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。
人造卫星的轨道由目标决定。|图虫创意
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。
太空垃圾会对人造卫星构成威胁。|MIT
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
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。
