多了，所以一下又被人趕上了。

2009年，NASA發(fā)射月球測(cè)繪衛(wèi)星，首次采用多波束方案進(jìn)行激光測(cè)繪。

激光有數(shù)不清的應(yīng)用

實(shí)際上激光測(cè)距的技術(shù)可以做很多事情。

• 氣象

比如這個(gè)是美國人做的一個(gè)（衛(wèi)星），他就可以測(cè)量各個(gè)地方冰的變化，它測(cè)出來03年到08年，北極的海冰的厚度在逐步變小，就是溫室效應(yīng)。

• 全球地理

美國人也非常牛，他有一個(gè)LIST計(jì)劃，我們現(xiàn)在看到的地形的測(cè)繪都是用相機(jī)相對(duì)測(cè)量完成的，這個(gè)存儲(chǔ)過程比較復(fù)雜。如果我們可以用激光直接測(cè)量，所以美國人在2025年要發(fā)一顆衛(wèi)星，全球5米的分辨率，就是每個(gè)5米就有一個(gè)激光點(diǎn)，所以可以把全球的三維測(cè)得非常清楚。

當(dāng)然我們也在做這個(gè)工作，但是我非常遺憾地說，和它還是有差距的。

• 空氣污染

激光還能測(cè)很多東西，還可以測(cè)大氣，現(xiàn)在霧霾比較嚴(yán)重，國際上也是有很多人用激光來測(cè)霧霾。怎么測(cè)呢？道理說穿了也不難，激光發(fā)出后就是一顆顆光子，光子和霧霾的小顆粒發(fā)生作用，光學(xué)里叫散射，而且不同的物體對(duì)不同波長的光子的散射直徑吸收都不一樣，我可以利用這些數(shù)據(jù)來測(cè)量環(huán)境的變化。

2007年，上海技物所研制的激光測(cè)高儀隨嫦娥一號(hào)月球衛(wèi)星發(fā)射升空。

大家知道前兩天公布的我們國家發(fā)的第一顆碳衛(wèi)星，探測(cè)二氧化碳分布的，當(dāng)然這顆衛(wèi)星不是用激光，是用高光譜探測(cè)，但是國際上已經(jīng)發(fā)了激光探測(cè)衛(wèi)星，我們國家也在準(zhǔn)備。

所以用激光可以測(cè)，我們叫氣溶膠或者云探測(cè)，國際上面1994年就開始做了。這個(gè)叫CALIPSO，是美國發(fā)的第一顆測(cè)微粒的衛(wèi)星，那么它測(cè)出什么東西呢？ 

2007年5月份，它測(cè)到了沙塵從中國西北地區(qū)進(jìn)入北京，接著又測(cè)到了從撒哈拉沙漠到北美大陸的沙塵暴，所以說之前（沙塵暴會(huì)遷移）的推測(cè)是對(duì)的。

北京曾經(jīng)有很多沙塵暴，前兩天上海天也不好了，說不定就是北京前一段霧霾漂過來了，衛(wèi)星確實(shí)測(cè)出了這個(gè)現(xiàn)象。

• 物質(zhì)探測(cè)

激光還有一個(gè)很大的用處，現(xiàn)在我們要看宇宙，要看火星、看木星甚至更遠(yuǎn)，中國人現(xiàn)在總算看到月亮了，現(xiàn)在計(jì)劃也要去看火星了。不像地球上，我拍了照片以后可以測(cè)量一下這個(gè)是什么東西？有可能多少年以后人把火星（上的物質(zhì)）帶回來，但是現(xiàn)在還是不行。所以要知道火星上面到底什么物質(zhì)，激光有用。

它有一個(gè)原理叫激光誘導(dǎo)擊穿光譜，是什么呢？激光足夠強(qiáng)，打到一個(gè)物質(zhì)上，就可以把物質(zhì)氣化，產(chǎn)生等離子體，不同的物質(zhì)會(huì)發(fā)不同的等離子光，測(cè)量這個(gè)光譜就知道都是哪些物質(zhì)了，這是個(gè)很重要的技術(shù)，深空探測(cè)非常有用。

美國人在11年做了一個(gè)，做得蠻成功的，所以18年準(zhǔn)備再做一個(gè)，在火星探測(cè)時(shí)使用。美國人做了，歐洲緊緊跟上，歐洲人也在做。

