科学认识太空中最多的航天器

在未来，卫星会变得非常小，用手机就可以操控，甚至每个人都可能拥有自己的个人卫星。

仰望星空，我们看到的是满天繁星，其实，天空飘浮着的还有大量人造卫星。无论是东方红一号，还是北斗导航卫星，都在地球上空的轨道上平稳飞行。

天上的卫星有多少颗？它们怎样改变我们的生活？在未来，人造卫星会是什么样？我们会拥有自己的个人卫星吗？

国家空间科学中心研究员刘勇和博士后曾宸，同我们一起飞向太空，为我们解密太空中数量最多的航天器——人造卫星。

航空和航天，区别在哪里？

人类要离开地面，飞向天空和太空，就要依靠航空航天技术。航空和航天，虽然经常一起出现，其实有非常明确的区别。

刘勇介绍，航空是在大气层中，借助空气浮力实现飞行;航天则是要离开大气层，既可以在地球引力下绕着地球飞行，也可以离开地球，去更远的地方探索。

但另一方面，航空和航天又密切相关。比如，第一个进入太空的宇航员加加林和第一个登上月球的阿姆斯特朗都是飞行员出身;著名航天学家冯·卡门最初则是研究空气动力学的。而且，外太空与地球大气层的分界线——卡门线，就是以他的名字命名的。按照这个定义，海拔100公里以下属于航空，100公里以上大气浮力可以忽略不计，属于航天。

由于飞行高度、飞行原理的差异，适用于航空和航天的飞行器也非常不同。曾宸介绍，常见的航空器有飞机、直升机、浮空气球等。而在航空和航天的中间区域，也就是海拔20～100公里范围，实际上有一层叫作临界空间的区域。由于30公里以上不受领空限制，如今有很多研究利用浮空气球探索临界空间的环境变化。

提到航天器，我们自然会想到火箭、航天飞机、飞船、卫星等。其中数量最多、与我们生活关系最密切的，就是卫星。如今，地球周边密布着数千颗人造地球卫星。

天上的卫星都在干吗？

太空中漂浮着这么多人造卫星，它们都有什么功能呢？

刘勇介绍，人造卫星依据不同的目标，通常被分为三类。第一类以纯探测为目的，探索一些未知的太空区域，比如最早的探索者一号、斯普特尼克一号等，还有比如火星探测器，往往有明确的目标，要去寻找水、生命物质等。

第二类以应用为目的，比如北斗导航卫星、风云气象卫星等，还有马斯克推出的星链计划，提供覆盖全球的高速互联网接入服务，有明确的应用价值。

第三类是科学卫星，比如研究空间环境的卫星。我们的太阳除了发光发热，还会持续发射太阳风，也就是高速的带电粒子流，这些粒子吹到地球上空，会干扰地球磁场，影响航天系统、无线电通信等，因此，观测空间天气如今变得越来越重要。

这三类卫星在功能上有时会相互交叠，比如北斗卫星上可以装一个科学探测器，检测地球的范艾伦辐射带中粒子的变化;研究太阳的卫星也可以探测太阳风，提供空间天气预报服务。科学卫星可以有应用目的，应用卫星也可以提供科学价值。

曾宸介绍，一颗卫星上天后，命运有时很不确定，会根据卫星运行状态、甚至因为机缘巧合而变化。比如嫦娥二号发射后，有个小行星可能对地球产生威胁，我们就派它去看看小行星。

卫星轨道如何管理？

天上的卫星轨道实际上是一种有限且不可再生的资源，它处于宇宙空间，归全人类共有，却基本上按照“先到先得”的原则分配，竞争十分激烈。那么，卫星轨道是如何管理的呢？

刘勇介绍，在卫星上天前，首先会根据目标设计轨道。比如，地球同步轨道通信卫星位于地球赤道面上方三万多公里的高度，绕地球转动的速度和地球自转速度一样快，相当于在天空静止不动，地面上的天线不需要转动就能始终对准卫星。

此外，还有低轨卫星、中轨卫星、极轨卫星等。极轨卫星每次环绕地球运动时，都会从两极上空经过，可用于测绘、遥感和气象观测等。

在卫星上天后，要做的就是后期管理，尤其是要避免与太空垃圾相撞。

卫星的归宿在哪里？

太空垃圾可能威胁到卫星，而这些太空垃圾，很多恰恰是报废或因故障而失控的人造卫星。它们高速飞行，一旦与运作中的人造卫星、载人飞船相撞，将产生巨大的破坏力。那么，当卫星完成使命后，我们该如何处理？人造卫星的最后归宿在哪里？

刘勇介绍，一些距离地球很远的飞行器，例如旅行者一号，已经飞行40多年，到达柯伊伯带，距离地球十分遥远，就任由它飞去哪儿，反正不回地球了。

对于地球同步轨道上的卫星，有时要求卫星必须携带足够的燃料，支撑它到达一个叫作“太空坟场”的指定轨道，以免对正常轨道上的卫星构成威胁。

而对于距离地球更近，通常近地点在500公里以下的卫星，可以通过人为控制，使之在引力作用下不断掉落，最终在进入大气层时焚毁。

随着如今航天器回收技术不断发展，我们不仅要关注卫星的发射，也应该在后续控制上对卫星负责，减少太空垃圾的产生。

人造卫星的未来

从通讯、导航，到气象预报，我们如今生活在一个高度依赖卫星的时代。在未来，人造卫星又会如何发展呢？

曾宸介绍，卫星其实跟手机很像，研发中一个重要因素是集成电路。所以，卫星的发展也会像手机一样，变得越来越小、越来越轻。例如，美国斯坦福大学提出“立方星”的概念，这种小卫星体积为10厘米×10厘米×10厘米，重量大约1千克。印度之前用一枚火箭发射了104颗卫星，创造世界纪录，其中大多数是立方星这样非常小的卫星。

其次，未来的卫星还会变得更加可控，用我们的手机或许就能操控小卫星，而不像现在，需要到测控站进行复杂的操控。其实这个想法已经实现，英国一家公司在2013年发射了全球第一颗智能手机卫星，通过手机就可以直接操控卫星姿态。

此外，现在信息传输非常方便，今后小卫星将不是孤立的个体，而是可以大量集成化，组成卫星互联网。在未来，我们普通人甚至有机会进入空间站，通过机械臂释放一颗自己的小卫星，进行科学实验。

結语

曾经，渺小的人类只能站在地球上，仰望星空，如今，天上的人造卫星已经与我们的生活息息相关。在未来，人造卫星还将孕育更多可能性，我们甚至可能拥有自己的小卫星，真是值得期待。B695E358-CED0-4EEC-A112-7AE2E8EC2CE8