我们为何要步入深空
9月8日，印度“月船2号”着陆器失联，探月首席科学家现场痛哭，总理莫迪上前拥抱安慰，场景让人动容。连一向淡定的NASA（美国国家航空航天局）也发推特安慰：“太空(探索)是很困难的。我们赞赏ISRO（印度空间研究组织）用‘月船2号’登陆月球南极的尝试，你们的旅程激励着我们，期待着未来有机会一起探索我们的太阳系。”
“太空(探索)是很困难的”，一向与深空打交道的NASA倒是说了一句大实话。毕竟印度“月船2号”着陆器是在距离月面表面只有2.1公里处失联，此前绝大部分的成功也遗憾地变成了失败的一部分。
太空探索要面临哪些困难？深空环境又隐藏着哪些危机呢？为何困难重重，还是阻止不了人类探索、开发深空的激情与梦想？在此，湖湘地理邀请了一家湖南卫星企业，让他们对这些年疯狂“放卫星”的行为作出解释：我们究竟为何要步入深空？
放卫星
原来星座也可以人造
“鸿雁”星座将利用300多颗高性价比小卫星组成全球低轨卫星星座通信系统。 本版制图数据来源：天仪研究院公众号UCS数据库地图会说话公众号
撰文/本报记者钱烨
如果未来每个人都有一颗专属卫星，生活会变得怎样？手机不会再出现“您呼叫的用户不在服务区”；导航系统也不会提醒“GPS信号弱”；对于突发的自然灾害，也很快会有遥感信号传来，帮助救灾队伍更快了解灾情。这听起来似乎像天方夜谭，但是如果进入太空的卫星数量足够多，组成星座，那么这一切就可以迎刃而解了。
卫星不一定都是大个子
天仪研究院夹在长沙麓谷中药饮片工厂缝隙中，是一家民营商业航天企业中的“网红”公司。上个月底，他们刚刚把潇湘一号07星送上太空，成立3年来，他们已经成功发射了14颗卫星，其发展之快令国际同行都感到惊叹。
天仪研究院主要发射的都是小卫星，在公司的简介中，可以看到他们可以为客户提供两种型号的卫星平台——6U、27U立方星（1U指的10cm×10cm×10cm）。算起来一个6U的卫星大概只有蛋糕包装盒般大小，自身仅重2公斤，却可以搭载80公斤的载荷（据潇湘一号07星技术标准），并在距离我们头顶500公里外的近地轨道上生存3年之久，着实让人刮目相看。
如果卫星的数量足够多，就可以组成“人造星座”。例如我国计划在2023年建成的“鸿雁”星座，就是将300多颗小卫星组成全球低轨卫星星座通信系统，实现全天候、全时段及在复杂地形条件下的实时双向通信能力。这样将大大提高地表上人们的通信质量，人类对复杂气象以及突发自然灾害的反应能力也将加强。
这也是像天仪研究院这样的民营航天企业正在步入的领域。天仪研究院的公司简介开篇就是提供“微小卫星星座整体解决方案”。目前这家民营航天企业做的多是卫星平台，例如潇湘一号07星，就是他们与北航国家空管新航行系统技术重点实验室进行战略合作的首发试验星。未来天仪研究院会为更多的客户提供这样的卫星平台，让更多的开发、探索太空项目能够顺利进行。而为星座计划提供卫星平台则是天仪研究院雄心勃勃的野心之一。
因为人造卫星星座动辄需要成百上千颗卫星组成，仅仅依靠一个国家或者企业的力量肯定是不够的。美国著名航天科技公司SpaceX就打算将12000颗小卫星发射到太空，用来完成自己的“星链”（Starlink）计划，可以让“WiFi信号”覆盖全球每个角落。可以想见，一旦这些小卫星星座组网成功，我们在“地球村”的生活将产生怎样翻天覆地的变化。
未来6G是天联网？
人类从未停止过步入深空。即使在缺乏科学技术的古代，当在深夜仰面迎视浩瀚星辰，一些莫名其妙的想法总会溜入脑海。1957年10月4日，苏联人率先发射了世界上第一颗人造地球卫星“伴侣一号”，开创了人类迈向太空的新纪元。自此60多年过去了，漂浮在地球外层的卫星总数已经超过4000颗，这其中又以应用类卫星如通信、遥感、导航卫星对我们的生活影响最深。
