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除了坠毁和回收 老旧航天器还有第三种归宿

馮傑

2020年10月15日 01:56

实习记者 张佳欣
科技日報(2020年9月29日)

9月27日,我國在太原衛星發射中心,用長征四號乙運載火箭,以一箭雙星方式成功發射環境減災二號A、B衛星。

有新的航天器被發射升空,就有老舊航天器“壽終正寢”。不久前美國國家航空航天局(NASA)的一顆無法繼續工作的老舊航天器回落地球,著陸範圍位于南太平洋上的塔希提島和庫克群島中間的區域。據悉,這顆名爲“軌道地球物理台”1號(OGO-1)的航天器于1964年9月發射,重達500公斤,用以掃描地球磁場控制的周圍空間區域。1969年之後,該航天器就已無法再向地球發送數據,而是一直處于待機模式。環繞地球在空間軌道運行了半個多世紀後,它的“太空之旅”才終于結束。

目前,世界上掌握可重複使用航天器發射技術的國家還爲數不多,大多數航天器在使用結束後往往無法回收。那麽,完成使命的航天器“命運”如何?爲此,記者采訪了中國航天科工集團二院研究員、國際宇航聯空間運輸委員會副主席楊宇光,請專家揭秘“老舊航天器”的命運。

无法回收的老旧航天器 要么受控离轨要么任其坠毁

1970年,我國第一顆人造衛星“東方紅一號”發射升空,拉開了我國空間事業的序幕。半個世紀過去後,“東方紅一號”雖停止工作,仍在軌道上繞地飛行。

楊宇光告訴記者,由于受當時技術條件限制,“東方紅一號”衛星沒有安裝太陽能電池板,而是“采用蓄電池供電,在其工作28天後,電池的電量耗盡,衛星就無法繼續工作了”。

記者了解到,目前主要有兩種方式可對航天器進行回收,一種是利用航天飛機的機械手臂對其進行“抓捕”回收,例如1984年美國休斯公司制造的西聯星六號衛星,在發射後由于上面級火箭提前關機未能入軌,9個月後被航天飛機抓回地面;另外一種回收航天器的方式,則需要在航天器上設置防熱氣動外型和反推制動裝置,例如我國的返回式衛星,在完成任務後,有部分結構會攜帶觀測成果返回地面。

對于無法進行回收的航天器,各國一般有兩種處理措施。

如果是高軌道衛星,老衛星在軌道上完成任務後,需要“讓位”于新衛星,因此,在其壽命結束之前,需要將它擡高。楊宇光解釋說:“擡高的過程就是其自身推進系統進行加速,將航天器的軌道擡高到比地球同步軌道高約200公裏的軌道上。”

針對低軌道航天器,又分爲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等。例如此前我國自主研發的首艘貨運飛船天舟一號,采用了多項通信技術,讓飛船能夠實現與地面測控系統的信息交互。飛船在軌飛行期間,科研人員通過專門研制的應答機天線網絡,可傳輸地面對飛船控制的相關指令以及接收飛船的飛行狀態信息,確保了在軌飛行控制系統的有效運行。相關任務完成後,在地面測控通信系統的精確控制和密切監視下,天舟一號經過兩次制動,使軌道高度不斷下降,最後進入大氣層燒毀。

不受控離軌的主要是那些高度足夠低、不能繼續工作的衛星,楊宇光介紹說:“如果這些衛星的個頭足夠小且沒有耐燒的部件,那麽到達壽命期限後,它們會自行緩慢墜落,最後也會在大氣層燃燒殆盡。”

楊宇光告訴記者,爲了避免更多航天器留在太空影響空間秩序,很多國家都在研究爲航天器搭載離軌帆或其他能增加其氣動阻力的裝置,以實現衛星減速降軌。

“太空中的老舊航天器停留的時間越長,跟別的航天器發生碰撞的幾率就越大。爲航天器加上離軌帆,就相當于在保證其質量不變的情況下增大其面積,這樣它的運行阻力就會變大,在停止工作後就能迅速開始墜落。從而實現航天器較快被動離軌,助力清除太空垃圾。”楊宇光說。

一些航天器的坠落不可控 但落到人类居住区的概率极低

當航天器返回地球時,其著陸時間和落地範圍是可控的嗎?