這個(gè)是美國好奇號(hào)，當(dāng)時(shí)探測(cè)的一個(gè)結(jié)果，它測(cè)出了著陸的地方有這么多化學(xué)元素。美國人2020年要發(fā)第二代，探測(cè)火星，中國也有這個(gè)計(jì)劃，在2020年的時(shí)候，中國也要降落火星，我們的實(shí)驗(yàn)室非常榮幸，也要做這么一臺(tái)東西在2020年發(fā)射到火星上去。

中國計(jì)劃2020年向火星發(fā)射著陸探測(cè)器，搭載LIBS系統(tǒng)。

• 激光通信

激光還有一個(gè)非常實(shí)用的方面，我們做量子通信以后，人家說你們這個(gè)和激光通信到底什么關(guān)系？

確實(shí)有點(diǎn)相像，但是本質(zhì)上完全不同，因?yàn)楣馐沁@么來的，我們最早用無線電，把信號(hào)載在無線電里，到收音機(jī)里把這個(gè)截出來，歌曲、講話都能浮現(xiàn)出來。后來發(fā)明了電視，又把圖像載到電視里面去了，那么這里有個(gè)什么區(qū)別呢？

最早的中國無線電它載波的波長很長，應(yīng)該說是頻率很低，波長很長，所以它能載的信息比較少，要用圖像看電視這個(gè)頻率就比較高了，所以你能調(diào)制進(jìn)去的信號(hào)就多了。

所以像現(xiàn)在我們衛(wèi)星向地面發(fā)信息一般都是用微波，可以達(dá)到每秒鐘幾百兆這個(gè)量級(jí)?，F(xiàn)在衛(wèi)星越做越復(fù)雜，信息越來越多怎么辦呢？他們說光可以，光的頻率比微波又要高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

所以現(xiàn)在用激光來載信息，這個(gè)是最先進(jìn)的通信模式，當(dāng)時(shí)科學(xué)家做了很多嘗試，日本人是第一個(gè)做成的，九幾年就有一個(gè)實(shí)驗(yàn)，有個(gè)衛(wèi)星和地面通信一下，歐洲也做，目前來看歐洲人對(duì)這個(gè)比較癡迷，德國人08年做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，大概每秒鐘可以載5.6G的，家里網(wǎng)絡(luò)的帶寬200M就已經(jīng)很快了，它每秒鐘是5.6個(gè)G，就相當(dāng)于又高了好多倍。

日本人在這個(gè)問題上它是做得比較早的，但是最近一段時(shí)間停下來了。美國人也做這個(gè)，美國人后來居上，在2000年的時(shí)候做了一個(gè)激光，但是失敗了，失敗的原因是什么呢？天和地沒對(duì)上，這個(gè)我后來會(huì)聯(lián)系到我們量子衛(wèi)星，其實(shí)這個(gè)對(duì)準(zhǔn)是很難的，就是美國人他也有對(duì)不上的時(shí)候，他失敗了，不過馬上13年他把這個(gè)東西做到月球去了，從月球傳了信息過來，從月地達(dá)到600多兆的數(shù)列，這個(gè)就是我們國際上也是第一個(gè)從其他星球用光把信息載回地球來。

2001年的時(shí)候，我們?cè)诤Ｑ?號(hào)上面，我們國家搭載了一個(gè)演示的裝置，達(dá)到了500M的頻率，我們這兩顆量子星和載人航天里面都搭了類型的東西，在921里面我們現(xiàn)在是1.6個(gè)G，在量子星里面是5.12個(gè)G，當(dāng)然現(xiàn)在還在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，雖然沒有正式公布成功，但是我是充滿信心肯定會(huì)成功。

量子星-量子密鑰通信機(jī)（搭載1550nm相干通信）

這個(gè)就是介紹的激光和空間的合作，前面我的感覺激光和空間上非常有用，有很多地方能用；第二我們中國人也不賴，每次都能緊緊跟上，但是大家可以發(fā)現(xiàn)有一件非常郁悶的事情，所有的東西都是我們緊緊跟上，哪怕有時(shí)候你超越人家一點(diǎn)，過兩天又被人家趕上了。