既然已经有那么多卫星漂浮在太空了，为何还要用数以万计的小卫星组成新的星座呢？事实上，由于卫星造价高昂，发射门槛高，大部分的卫星数据资源都很难惠及普通民众。互联网的持续发展已经催生出人们对于通信手段的革新需求，众多商业卫星企业的诞生正是看到了这一商机，开辟新的通信手段也就变得让人望眼欲穿。
要知道，虽然通信时代即将步入5G，但是“地球村”的通信手段仍然依赖海底光缆来实现。光缆可以看作信息传输的“中枢神经”，但这条维系着“地球村”的神经网络却异常脆弱。一场地震、海啸，粗心的捕鱼船，甚至一只好奇的鲨鱼宝宝都可能造成区域范围内的通讯中断。而且受制于地形气候等客观因素影响，死角众多。直至光缆投入商用近40多年后，根据联合国2016年的统计，全球仍有53%人口未实现互联网连接。光缆方案不完美，大家自然就将目光投向了太空，寄希望于卫星能带领人类通讯技术走向下一个纪元。
依靠小卫星在地球低轨道组成的星座，可以让在飞机上登录WiFi成为可能。根据SpaceX、OneWeb等高新航天技术企业的星座计划，“天联网”很可能是取代5G通信时代的技术革新方式。
想象一下，连接网络信号的基站不是建立在地面，而是在头顶500公里以外的高空。通信信号无时无刻不在向地面传播，而不会受到地形，或者地区贫富差距的影响，“地球村”的通信状况将得到前所未有的改良。届时，我们将会出现个人专属卫星也说不定。
但这一狂想，也有自身的弱点。处于地球低轨道的小卫星如何面对复杂的太空环境？高速运转的星与星之间如何建立通信？如此众多的小卫星，在任务完成后，会变成天空垃圾飘浮在空中么？湖湘地理邀请了天仪研究院的三位卫星工程师一一解答这些未来将改变我们生活的小卫星步入深空后的生存问题。
△2018年各国在轨卫星数量 数据来源：UCS数据库地图会说话
上月底，天仪研究院已经发射了自己的第14颗卫星。这些“湖南造”小卫星有些是实验性卫星，有些已经开始组网星座计划。这些只有蛋糕包装盒大小(新一代卫星平台自身重量仅2kg，功耗约10W)的卫星，是怎么在外太空生存下来的?面对真空环境中诸多的挑战，它们是怎么出色地完成任务，并停留在500km的高空长达三年?撰文/本报记者钱烨
卫星材料中隐藏一个气泡都可能膨胀炸裂
穿过狭窄的隔离间，穿上研制人员的衣帽，湖湘地理的记者得以进入天仪研究院卫星工程实验室这所外表“酷酷”的卫星“产房”。各种实验器材冒着红、绿色的光，卫星的组件都特意装在具有惰性气体的密封舱内，每个精小的零部件都有一排编号。对于一个文科生而言，这些器件是干什么用的，真可谓拿擀面杖吹火——一窍不通了。
只能冒昧地开口，向一旁的卫星工程师们请教了。首先，要想把一颗卫星送上天，需要把它组装出来，通过一系列的科学验证才能上天。而天仪研究院主要是负责搭建安全可靠的卫星平台，就像生产一台安全可靠的卡车一样，至于它要拖什么货物，客户会提出要求。
当然，天仪研究院也会参与到卫星载荷的研究中。什么是卫星载荷?一般一颗卫星由平台和载荷两部分组成。平台负责卫星的生存，载荷就是安放在卫星上的仪器设备。两者必须协同工作才能确保一颗卫星完成既定使命。
但是一辆卡车也有自己的载重标准，超载了，会减损卡车的寿命。小卫星可不能超载，一切都需要严格的科学流程把关。让一台蛋糕包装盒大小的卫星在距离头顶500公里外的深空中生存下来，并完成载荷任务，可比生产一辆卡车要经受的考验多得多。
