-除了坠毁和回收 老旧航天器还有第三种归宿
来源:科技日报
作者:张佳欣
发布时间:2020-09-29
浏览次数:600
-除了坠毁和回收 老旧航天器还有第三种归宿

视觉中国供图

 

  9月27日,我国在太原卫星发射中心,用长征四号乙运载火箭,以一箭双星方式成功发射环境减灾二号A、B卫星。

  有新的航天器被发射升空,就有老旧航天器“寿终正寝”。不久前美国国家航空航天局(NASA)的一颗无法继续工作的老旧航天器回落地球,着陆范围位于南太平洋上的塔希提岛和库克群岛中间的区域。据悉,这颗名为“轨道地球物理台”1号(OGO-1)的航天器于1964年9月发射,重达500公斤,用以扫描地球磁场控制的周围空间区域。1969年之后,该航天器就已无法再向地球发送数据,而是一直处于待机模式。环绕地球在空间轨道运行了半个多世纪后,它的“太空之旅”才终于结束。

  目前,世界上掌握可重复使用航天器发射技术的国家还为数不多,大多数航天器在使用结束后往往无法回收。那么,完成使命的航天器“命运”如何?为此,记者采访了中国航天科工集团二院研究员、国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光,请专家揭秘“老旧航天器”的命运。

  无法回收的老旧航天器 要么受控离轨要么任其坠毁

  1970年,我国第一颗人造卫星“东方红一号”发射升空,拉开了我国空间事业的序幕。半个世纪过去后,“东方红一号”虽停止工作,仍在轨道上绕地飞行。

  杨宇光告诉记者,由于受当时技术条件限制,“东方红一号”卫星没有安装太阳能电池板,而是“采用蓄电池供电,在其工作28天后,电池的电量耗尽,卫星就无法继续工作了”。

  记者了解到,目前主要有两种方式可对航天器进行回收,一种是利用航天飞机的机械手臂对其进行“抓捕”回收,例如1984年美国休斯公司制造的西联星六号卫星,在发射后由于上面级火箭提前关机未能入轨,9个月后被航天飞机抓回地面;另外一种回收航天器的方式,则需要在航天器上设置防热气动外型和反推制动装置,例如我国的返回式卫星,在完成任务后,有部分结构会携带观测成果返回地面。

  对于无法进行回收的航天器,各国一般有两种处理措施。

  如果是高轨道卫星,老卫星在轨道上完成任务后,需要“让位”于新卫星,因此,在其寿命结束之前,需要将它抬高。杨宇光解释说:“抬高的过程就是其自身推进系统进行加速,将航天器的轨道抬高到比地球同步轨道高约200公里的轨道上。”

  针对低轨道航天器,又分为受控离轨和不受控离轨两种处理方式。

  受控离轨返回地球的有飞船、到寿命期限的空间站和航天飞机等。例如此前我国自主研发的首艘货运飞船天舟一号,采用了多项通信技术,让飞船能够实现与地面测控系统的信息交互。飞船在轨飞行期间,科研人员通过专门研制的应答机天线网络,可传输地面对飞船控制的相关指令以及接收飞船的飞行状态信息,确保了在轨飞行控制系统的有效运行。相关任务完成后,在地面测控通信系统的精确控制和密切监视下,天舟一号经过两次制动,使轨道高度不断下降,最后进入大气层烧毁。

  不受控离轨的主要是那些高度足够低、不能继续工作的卫星,杨宇光介绍说:“如果这些卫星的个头足够小且没有耐烧的部件,那么到达寿命期限后,它们会自行缓慢坠落,最后也会在大气层燃烧殆尽。”

  杨宇光告诉记者,为了避免更多航天器留在太空影响空间秩序,很多国家都在研究为航天器搭载离轨帆或其他能增加其气动阻力的装置,以实现卫星减速降轨。

  “太空中的老旧航天器停留的时间越长,跟别的航天器发生碰撞的几率就越大。为航天器加上离轨帆,就相当于在保证其质量不变的情况下增大其面积,这样它的运行阻力就会变大,在停止工作后就能迅速开始坠落。从而实现航天器较快被动离轨,助力清除太空垃圾。”杨宇光说。

  一些航天器的坠落不可控 但落到人类居住区的概率极低

  当航天器返回地球时,其着陆时间和落地范围是可控的吗?

