圖蟲(chóng)創(chuàng)意
來(lái)源 | 科普中國(guó)-未來(lái)耀科學(xué)
仰望星空，我們看到的是滿(mǎn)天繁星，其實(shí)，天空飄浮著的還有大量人造衛(wèi)星。無(wú)論是東方紅一號(hào)，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?cè)鯓痈淖兾覀兊纳睿吭谖磥?lái)，人造衛(wèi)星會(huì)是什么樣？我們會(huì)擁有自己的個(gè)人衛(wèi)星么？
在4月27日的科普中國(guó)-未來(lái)耀科學(xué)“空間探索”特別直播中，國(guó)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(lèi)要離開(kāi)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(shí)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(shí)現(xiàn)飛行；航天則是要離開(kāi)大氣層，既可以在地球引力下繞著地球飛行，也可以離開(kāi)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(gè)進(jìn)入太空的宇航員加加林，和第一個(gè)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(mén)最初則是研究空氣動(dòng)力學(xué)的。而且，外太空與地球大氣層的分界線(xiàn)——卡門(mén)線(xiàn)，就是以他的名字命名。按照這個(gè)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(jì)，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(jiàn)的航空器有飛機(jī)、直升機(jī)、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(shí)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(huì)想到火箭、航天飛機(jī)、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(lái)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(lèi)。第一類(lèi)以純探測(cè)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(hào)、斯普特尼克一號(hào)等，還有比如火星探測(cè)器，往往有明確的目標(biāo)，要去尋找水、生命物質(zhì)等。
第二類(lèi)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(jì)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(jià)值。
第三類(lèi)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(yáng)除了發(fā)光發(fā)熱，還會(huì)持續(xù)發(fā)射太陽(yáng)風(fēng)，也就是高速的帶電粒子流，這些粒子吹到地球上空，會(huì)干擾地球磁場(chǎng)，影響航天系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)電通訊等，因此，觀測(cè)空間天氣如今變得越來(lái)越重要。
太陽(yáng)風(fēng)會(huì)干擾地球磁場(chǎng)。|carnegiescience.edu
這三類(lèi)衛(wèi)星在功能上有時(shí)會(huì)相互交疊，比如北斗衛(wèi)星上可以裝一個(gè)科學(xué)探測(cè)器，檢測(cè)地球的范艾倫輻射帶中粒子的變化；研究太陽(yáng)的衛(wèi)星也可以探測(cè)太陽(yáng)風(fēng)，提供空間天氣預(yù)報(bào)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(jià)值。
曾宸介紹，一顆衛(wèi)星上天后，命運(yùn)有時(shí)很不確定，會(huì)根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)、甚至因?yàn)闄C(jī)緣巧合而變化。比如嫦娥二號(hào)發(fā)射后，有個(gè)小行星可能對(duì)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(shí)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(lèi)共有，卻基本上按照“先到先得”的原則分配，競(jìng)爭(zhēng)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(huì)根據(jù)目標(biāo)設(shè)計(jì)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(wàn)多公里的高度，繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)，地面上的天線(xiàn)不需要轉(zhuǎn)動(dòng)就能始終對(duì)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(yùn)動(dòng)時(shí)，都會(huì)從兩極上空經(jīng)過(guò)，可用于測(cè)繪、遙感和氣象觀測(cè)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(chóng)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(bào)廢或因故障而失控的人造衛(wèi)星。它們高速飛行，一旦與運(yùn)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?cè)撊绾翁幚?？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(hào)，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(duì)于地球同步軌道上的衛(wèi)星，有時(shí)要求衛(wèi)星必須攜帶足夠的燃料，支撐它到達(dá)一個(gè)叫做“太空墳場(chǎng)”的指定軌道，以免對(duì)正常軌道上的衛(wèi)星構(gòu)成威脅。
而對(duì)于距離地球更近，通常近地點(diǎn)在500公里以下的衛(wèi)星，可以通過(guò)人為控制，使之在引力作用下不斷掉落，最終在進(jìn)入大氣層時(shí)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(duì)衛(wèi)星負(fù)責(zé)，減少太空垃圾的產(chǎn)生。
太空垃圾會(huì)對(duì)人造衛(wèi)星構(gòu)成威脅。｜MIT
人造衛(wèi)星的未來(lái)
從通訊、導(dǎo)航，到氣象預(yù)報(bào)，我們?nèi)缃裆钤谝粋€(gè)高度依賴(lài)衛(wèi)星的時(shí)代。在未來(lái)，人造衛(wèi)星又會(huì)如何發(fā)展呢？
曾宸介紹，衛(wèi)星其實(shí)跟手機(jī)很像，研發(fā)中一個(gè)重要因素是集成電路。所以衛(wèi)星的發(fā)展也會(huì)像手機(jī)一樣，變得越來(lái)越小、越來(lái)越輕。例如，美國(guó)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(lái)的衛(wèi)星還會(huì)變得更加可控，用我們的手機(jī)或許就能操控小衛(wèi)星，而不像現(xiàn)在，需要到測(cè)控站進(jìn)行復(fù)雜的操控。其實(shí)這個(gè)想法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，英國(guó)一家公司在2013年發(fā)射了全球第一顆智能手機(jī)衛(wèi)星，通過(guò)手機(jī)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(gè)體，而是可以大量集成化，組成衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。在未來(lái)，我們普通人甚至有機(jī)會(huì)進(jìn)入空間站，通過(guò)機(jī)械臂釋放一顆自己的小衛(wèi)星，進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
重量大約1千克的立方星。在未來(lái)，我們可能擁有自己的個(gè)人衛(wèi)星。｜Virginia CubeSat Constellation
結(jié)語(yǔ)
曾經(jīng)，渺小的人類(lèi)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(lái)，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(lái)源 | 未來(lái)耀科學(xué)“空間探索”特別直播
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