專(zhuān)家揭秘“老舊航天器”命運(yùn)：除了墜毀和回收還有第三種歸宿

9月27日，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心，用長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭，以一箭雙星方式成功發(fā)射環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A、B衛(wèi)星。

有新的航天器被發(fā)射升空，就有老舊航天器“壽終正寢”。不久前美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的一顆無(wú)法繼續(xù)工作的老舊航天器回落地球，著陸范圍位于南太平洋上的塔希提島和庫(kù)克群島中間的區(qū)域。據(jù)悉，這顆名為“軌道地球物理臺(tái)”1號(hào)(OGO-1)的航天器于1964年9月發(fā)射，重達(dá)500公斤，用以掃描地球磁場(chǎng)控制的周?chē)臻g區(qū)域。1969年之后，該航天器就已無(wú)法再向地球發(fā)送數(shù)據(jù)，而是一直處于待機(jī)模式。環(huán)繞地球在空間軌道運(yùn)行了半個(gè)多世紀(jì)后，它的“太空之旅”才終于結(jié)束。

目前，世界上掌握可重復(fù)使用航天器發(fā)射技術(shù)的國(guó)家還為數(shù)不多，大多數(shù)航天器在使用結(jié)束后往往無(wú)法回收。那么，完成使命的航天器“命運(yùn)”如何?為此，記者采訪了中國(guó)航天科工集團(tuán)二院研究員、國(guó)際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)副主席楊宇光，請(qǐng)專(zhuān)家揭秘“老舊航天器”的命運(yùn)。

無(wú)法回收的老舊航天器要么受控離軌要么任其墜毀

1970年，我國(guó)第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”發(fā)射升空，拉開(kāi)了我國(guó)空間事業(yè)的序幕。半個(gè)世紀(jì)過(guò)去后，“東方紅一號(hào)”雖停止工作，仍在軌道上繞地飛行。

楊宇光告訴記者，由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，“東方紅一號(hào)”衛(wèi)星沒(méi)有安裝太陽(yáng)能電池板，而是“采用蓄電池供電，在其工作28天后，電池的電量耗盡，衛(wèi)星就無(wú)法繼續(xù)工作了”。

記者了解到，目前主要有兩種方式可對(duì)航天器進(jìn)行回收，一種是利用航天飛機(jī)的機(jī)械手臂對(duì)其進(jìn)行“抓捕”回收，例如1984年美國(guó)休斯公司制造的西聯(lián)星六號(hào)衛(wèi)星，在發(fā)射后由于上面級(jí)火箭提前關(guān)機(jī)未能入軌，9個(gè)月后被航天飛機(jī)抓回地面;另外一種回收航天器的方式，則需要在航天器上設(shè)置防熱氣動(dòng)外型和反推制動(dòng)裝置，例如我國(guó)的返回式衛(wèi)星，在完成任務(wù)后，有部分結(jié)構(gòu)會(huì)攜帶觀測(cè)成果返回地面。

對(duì)于無(wú)法進(jìn)行回收的航天器，各國(guó)一般有兩種處理措施。

如果是高軌道衛(wèi)星，老衛(wèi)星在軌道上完成任務(wù)后，需要“讓位”于新衛(wèi)星，因此，在其壽命結(jié)束之前，需要將它抬高。楊宇光解釋說(shuō)：“抬高的過(guò)程就是其自身推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行加速，將航天器的軌道抬高到比地球同步軌道高約200公里的軌道上。”

針對(duì)低軌道航天器，又分為受控離軌和不受控離軌兩種處理方式。

受控離軌返回地球的有飛船、到壽命期限的空間站和航天飛機(jī)等。例如此前我國(guó)自主研發(fā)的首艘貨運(yùn)飛船天舟一號(hào)，采用了多項(xiàng)通信技術(shù)，讓飛船能夠?qū)崿F(xiàn)與地面測(cè)控系統(tǒng)的信息交互。飛船在軌飛行期間，科研人員通過(guò)專(zhuān)門(mén)研制的應(yīng)答機(jī)天線網(wǎng)絡(luò)，可傳輸?shù)孛鎸?duì)飛船控制的相關(guān)指令以及接收飛船的飛行狀態(tài)信息，確保了在軌飛行控制系統(tǒng)的有效運(yùn)行。相關(guān)任務(wù)完成后，在地面測(cè)控通信系統(tǒng)的精確控制和密切監(jiān)視下，天舟一號(hào)經(jīng)過(guò)兩次制動(dòng)，使軌道高度不斷下降，最后進(jìn)入大氣層燒毀。