  记者了解到,根据牛顿定律,假设地心引力是影响卫星绕轨运行的唯一动力,那么卫星就会一直以圆形或椭圆形轨道围绕地球运行。但这并不适用于处于较低轨道高度的航天器。因为受大气影响,航天器飞行速度降低,轨道高度也进一步下降。要想预测坠落的时间和地点,必须要了解大气密度,然而航天器返回地球时,所到之处的实时大气密度值难以测算,所以科学家也很难预测航天器坠落的时间和地点。

  “若坠入大气层时没有被烧毁,航天器就存在坠落地球表面的可能。有些航天器会采用先受控离轨、再无控陨落的方式结束其使命,比如说落到南太平洋,那附近是方圆几千公里的深海无人区,因此航天器坠落在那里不会对人类造成任何威胁。”杨宇光说,“对于不受控自行坠落的航天器,科学家会密切关注其坠落轨迹,当它快接近地球的时候,一般离地面约200公里时,就可以对其坠落地点有一个大致的预测。”

  杨宇光告诉记者,在整个地球表面,海洋占总面积的71%,陆地只占约29%,而这29%的面积中,人类居住面积的占比也非常小,因此航天器坠落到人类居住区的概率是极低的。

  在历史上,有过几次航天器失控坠落地球的例子。据报道,1978年1月24日,苏联核动力卫星“宇宙954”号在运行轨道上失去控制,坠落于加拿大西北部。这颗卫星装有大量放射性物质,虽然坠落时反应堆已经脱离,但该卫星落地后还是对周边10万平方公里的地区造成了小剂量辐射污染。

  1979年7月11日,重约80吨的美国“天空实验室”空间站于再入过程(即航天器通过制动进入大气层,然后在地球表面着陆的过程)中操控失误,大量残骸洒落在澳大利亚西部荒原之中,坠毁的航天器砸倒了几栋小屋,并砸死了一头牛。

  回收与否需考虑多重因素 各方正在尝试给老航天器“续命”

  据杨宇光介绍,目前在地空之间来往比较频繁的航天器当属货运飞船,主要包括美国的龙飞船、“天鹅座”飞船、俄罗斯“进步MS”系列飞船、欧洲ATV货运飞船、日本HTV货运飞船以及我国的天舟一号货运飞船等,目前只有龙飞船可实现回收,其他货运飞船将货物送到空间站后,都会带着一部分空间站的垃圾受控离轨回落到南太平洋。

  航天器的发射成本巨大,那为什么我们不给所有的航天器都增设回收装置呢?专家解释说,是否对航天器进行可回收设计,不单单是从成本的角度出发。

  杨宇光说:“首先要考虑科研需求,那些需要把特定的‘货物’带回来的航天器就需要可回收设计。例如空间实验做育种项目,需要让育种结果搭乘航天器的‘顺风车’返回地球,利用我们的返回式卫星就可以完成这项运输任务。”

  另一方面,并不是所有航天器都适合安装类似返回式卫星的回收装置。气动外型和防热层可保证航天器在回收的过程中不被高速之下与大气摩擦产生的气动热破坏,但防热材料所占空间体积较大,重量也不容小觑。因此目前仅限于专门的航天器如载人飞船等才能安装。

  杨宇光进一步解释说,体型较小的航天器若再增加气动外型和防热层,会占用航天器自身的体积和重量,对于发射及在轨运行都会造成影响。考虑到技术和成本因素,就没有必要为其加装回收装置。

  谈到如今正在太空运转的航天器未来的“命运”,杨宇光说,航天器变轨需要消耗推进剂,对于一些零部件都还完好,只是推进剂用光的航天器,科学家可以采取一定措施延长它的寿命。例如,我国2017年发射的天舟一号货运飞船,就成功完成了对天宫二号空间实验室的推进剂补加,这可以保持空间实验室继续在轨,从而延长实验室的寿命。

  现在,人类开始更多地尝试在轨道上延长航天器的寿命。就在今年4月17日,诺斯罗普·格鲁曼公司的MEV-1卫星与国际通信卫星组织的Intelsat-901的发动机喷口成功对接,开始为燃料基本耗尽的Intelsat-901提供新的燃料,这也是人类第一次依靠新卫星实现了给老卫星“续命”的任务。

  今年8月,诺斯罗普·格鲁曼公司再次发射MEV-2卫星进入太空,目的是抓住一颗已经在太空中停留了16年的老化卫星,通过给它安装一套新的发动机和燃料,延长这个老卫星在轨道上的寿命。

  相关专家认为,帮助航天器延长使用寿命,未来将成为科技公司新的业务增长领域,这或许有助于将人类深空探测活动提升到一个全新的技术水平。



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