下面我要說說我們量子衛(wèi)星，應(yīng)該說這件事情我們是領(lǐng)跑者。這里我覺得很重要的一點(diǎn)，中國某種意義上，技術(shù)上是可以努力達(dá)到的，關(guān)鍵是思想，如果不提出思想，再好的技術(shù)沒用。

所以我下面來說我們這個(gè)量子衛(wèi)星，剛剛潘院士講了原理，我們彭總也講了很多了，所以我們上去就是要做三件事，密鑰分發(fā)、糾纏分發(fā)和隱形傳態(tài)。這個(gè)剛剛也講過了，我就不再說了，地面上一共有五個(gè)地面站。

• 量子衛(wèi)星依賴激光

我這里要說的是什么呢？為什么我說量子、激光和航天技術(shù)，其實(shí)這三者是緊密相連的，我們這顆衛(wèi)星和其它衛(wèi)星相比最大的區(qū)別在哪里呢？

比如說剛剛發(fā)射的碳衛(wèi)星，它的原理是相對(duì)簡單的，衛(wèi)星用光學(xué)設(shè)備被動(dòng)探測(cè)地面二氧化碳分布的情況，把信息收上去以后通過數(shù)傳的通道把圖像全部發(fā)下來，科學(xué)家進(jìn)行分析就可以了。

量子星就復(fù)雜的多，除了傳統(tǒng)技術(shù)以外，我們還有光的聯(lián)絡(luò)。第一個(gè)剛剛彭總說的，量子星是很亮的，從天上打下一個(gè)光。這就相當(dāng)于兩個(gè)人拿手電筒互相照，天上有信標(biāo)光下來，地面讓天上要看到地面站，地面有信標(biāo)光上去，然后我在這里面，一個(gè)個(gè)光子是靠時(shí)間同步把它挑出來，有上下的時(shí)間同步光，

我還要做量子通信，我用天上發(fā)下來的量子光，還有地面打上去的，做隱形傳態(tài)，地面要把一個(gè)個(gè)光子送上去，后來領(lǐng)導(dǎo)又要說，把激光通信載在里面，激光通信又要從上面把激光打下來，下面要把激光送上去，所以我們前前后后七八條光的聯(lián)絡(luò)，這個(gè)是其他衛(wèi)星沒有的，同時(shí)你看所有這些光的聯(lián)絡(luò)都由什么東西構(gòu)成的呢？全部是用激光。

任務(wù)艱巨

大家可能問，你說量子衛(wèi)星很難，難在什么地方？

簡單地講幾件事情，第一個(gè)，衛(wèi)星（從地面站上方經(jīng)過）要抓得住（衛(wèi)星打下來的光）。我不僅要找得到，而且要跟得牢，而且光（從衛(wèi)星）打下來要打得準(zhǔn)，怎么做呢？

衛(wèi)星從地面發(fā)射后，因?yàn)樾l(wèi)星是繞著地球轉(zhuǎn)的，它出來以后到5度的時(shí)候，地面站就要尋找衛(wèi)星。量子衛(wèi)星做糾纏分發(fā)，第一個(gè)要求就是衛(wèi)星一出地平線，大于1000公里的時(shí)候找到兩個(gè)地面站，衛(wèi)星在天上飛行的速度是每秒7點(diǎn)幾公里，將近8公里，在這么快的速度地面站也要跟住衛(wèi)星。

• 抓得住

我簡單介紹一下這個(gè)過程，衛(wèi)星出地平線后，我借用（天文臺(tái)的）望遠(yuǎn)鏡守株待兔。國家為什么要建這么多天文臺(tái)？天文臺(tái)看東西的技術(shù)還是很好的，想看什么地方它給你指什么地方，衛(wèi)星軌道運(yùn)行以后是有預(yù)報(bào)的，這個(gè)預(yù)報(bào)精度也很高，它可以告訴你某一刻在什么地方，大概精度是幾百米。

天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡在衛(wèi)星出來后就從地面就照一束光上去，這個(gè)就是地面的信標(biāo)光，紅顏色的，照到衛(wèi)星上，衛(wèi)星一看到這個(gè)光，知道了，下面在打招呼了，它就趕緊向下發(fā)一個(gè)綠顏色的光，這兩個(gè)一對(duì)眼，他們都看到了，然后衛(wèi)星跑一點(diǎn)，光就跟一點(diǎn)，死死跟住衛(wèi)星，就這么一條軌跡，最后我們就可以做通信了，這個(gè)就是抓的過程。  

