圖蟲創(chuàng)意

來源 | 科普中國-未來耀科學(xué)

仰望星空，我們看到的是滿天繁星，其實，天空飄浮著的還有大量人造衛(wèi)星。無論是東方紅一號，還是北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，都在地球上空的軌道上平穩(wěn)飛行。

天上的衛(wèi)星有多少顆？它們怎樣改變我們的生活？在未來，人造衛(wèi)星會是什么樣？我們會擁有自己的個人衛(wèi)星么？

在4月27日的科普中國-未來耀科學(xué)“空間探索”特別直播中，國家空間科學(xué)中心的研究員劉勇和博士后曾宸，同我們一起飛向太空，探索太空中數(shù)量最多的航天器——人造衛(wèi)星。

航空和航天，區(qū)別在哪里？

人類要離開地面，飛向天空和太空，就要依靠航空航天技術(shù)。航空和航天，雖然經(jīng)常一起出現(xiàn)，其實有非常明確的區(qū)別。

劉勇介紹，航空是在大氣層中，借助空氣浮力實現(xiàn)飛行；航天則是要離開大氣層，既可以在地球引力下繞著地球飛行，也可以離開地球，去更遠(yuǎn)的地方探索。

但另一方面，航空和航天又密切相關(guān)。比如，第一個進入太空的宇航員加加林，和第一個登上月球的阿姆斯特朗都是飛行員出身；著名航天學(xué)家馮·卡門最初則是研究空氣動力學(xué)的。而且，外太空與地球大氣層的分界線——卡門線，就是以他的名字命名。按照這個定義，海拔100公里以下屬于航空，100公里以上大氣浮力可以忽略不計，屬于航天。

由于飛行高度、飛行原理的差異，適用于航空和航天的飛行器也非常不同。曾宸介紹，常見的航空器有飛機、直升機、浮空氣球等。而在航空和航天的中間區(qū)域，也就是海拔20～100公里范圍，實際上有一層叫作臨界空間的區(qū)域。由于30公里以上不受領(lǐng)空限制，如今有很多研究利用浮空氣球探索臨界空間的環(huán)境變化。

提到航天器，我們自然會想到火箭、航天飛機、飛船、衛(wèi)星等。其中數(shù)量最多、與我們生活關(guān)系最密切的，就是衛(wèi)星。如今，地球周邊密布著數(shù)千顆人造地球衛(wèi)星。

地球周邊密布著人造地球衛(wèi)星。｜來自網(wǎng)絡(luò)

天上的衛(wèi)星都在干嘛？

太空中漂浮著這么多人造衛(wèi)星，它們都有什么功能呢？

劉勇介紹，人造衛(wèi)星依據(jù)不同的目標(biāo)，通常被分為三類。第一類以純探測為目的，探索一些未知的太空區(qū)域，比如最早的探索者一號、斯普特尼克一號等，還有比如火星探測器，往往有明確的目標(biāo)，要去尋找水、生命物質(zhì)等。

第二類以應(yīng)用為目的，比如北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、風(fēng)云氣象衛(wèi)星等，還有馬斯克推出的星鏈計劃，提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，有明確的應(yīng)用價值。

第三類是科學(xué)衛(wèi)星，比如研究空間環(huán)境的衛(wèi)星。我們的太陽除了發(fā)光發(fā)熱，還會持續(xù)發(fā)射太陽風(fēng)，也就是高速的帶電粒子流，這些粒子吹到地球上空，會干擾地球磁場，影響航天系統(tǒng)、無線電通訊等，因此，觀測空間天氣如今變得越來越重要。

太陽風(fēng)會干擾地球磁場。|carnegiescience.edu

這三類衛(wèi)星在功能上有時會相互交疊，比如北斗衛(wèi)星上可以裝一個科學(xué)探測器，檢測地球的范艾倫輻射帶中粒子的變化；研究太陽的衛(wèi)星也可以探測太陽風(fēng)，提供空間天氣預(yù)報服務(wù)。科學(xué)衛(wèi)星可以有應(yīng)用目的，應(yīng)用衛(wèi)星也可以提供科學(xué)價值。

曾宸介紹，一顆衛(wèi)星上天后，命運有時很不確定，會根據(jù)衛(wèi)星運行狀態(tài)、甚至因為機緣巧合而變化。比如嫦娥二號發(fā)射后，有個小行星可能對地球產(chǎn)生威脅，我們就派它去看看小行星。

衛(wèi)星軌道如何管理？

天上的衛(wèi)星軌道實際上是一種有限且不可再生的資源，它處于宇宙空間，歸全人類共有，卻基本上按照“先到先得”的原則分配，競爭十分激烈。那么，衛(wèi)星軌道是如何管理的呢？