不受控離軌的主要是那些高度足夠低、不能繼續(xù)工作的衛(wèi)星，楊宇光介紹說(shuō)：“如果這些衛(wèi)星的個(gè)頭足夠小且沒(méi)有耐燒的部件，那么到達(dá)壽命期限后，它們會(huì)自行緩慢墜落，最后也會(huì)在大氣層燃燒殆盡。”

楊宇光告訴記者，為了避免更多航天器留在太空影響空間秩序，很多國(guó)家都在研究為航天器搭載離軌帆或其他能增加其氣動(dòng)阻力的裝置，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星減速降軌。

“太空中的老舊航天器停留的時(shí)間越長(zhǎng)，跟別的航天器發(fā)生碰撞的幾率就越大。為航天器加上離軌帆，就相當(dāng)于在保證其質(zhì)量不變的情況下增大其面積，這樣它的運(yùn)行阻力就會(huì)變大，在停止工作后就能迅速開(kāi)始?jí)嬄?。從而?shí)現(xiàn)航天器較快被動(dòng)離軌，助力清除太空垃圾。”楊宇光說(shuō)。

一些航天器的墜落不可控但落到人類(lèi)居住區(qū)的概率極低

當(dāng)航天器返回地球時(shí)，其著陸時(shí)間和落地范圍是可控的嗎?

記者了解到，根據(jù)牛頓定律，假設(shè)地心引力是影響衛(wèi)星繞軌運(yùn)行的唯一動(dòng)力，那么衛(wèi)星就會(huì)一直以圓形或橢圓形軌道圍繞地球運(yùn)行。但這并不適用于處于較低軌道高度的航天器。因?yàn)槭艽髿庥绊?，航天器飛行速度降低，軌道高度也進(jìn)一步下降。要想預(yù)測(cè)墜落的時(shí)間和地點(diǎn)，必須要了解大氣密度，然而航天器返回地球時(shí)，所到之處的實(shí)時(shí)大氣密度值難以測(cè)算，所以科學(xué)家也很難預(yù)測(cè)航天器墜落的時(shí)間和地點(diǎn)。

“若墜入大氣層時(shí)沒(méi)有被燒毀，航天器就存在墜落地球表面的可能。有些航天器會(huì)采用先受控離軌、再無(wú)控隕落的方式結(jié)束其使命，比如說(shuō)落到南太平洋，那附近是方圓幾千公里的深海無(wú)人區(qū)，因此航天器墜落在那里不會(huì)對(duì)人類(lèi)造成任何威脅。”楊宇光說(shuō)，“對(duì)于不受控自行墜落的航天器，科學(xué)家會(huì)密切關(guān)注其墜落軌跡，當(dāng)它快接近地球的時(shí)候，一般離地面約200公里時(shí)，就可以對(duì)其墜落地點(diǎn)有一個(gè)大致的預(yù)測(cè)。”

楊宇光告訴記者，在整個(gè)地球表面，海洋占總面積的71%，陸地只占約29%，而這29%的面積中，人類(lèi)居住面積的占比也非常小，因此航天器墜落到人類(lèi)居住區(qū)的概率是極低的。

在歷史上，有過(guò)幾次航天器失控墜落地球的例子。據(jù)報(bào)道，1978年1月24日，蘇聯(lián)核動(dòng)力衛(wèi)星“宇宙954”號(hào)在運(yùn)行軌道上失去控制，墜落于加拿大西北部。這顆衛(wèi)星裝有大量放射性物質(zhì)，雖然墜落時(shí)反應(yīng)堆已經(jīng)脫離，但該衛(wèi)星落地后還是對(duì)周邊10萬(wàn)平方公里的地區(qū)造成了小劑量輻射污染。

1979年7月11日，重約80噸的美國(guó)“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站于再入過(guò)程(即航天器通過(guò)制動(dòng)進(jìn)入大氣層，然后在地球表面著陸的過(guò)程)中操控失誤，大量殘骸灑落在澳大利亞西部荒原之中，墜毀的航天器砸倒了幾棟小屋，并砸死了一頭牛。

