科學認識太空中最多的航天器

在未來，衛(wèi)星會變得非常小，用手機就可以操控，甚至每個人都可能擁有自己的個人衛(wèi)星。

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)星嗎？

國家空間科學中心研究員劉勇和博士后曾宸，同我們一起飛向太空，為我們解密太空中數(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。航空和航天，雖然經常一起出現(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，去更遠的地方探索。

但另一方面，航空和航天又密切相關。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;著名航天學家馮·卡門最初則是研究空氣動力學的。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的。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。

天上的衛(wèi)星都在干嗎？

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，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，要去尋找水、生命物質等。

第二類以應用為目的，比如北斗導航衛(wèi)星、風云氣象衛(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，有明確的應用價值。

第三類是科學衛(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，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)、無線電通信等，因此，觀測空間天氣如今變得越來越重要。

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，提供空間天氣預報服務?？茖W衛(wèi)星可以有應用目的，應用衛(wèi)星也可以提供科學價值。

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)目標設計軌道。比如，地球同步軌道通信衛(wèi)星位于地球赤道面上方三萬多公里的高度，繞地球轉動的速度和地球自轉速度一樣快，相當于在天空靜止不動，地面上的天線不需要轉動就能始終對準衛(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。

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，將產生巨大的破壞力。那么，當衛(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，一些距離地球很遠的飛行器，例如旅行者一號，已經飛行40多年，到達柯伊伯帶，距離地球十分遙遠，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，支撐它到達一個叫作“太空墳場”的指定軌道，以免對正常軌道上的衛(wèi)星構成威脅。

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不斷發(fā)展，我們不僅要關注衛(wèi)星的發(fā)射，也應該在后續(xù)控制上對衛(wèi)星負責，減少太空垃圾的產生。

人造衛(wèi)星的未來

從通訊、導航，到氣象預報，我們如今生活在一個高度依賴衛(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雜的操控。其實這個想法已經實現(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，進行科學實驗。

結語

曾經，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)星已經與我們的生活息息相關。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。B695E358-CED0-4EEC-A112-7AE2E8EC2CE8