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未来人造卫星 有一颗会成为你的专属

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么?

在4月27日的科普中国-未来耀科学“空间探索”特别直播中,国家空间科学中心的研究员刘勇和博士后曾宸,同我们一起飞向太空,探索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。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。

地球周边密布着人造地球卫星。|来自网络

天上的卫星都在干嘛?

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、无线电通讯等,因此,观测空间天气如今变得越来越重要。

太阳风会干扰地球磁场。|carnegiescience.edu

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,地球同步轨道通讯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,支撑它到达一个叫做“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。

重量大约1千克的立方星。在未来,我们可能拥有自己的个人卫星。|Virginia CubeSat Constellation

重量大约1千克的立方星。在未来,我们可能拥有自己的个人卫星

结语

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。

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