回收與否需考慮多重因素各方正在嘗試給老航天器“續(xù)命”

據(jù)楊宇光介紹，目前在地空之間來(lái)往比較頻繁的航天器當(dāng)屬貨運(yùn)飛船，主要包括美國(guó)的龍飛船、“天鵝座”飛船、俄羅斯“進(jìn)步MS”系列飛船、歐洲ATV貨運(yùn)飛船、日本HTV貨運(yùn)飛船以及我國(guó)的天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船等，目前只有龍飛船可實(shí)現(xiàn)回收，其他貨運(yùn)飛船將貨物送到空間站后，都會(huì)帶著一部分空間站的垃圾受控離軌回落到南太平洋。

航天器的發(fā)射成本巨大，那為什么我們不給所有的航天器都增設(shè)回收裝置呢?專(zhuān)家解釋說(shuō)，是否對(duì)航天器進(jìn)行可回收設(shè)計(jì)，不單單是從成本的角度出發(fā)。

楊宇光說(shuō)：“首先要考慮科研需求，那些需要把特定的‘貨物’帶回來(lái)的航天器就需要可回收設(shè)計(jì)。例如空間實(shí)驗(yàn)做育種項(xiàng)目，需要讓育種結(jié)果搭乘航天器的‘順風(fēng)車(chē)’返回地球，利用我們的返回式衛(wèi)星就可以完成這項(xiàng)運(yùn)輸任務(wù)。”

另一方面，并不是所有航天器都適合安裝類(lèi)似返回式衛(wèi)星的回收裝置。氣動(dòng)外型和防熱層可保證航天器在回收的過(guò)程中不被高速之下與大氣摩擦產(chǎn)生的氣動(dòng)熱破壞，但防熱材料所占空間體積較大，重量也不容小覷。因此目前僅限于專(zhuān)門(mén)的航天器如載人飛船等才能安裝。

楊宇光進(jìn)一步解釋說(shuō)，體型較小的航天器若再增加氣動(dòng)外型和防熱層，會(huì)占用航天器自身的體積和重量，對(duì)于發(fā)射及在軌運(yùn)行都會(huì)造成影響。考慮到技術(shù)和成本因素，就沒(méi)有必要為其加裝回收裝置。

談到如今正在太空運(yùn)轉(zhuǎn)的航天器未來(lái)的“命運(yùn)”，楊宇光說(shuō)，航天器變軌需要消耗推進(jìn)劑，對(duì)于一些零部件都還完好，只是推進(jìn)劑用光的航天器，科學(xué)家可以采取一定措施延長(zhǎng)它的壽命。例如，我國(guó)2017年發(fā)射的天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船，就成功完成了對(duì)天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室的推進(jìn)劑補(bǔ)加，這可以保持空間實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)在軌，從而延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室的壽命。

現(xiàn)在，人類(lèi)開(kāi)始更多地嘗試在軌道上延長(zhǎng)航天器的壽命。就在今年4月17日，諾斯羅普·格魯曼公司的MEV-1衛(wèi)星與國(guó)際通信衛(wèi)星組織的Intelsat-901的發(fā)動(dòng)機(jī)噴口成功對(duì)接，開(kāi)始為燃料基本耗盡的Intelsat-901提供新的燃料，這也是人類(lèi)第一次依靠新衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了給老衛(wèi)星“續(xù)命”的任務(wù)。

今年8月，諾斯羅普·格魯曼公司再次發(fā)射MEV-2衛(wèi)星進(jìn)入太空，目的是抓住一顆已經(jīng)在太空中停留了16年的老化衛(wèi)星，通過(guò)給它安裝一套新的發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料，延長(zhǎng)這個(gè)老衛(wèi)星在軌道上的壽命。

相關(guān)專(zhuān)家認(rèn)為，幫助航天器延長(zhǎng)使用壽命，未來(lái)將成為科技公司新的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)領(lǐng)域，這或許有助于將人類(lèi)深空探測(cè)活動(dòng)提升到一個(gè)全新的技術(shù)水平。(實(shí)習(xí)記者 張佳欣)

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