• 跟得牢

第二個(gè)，只抓住光還不夠，量子光是一個(gè)個(gè)光子，和激光不是一個(gè)光族的，是不同地方發(fā)出來的，所以我要把它對(duì)繞。

舉個(gè)例子，這個(gè)相當(dāng)于是星上發(fā)下來的量子光的分布，紅色是地面站，如果我不放在中間的話它的信號(hào)就小很多，所以我要跟繞衛(wèi)星，而且把量子光打得準(zhǔn)，我們通過自主設(shè)計(jì)的一套系統(tǒng)復(fù)合軸跟蹤，怎么操作呢？

先把大的找到，我們有一個(gè)粗跟蹤相機(jī)，再把它細(xì)分，先把這個(gè)光引到大的里面，再從大的里面引到更精細(xì)的，最后達(dá)到秒量級(jí)的精度，才有我們整個(gè)一路跟過去的結(jié)果。

• 打得準(zhǔn)

我們完成以后還是比較自豪的，第一我們抓得住，抓得很快，光出來一秒鐘我就把它抓住了，也時(shí)候光被云遮住了，再抓，零點(diǎn)幾秒就能抓住了，第二個(gè)我盯得牢不牢？

大家可以看一下數(shù)據(jù)。國際上一般是歐洲人做這個(gè)，大概最后能抓到是1.5個(gè)微弧度，我們現(xiàn)在修整以后同樣也能做到1.5個(gè)微弧度的，構(gòu)造大概的精度是一樣的，但是我們的比他難，難在什么地方呢？第一個(gè)我們是一拖二，我們一個(gè)要打兩個(gè)。第二個(gè)，他們做的這些實(shí)驗(yàn)都是在星間做的，沒有大氣，我們是要透過大氣層，光透過了大氣層以后會(huì)抖動(dòng)的，所以在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們現(xiàn)在至少是國際最前沿的水平。

• 偏振態(tài)保持

大家知道，一個(gè)手電筒，你把它的光調(diào)的很細(xì)了，就可以看得很遠(yuǎn)，現(xiàn)在我們要（把光）調(diào)到理論上接近極限。

還有一個(gè)很難的事情，就是剛剛說的做通信、計(jì)算機(jī)會(huì)有0101，我們（量子力學(xué)）的0101是指光的偏振狀態(tài)。

大家知道光有一個(gè)特性，它會(huì)不停的振動(dòng)，我們可以利用它的這個(gè)性質(zhì)。比如有一種立體電視，它就是利用這兩種不同振動(dòng)的方向，一個(gè)眼睛接收水平的，一個(gè)眼睛接收垂直的，合成出來就變成一個(gè)三維的。我們?cè)谶@里面也利用了偏振的特征，就是根據(jù)不同的偏振方向確定不同的量子狀態(tài)。

但是偏振也給我們帶來很多麻煩，它經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)以后它會(huì)變，比如一個(gè)垂直振動(dòng)，一個(gè)水平振動(dòng)，經(jīng)過某一個(gè)鏡片后，它變到45度振動(dòng)了，你搞不清楚它原來到底是水平的還是垂直的，這樣我們就沒法做實(shí)驗(yàn)了。

所以我們要想辦法，要么讓它保持狀態(tài)不能變化，或者我能測(cè)出來它變了多少，大家一起變，這就是我們要做的偏振態(tài)保持。

測(cè)量這兩個(gè)的時(shí)候，還有基矢，一個(gè)水平偏振一個(gè)垂直偏振，你發(fā)的時(shí)候，我有一個(gè)坐標(biāo)是這么放的，如果地面這個(gè)坐標(biāo)現(xiàn)在和你不一樣，兩個(gè)都對(duì)不上，但是恰恰衛(wèi)星在繞地球轉(zhuǎn)的時(shí)候，衛(wèi)星上的基矢是團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)的，所以我們要把它找回來。

所以我們做了很復(fù)雜的一套系統(tǒng)，在基矢往這個(gè)方向轉(zhuǎn)的時(shí)候，想辦法把它轉(zhuǎn)回來，或者測(cè)量下來，在地面上把它轉(zhuǎn)回來，讓兩個(gè)基矢死死地咬住，我們專門做了很多實(shí)驗(yàn)，到飛機(jī)上、在地面上，驗(yàn)證了我們這個(gè)方法是正確可行的。