首先组装卫星的材料要精挑细选。“要知道，卫星材料中隐藏一个气泡，到了真空环境中都可能膨胀炸裂”，天仪研究院姿控总师寇义民严肃地说。目前，由天仪研究院生产的卫星大多用航天铝合金。考虑到卫星在发射升空时会经受剧烈的颠簸，卫星的结构在设计时也要充分坚固才行。
近年来，微电子技术的进步、轻型材料的研制、高功率太阳能电池的出现以及卫星核心零部件成本的降低，促进了小卫星进行模块化生产的可能，就像搭积木，大大降低小卫星的成本。目前，天仪研究院已经实现小卫星的级联扩容，既可以生产像潇湘一号07星这样的小卫星，也可以通过级联扩容将卫星平台增加到50公斤或者上百公斤重，搭载更多的设备仪器。
近地轨道上被拆散的原子氧“报复心”很强
卫星从发射火箭中“逃离”出去进入预定轨道，接下来的事只能依靠自己了。找到合适的落脚点，然后展开太阳能帆板，完成设计任务。
它在举目无亲的外太空将面临哪些威胁呢?实际上每颗卫星在发射进入外太空前都会进行真空模拟实验，耐受必要的电磁辐射，以考验卫星的生存能力。
△卫星包围下的地球
拿潇湘一号07星来说，它被抛入距离头顶500公里的近地轨道上。那里是个什么样的环境呢?虽然与漂浮在约35786公里处的地球同步轨道相比，500公里的近地轨道并不算遥远的深空。这里还残留着稀薄的空气，地球磁场还很强，可以抵消一定量的高能粒子辐射，但也一样埋伏着危机。
稀薄的空气会对漂浮在近地轨道的小卫星产生微弱的摩擦力，尽管这一阻力很小，但也会制造麻烦，例如降低卫星的旋转速度，使其偏离轨道。
更重要的是，天仪系统工程师徐巍介绍说，地球外围的大气层中，氧气逐渐脱离稳定状态，被拆散成原子氧，具有高强度氧化作用，导致一些卫星的重要组件快速老化。比如太阳能帆板性能衰减，有机材料变成了无机材料，润滑材料失效。二硫化钼是很好的固体润滑剂，但是在原子氧的作用下，很快就变成了三氧化钼，成了摩擦材料。这种情况下强制运行活动部件，只能导致机械和电机部分的损坏，严重的还可能导致任务失败。
好好的一对氧“夫妻”(O2)，怎么说分手就分手了呢?问题还是来自太阳辐射。离开了地球及其大气层的保护，来自太阳的紫外线就像是王母娘娘的利剑，可以轻松地打开氧分子内部两个原子氧之间的相互作用，把紧紧抱在一起的“牛郎织女”给分开，让他们从此变成孤男寡女。
而脱离“夫妻”状态的原子氧，理所当然要寻找新的归宿，作为“单身狗”漂浮在地球大气层边缘的日子可不好过，所以一遇到可以氧化的目标就黏住不放。
大家都知道日常摄影中，昂贵的镜头上都有淡蓝色或者绿色的涂层，其中就有氟化镁，它的作用可以消除反光和增加透光率。当这些带有涂层的镜头被安装在卫星送上近地轨道对地拍摄时，很有可能碰到到处溜达的原子氧。氟化镁会被原子氧这种高能态氧化剂强行变成氧化镁，然后清澈透明的大眼睛就生生给变成白内障。
当然孤独的原子氧也并不全在干坏事。一个孤独的原子氧可能和另外一个氧气分子结合在一起，组成一个三口之家，这样就成了臭氧。大气层外围的臭氧层是地球的保护伞，这里应该不需要赘言了。
难道就没有办法阻止原子氧对于卫星的“磨损”么?天仪系统工程师徐巍介绍说，可以利用一些避免被氧化的涂层，如氧化铝、有机硅涂层等将卫星表面保护起来，减少卫星核心器材接触原子氧的机会。这样原子氧就无从下手啦。
小卫星在天上是怎么防止“走丢”的
躲过了原子氧、高能粒子等威胁，小卫星在天上是不是就安全无虞了?当然不是。
为了防止卫星“走丢”，天仪研究院的小卫星还自行设计了一套“广播体操”。让卫星时不时在轨道上“转个身”、“抬抬腿”，这么做的目的是确保小卫星保持在正确的轨道上。
△哈勃望远镜