記者了解到,根據牛頓定律,假設地心引力是影響衛星繞軌運行的唯一動力,那麽衛星就會一直以圓形或橢圓形軌道圍繞地球運行。但這並不適用于處于較低軌道高度的航天器。因爲受大氣影響,航天器飛行速度降低,軌道高度也進一步下降。要想預測墜落的時間和地點,必須要了解大氣密度,然而航天器返回地球時,所到之處的實時大氣密度值難以測算,所以科學家也很難預測航天器墜落的時間和地點。

“若墜入大氣層時沒有被燒毀,航天器就存在墜落地球表面的可能。有些航天器會采用先受控離軌、再無控隕落的方式結束其使命,比如說落到南太平洋,那附近是方圓幾千公裏的深海無人區,因此航天器墜落在那裏不會對人類造成任何威脅。”楊宇光說,“對于不受控自行墜落的航天器,科學家會密切關注其墜落軌迹,當它快接近地球的時候,一般離地面約200公裏時,就可以對其墜落地點有一個大致的預測。”

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

在曆史上,有過幾次航天器失控墜落地球的例子。據報道,1978年1月24日,蘇聯核動力衛星“宇宙954”號在運行軌道上失去控制,墜落于加拿大西北部。這顆衛星裝有大量放射性物質,雖然墜落時反應堆已經脫離,但該衛星落地後還是對周邊10萬平方公裏的地區造成了小劑量輻射汙染。

1979年7月11日,重約80噸的美國“天空實驗室”空間站于再入過程(即航天器通過制動進入大氣層,然後在地球表面著陸的過程)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,並砸死了一頭牛。

回收与否需考虑多重因素 各方正在尝试给老航天器“续命”

據楊宇光介紹,目前在地空之間來往比較頻繁的航天器當屬貨運飛船,主要包括美國的龍飛船、“天鵝座”飛船、俄羅斯“進步MS”系列飛船、歐洲ATV貨運飛船、日本HTV貨運飛船以及我國的天舟一號貨運飛船等,目前只有龍飛船可實現回收,其他貨運飛船將貨物送到空間站後,都會帶著一部分空間站的垃圾受控離軌回落到南太平洋。

航天器的發射成本巨大,那爲什麽我們不給所有的航天器都增設回收裝置呢?專家解釋說,是否對航天器進行可回收設計,不單單是從成本的角度出發。

楊宇光說:“首先要考慮科研需求,那些需要把特定的‘貨物’帶回來的航天器就需要可回收設計。例如空間實驗做育種項目,需要讓育種結果搭乘航天器的‘順風車’返回地球,利用我們的返回式衛星就可以完成這項運輸任務。”

另一方面,並不是所有航天器都適合安裝類似返回式衛星的回收裝置。氣動外型和防熱層可保證航天器在回收的過程中不被高速之下與大氣摩擦産生的氣動熱破壞,但防熱材料所占空間體積較大,重量也不容小觑。因此目前僅限于專門的航天器如載人飛船等才能安裝。

楊宇光進一步解釋說,體型較小的航天器若再增加氣動外型和防熱層,會占用航天器自身的體積和重量,對于發射及在軌運行都會造成影響。考慮到技術和成本因素,就沒有必要爲其加裝回收裝置。

談到如今正在太空運轉的航天器未來的“命運”,楊宇光說,航天器變軌需要消耗推進劑,對于一些零部件都還完好,只是推進劑用光的航天器,科學家可以采取一定措施延長它的壽命。例如,我國2017年發射的天舟一號貨運飛船,就成功完成了對天宮二號空間實驗室的推進劑補加,這可以保持空間實驗室繼續在軌,從而延長實驗室的壽命。

現在,人類開始更多地嘗試在軌道上延長航天器的壽命。就在今年4月17日,諾斯羅普·格魯曼公司的MEV-1衛星與國際通信衛星組織的Intelsat-901的發動機噴口成功對接,開始爲燃料基本耗盡的Intelsat-901提供新的燃料,這也是人類第一次依靠新衛星實現了給老衛星“續命”的任務。

今年8月,諾斯羅普·格魯曼公司再次發射MEV-2衛星進入太空,目的是抓住一顆已經在太空中停留了16年的老化衛星,通過給它安裝一套新的發動機和燃料,延長這個老衛星在軌道上的壽命。

相關專家認爲,幫助航天器延長使用壽命,未來將成爲科技公司新的業務增長領域,這或許有助于將人類深空探測活動提升到一個全新的技術水平。


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2020年10月15日 09:48
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