• 單光子探測(cè)

還有一個(gè)難點(diǎn)就是探測(cè)單個(gè)的光子，我印象中，潘院士第一次見我們的時(shí)候，他就說：“王院長，這個(gè)還是很難的?！?/p>

我們要從一千公里的高度把一個(gè)個(gè)光子發(fā)到地面上，當(dāng)時(shí)確實(shí)是很困難?，F(xiàn)在有單光子探測(cè)器，一個(gè)光子過來會(huì)出一個(gè)脈沖，我們用這個(gè)辦法可以探測(cè)到一個(gè)個(gè)光子，但是這個(gè)光子確實(shí)是有點(diǎn)遠(yuǎn)，目前是從上千公里外發(fā)出來的，我們難在什么呢？就是我們想了很多辦法，我們上面一個(gè)望遠(yuǎn)鏡收到的不單單是這個(gè)光子，還有很多其他的光，比如衛(wèi)星發(fā)出的信標(biāo)光，這個(gè)信標(biāo)光是為了方便跟蹤的，所以越亮越好，越亮跟的越牢，但這就和探測(cè)矛盾了。

量子光是一個(gè)一個(gè)光子，這就相當(dāng)于從大海里面找出一滴水，非常的難。光學(xué)上可以用頻率的綠波，用空間把光的顏色分開，不同頻率的光走不同的地方，然后我把光遮掉，還有一個(gè)技術(shù)就是用時(shí)間濾波，我知道這個(gè)光大概什么時(shí)候發(fā)出的，上面的同步光打下來，我就把這一段時(shí)間的挑出來。

這個(gè)紅的就是我發(fā)出來的量子光，綠的就是她暗計(jì)數(shù)，但是如果計(jì)數(shù)里有一個(gè)綠的進(jìn)里面了，那就增加一個(gè)噪聲了。因?yàn)檫@些技術(shù)太專業(yè)，如果形象一點(diǎn)表達(dá)，我們相當(dāng)于什么呢？相當(dāng)于對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，相當(dāng)于我在萬米高空的飛機(jī)上向地下扔一個(gè)硬幣，這一個(gè)硬幣相當(dāng)于一個(gè)光子，飛機(jī)飛行的速度模擬衛(wèi)星飛行速度，當(dāng)然衛(wèi)星是沒辦法那么快，但是因?yàn)轱w機(jī)低，所以角速度是差不多的。

從萬米高空高速飛行的飛機(jī)上同時(shí)向地面兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的儲(chǔ)蓄罐細(xì)長的投幣口扔一個(gè)個(gè)硬幣。

這個(gè)硬幣下來以后，我在地面隨便放一個(gè)儲(chǔ)蓄罐，要從一萬米高空把硬幣投進(jìn)這個(gè)儲(chǔ)蓄罐。

儲(chǔ)蓄罐的投幣口一般都是細(xì)長的，這個(gè)相當(dāng)于是偏振，它是有方向的，一定要把控好，所以我這個(gè)硬幣不但要打中它，而且要把它方向?qū)貌拍苋舆M(jìn)去，而且扔的時(shí)候要像做糾纏實(shí)驗(yàn)，一扔不是扔一個(gè)，要兩邊都扔準(zhǔn)才行。

第二個(gè)，我們探測(cè)一個(gè)個(gè)下來的光子，探測(cè)器的靈敏度相當(dāng)于呢？我們做了一個(gè)計(jì)算，一根火柴劃一下大概有10的17次方的光子，我們的探測(cè)能力相當(dāng)于在地球上要發(fā)現(xiàn)在月亮上有人劃了一個(gè)火柴，我們要把它探出來。

我們還要在每秒一億個(gè)光子里面，搞明白我們探測(cè)到的是第幾個(gè)光子，這些光子都是排好隊(duì)的，我抓一個(gè)，要知道它是第幾個(gè)光子，這樣我才能用來做密鑰，這是非常簡單的一個(gè)小節(jié)。這個(gè)是我們量子星發(fā)射前的留影，這個(gè)就是把它裝在火箭的頭上出發(fā)了，謝謝大家！