要完成这套“卫星广播体操”，第一步就是先睁开“双眼”，看清自己的位置，确保不会“走丢”。我们都知道著名的哈勃望远镜，它大概悬停在距离地面590公里处的地球轨道上，它的“双眼”一直盯着深空。从1990年发射成功，哈勃望远镜已经累计完成超过130万次的观测，以每年产生大约10TB的新数据帮助我们看到更远的星空。
卫星只有悬停在正确、安全的地球轨道上，保持精确的倾斜角，才能开展工作。这双时刻盯着深空的眼睛，是怎么看到自己的位置的?这要归功于它的另一双“眼睛”，也被称为卫星姿态敏感器。
以太阳为基准方位，利用对太阳辐射的敏感来测量太阳视线与航天器某一轴体之间的夹角的敏感器，称之为太阳敏感器。它的精度大约在0.01度到0.5度之间，是一种在卫星设计中广泛应用的敏感器。太阳敏感器的优点是显而易见的。首先太阳作为一种很强的信号源，很容易被卫星观测到，对敏感器的器材要求也不高。太阳的视场也很大，轮廓清晰，可以简化敏感器的算法。哈勃望远镜内就有测量卫星星体相对太阳方位的敏感器，使它在全身心地观察深空时也能兼顾自己在轨道的位置。
依靠太阳确定在空间中的位置很实用，但是卫星也有转入地球背面，背离太阳的时候。这个时候负责追踪星星的星敏感器就诞生了。就像大海航海时代，夜间在海中行驶的水手们一样，不仅可以依靠罗盘，也可以利用天空中星辰准确地测量出自己的位置。
星敏感器的算法也与太阳敏感器相似。由于远处的星辰张角比较小，星敏感器的测量精度也因此要高一些。在通常情况下，卫星可以依靠两种敏感器“看到”自己的位置。
除了“睁眼”运动，还有“伸展”运动
光“看到”自己还不行，时刻围绕地球旋转的小卫星还要努力在轨道上维持稳定姿态。不然步入错误的轨道，很可能偏离卫星工作区域，甚至坠入大气层。前文通过“星敏”、“太敏”两种敏感器可以确认卫星的位置，但是小卫星怎样保持自己的姿态呢?
△天仪系统工程师刘义(左)、徐巍。图/记者李林冬
天仪系统工程师刘义介绍，由于小卫星身材娇小，无法搭载自主推进设备，所以依靠火箭进入预定轨道后，小卫星要尽可能地保持在轨的稳定性。它可以通过“卫星广播体操”中的“伸展”动作或“自旋”动作来实现姿态的稳定。这些运动都属于卫星姿态控制中的被动方式。
“伸展”动作就是利用重力梯度实现卫星稳定。离地球距离不同，卫星上不同部位受到的引力不等而产生相应的力矩。如果在卫星上装一个伸杆，卫星进入轨道后，让它向上伸出，伸出去后其顶端就比卫星的其他部分离地球远，因而所受的引力较小。而它的另一端离地球近，所受的引力较大，这样所形成的引力之差对卫星的质心形成一个恢复力矩。如果卫星的姿态(伸杆)偏离了当地铅垂线，用这个力矩就可使它恢复到原来姿态。该种控制方式简单、实用，但控制精度较低。
而“自旋”运动，是通过卫星围绕一个轴转动来保持稳定，这种姿态稳定方式就叫自旋稳定。它的原理是利用卫星绕自旋轴旋转所获得的陀螺定轴性，使卫星的自旋轴方向在惯性空间定向。这种控制方式简单，早期的卫星大多采用这种控制方式。
△“湘江新区号”卫星(潇湘二号)天仪双星于2018年1月19日搭载长征十一号火箭于酒泉成功发射。图片来源于天仪研究院公众号
当然科技发展到今天，小卫星想要维持稳定舒适的姿态已经拥有更多的方法。除了上述几种，天仪研究院还给自家卫星安装了陀螺、磁强计、飞轮和磁力矩器等姿态敏感器。从天仪研究院向外公布的数据来看，“湘江新区号”(TY-2)和“全图通一号”(TY-6)卫星的姿控指向精度能够实现优于0.1°，稳定度优于0.04°/s。这些“湖南造”小卫星已经完全可以安全舒适地待在太空中了。
对于大家关心的问题，那么多卫星是否会彼此相撞?专家们说，其实卫星之间距离还是很远的，相撞的概率很低。
小卫星问答
卫星也用手机电池么?