劉勇介紹，在衛(wèi)星上天前，首先會根據(jù)目標(biāo)設(shè)計軌道。比如，地球同步軌道通訊衛(wèi)星位于地球赤道面上方三萬多公里的高度，繞地球轉(zhuǎn)動的速度和地球自轉(zhuǎn)速度一樣快，相當(dāng)于在天空靜止不動，地面上的天線不需要轉(zhuǎn)動就能始終對準(zhǔn)衛(wèi)星。

此外還有低軌衛(wèi)星、中軌衛(wèi)星、極軌衛(wèi)星等。極軌衛(wèi)星每次環(huán)繞地球運動時，都會從兩極上空經(jīng)過，可用于測繪、遙感和氣象觀測等。

在衛(wèi)星上天后，要做的就是后期管理，尤其是要避免與太空垃圾相撞。

人造衛(wèi)星的軌道由目標(biāo)決定。｜圖蟲創(chuàng)意

衛(wèi)星的歸宿在哪里？

太空垃圾可能威脅到衛(wèi)星，而這些太空垃圾，很多恰恰是報廢或因故障而失控的人造衛(wèi)星。它們高速飛行，一旦與運作中的人造衛(wèi)星、載人飛船相撞，將產(chǎn)生巨大的破壞力。那么，當(dāng)衛(wèi)星完成使命后，我們該如何處理？人造衛(wèi)星的最后歸宿在哪里？

劉勇介紹，一些距離地球很遠(yuǎn)的飛行器，例如旅行者一號，已經(jīng)飛行40多年，到達(dá)柯伊伯帶，距離地球十分遙遠(yuǎn)，就任由它飛去哪兒，反正不回地球了。

對于地球同步軌道上的衛(wèi)星，有時要求衛(wèi)星必須攜帶足夠的燃料，支撐它到達(dá)一個叫做“太空墳場”的指定軌道，以免對正常軌道上的衛(wèi)星構(gòu)成威脅。

而對于距離地球更近，通常近地點在500公里以下的衛(wèi)星，可以通過人為控制，使之在引力作用下不斷掉落，最終在進入大氣層時焚毀。

隨著如今航天器回收技術(shù)不斷發(fā)展，我們不僅要關(guān)注衛(wèi)星的發(fā)射，也應(yīng)該在后續(xù)控制上對衛(wèi)星負(fù)責(zé)，減少太空垃圾的產(chǎn)生。

太空垃圾會對人造衛(wèi)星構(gòu)成威脅。｜MIT

人造衛(wèi)星的未來

從通訊、導(dǎo)航，到氣象預(yù)報，我們?nèi)缃裆钤谝粋€高度依賴衛(wèi)星的時代。在未來，人造衛(wèi)星又會如何發(fā)展呢？

曾宸介紹，衛(wèi)星其實跟手機很像，研發(fā)中一個重要因素是集成電路。所以衛(wèi)星的發(fā)展也會像手機一樣，變得越來越小、越來越輕。例如，美國斯坦福大學(xué)提出“立方星”的概念，這種小衛(wèi)星體積為10厘米×10厘米×10厘米，重量大約1千克。印度之前用一枚火箭發(fā)射了104顆衛(wèi)星，創(chuàng)造世界紀(jì)錄，其中大多數(shù)是立方星這樣非常小的衛(wèi)星。

其次，未來的衛(wèi)星還會變得更加可控，用我們的手機或許就能操控小衛(wèi)星，而不像現(xiàn)在，需要到測控站進行復(fù)雜的操控。其實這個想法已經(jīng)實現(xiàn)，英國一家公司在2013年發(fā)射了全球第一顆智能手機衛(wèi)星，通過手機就可以直接操控衛(wèi)星姿態(tài)。

此外，現(xiàn)在信息傳輸非常方便，今后小衛(wèi)星將不是孤立的個體，而是可以大量集成化，組成衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。在未來，我們普通人甚至有機會進入空間站，通過機械臂釋放一顆自己的小衛(wèi)星，進行科學(xué)實驗。

重量大約1千克的立方星。在未來，我們可能擁有自己的個人衛(wèi)星。｜Virginia CubeSat Constellation

結(jié)語

曾經(jīng)，渺小的人類只能站在地球上，仰望星空，如今，天上的人造衛(wèi)星已經(jīng)與我們的生活息息相關(guān)。在未來，人造衛(wèi)星還將孕育更多可能性，我們甚至可能擁有自己的小衛(wèi)星，真是值得期待。

整理 | 李 瑞

編輯 | 陳天真

來源 | 未來耀科學(xué)“空間探索”特別直播