苹果官方数据显示，一台崭新的MacBook或者MacBookPro可以循环充放电1000余次，此后电池电量会下降至80%。也就是说，一台苹果电脑大约可以放心地使用三年，电池不会出现供给不上的问题。
天仪系统工程师徐巍介绍说，漂浮在外太空的小卫星，大多数也是依靠锂电池供电的，只是对电池循环充放电的次数要求更高。在电池的类型上，大多数小卫星与普通iPhone手机的电池相似，但是为电池充电的是太阳帆，而不是其他电源。
太阳能帆板可以说是卫星家族的标配了。因为在太空中，尤其在太阳系中，充足的太阳光照可以为大部分的轨道卫星提供能源。即使在地面，这一清洁环保的发电方式也在大规模推广。太阳能热水器已经是农村获取热水的最佳选择。联想到小卫星也会有背对太阳的时候，蓄电锂电池就要充分发挥代替作用。
△最著名的卫星“旅行者一号”用的是核电池
其实，对于探索深空的卫星而言，除了锂电池，还可以选用不需要充电的核电池作为能源保障，这样就不需要设计太阳能帆板了。但这一般只适合远地飞行的卫星，如美国人发起的探索火星任务。近地轨道卫星是否可以尝试这种核电池呢?一者核电池的造价昂贵，二者，卫星再入大气层后，可能产生核污染，所以核电池并不适合围绕地球旋转的卫星使用。
卫星背对太阳时，锂电池会结冰么?
使用手机时大家都有个麻烦，就是当冬天来临时，手机的待机时间会变得非常短。如果人在东北零下十几度的低温中，手机很可能瞬间关机，连充电都变得十分困难。远在头顶500公里处的小卫星也会面临这种尴尬的情况么?
当卫星旋转到地球的阴影中，晒不到太阳，温度又下降至零度以下，卫星中的锂电池会断电，甚至结冰么?请教这个问题时，天仪系统工程师徐巍笑着说，他们每台送到天上的小卫星都有自己的热控系统。小卫星在近地轨道运行时，面对太阳的正面与背面，温差可能达到几十度，必须利用特殊的隔热与匀热涂层或材料进行保护，隔绝热量或者均匀地传导热量。
而当卫星进入地球阴影中，卫星体温降低到影响电池供能的时候，辅热系统就会发挥作用。它的工作原理就是利用最小的电能首先维持电池的体温，暂时停止其他耗能系统，待电池性能稳定后，再进入正常的工作模式。
任务完成的卫星，会变成太空垃圾么?
当解决了大多数的生存问题后，卫星向地面基站传递信号，才能标志着一颗卫星的成功发射。例如一颗遥感卫星，它的职责就是进入预定轨道，对地进行地形拍摄，然后将图片数据传递到地面基站。
小卫星的一个优势就是可以通过数量弥补质量与性能上的不足。天仪系统工程师刘义介绍说，对于遥感卫星而言，当用数百个小卫星组成星座，一颗卫星对同一地点的访问就会增多，这对应对突发自然灾害或者荒野救援有着不可取代的作用。
卫星信号的传递，需要穿过厚厚的云层，有时候也会遭受强磁场的干扰。而组成星座的微小卫星星座群，不仅要与地面联系，星与星之间也要建立联系。星与星的通信连接，还需要技术累积，才能实现真正的“天联网”。
不过过程虽然艰辛，但是人类不就是解决了一个个这样的难题之后，才走到今天，不是么?
而那么多的小卫星组成星座，一旦设计寿命完成，会不会形成庞大的太空垃圾呢?对于这个问题，天仪研究院姿控总师寇义民介绍说，目前，天仪研究院发射的卫星都搭载了再入大气层系统。“你可以理解成在卫星上装了一个降落伞，当打开它，卫星就会在空气阻力下，慢慢回到地球怀抱”。
当然这一过程是被动完成的，因为小卫星没有搭载主动推进系统的空间。“降落伞”只是一个比喻，实际上，小卫星可以通过改变太阳能帆板的截面积来调整卫星姿态，虽然近地轨道的大气十分稀薄，但是一丁点的阻力就会改变卫星的姿态。
一般一颗小卫星的寿命不超过三年，它们再次“拥抱”地球的时刻，就是深空旅行结束的时刻。这时它已完成任务，可以变成美丽的流星划过天空。
知乎
小卫星家族
根据卫星的质量，通常将小于1000公斤的卫星称为广义的小卫星。其中，将500~1000公斤的卫星称为小卫星，100~500公斤的卫星称为微小卫星，10~100公斤的称为显微卫星，小于10公斤的称为纳米卫星。与大卫星相比，小卫星具有先进、快速、低廉、可靠的特点。小卫星不只是简单的质量小，而是高度集成化技术、自动化技术的应用，特别是计算机的迅速发展，实现星上控制与处理计算机小型化。小卫星可以快速实现从设计、制造、发射、在轨运行全过程，一般不到十二个月。小卫星的发展大大降低了卫星应用的门槛。