除了墜毀和回收 老舊航天器還有第三種歸宿
實習(xí)記者 張佳欣
9月27日，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心，用長征四號乙運(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”。不久前美國國家航空航天局(NASA)的一顆無法繼續(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克群島中間的區(qū)域。據(jù)悉，這顆名為“軌道地球物理臺”1號(OGO-1)的航天器于1964年9月發(fā)射，重達(dá)500公斤，用以掃描地球磁場控制的周圍空間區(qū)域。1969年之后，該航天器就已無法再向地球發(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)的國家還為數(shù)不多，大多數(shù)航天器在使用結(jié)束后往往無法回收。那么，完成使命的航天器“命運(yùn)”如何？為此，記者采訪了中國航天科工集團(tuán)二院研究員、國際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會副主席楊宇光，請專家揭秘“老舊航天器”的命運(yùn)。
無法回收的老舊航天器 要么受控離軌要么任其墜毀
1970年，我國第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號”發(fā)射升空，拉開了我國空間事業(yè)的序幕。半個世紀(jì)過去后，“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(dāng)時技術(shù)條件限制，“東方紅一號”衛(wèi)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天后，電池的電量耗盡，衛(wèi)星就無法繼續(xù)工作了”。
記者了解到，目前主要有兩種方式可對航天器進(jìn)行回收，一種是利用航天飛機(jī)的機(jī)械手臂對其進(jìn)行“抓捕”回收，例如1984年美國休斯公司制造的西聯(lián)星六號衛(wèi)星，在發(fā)射后由于上面級火箭提前關(guān)機(jī)未能入軌，9個月后被航天飛機(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)置防熱氣動外型和反推制動裝置，例如我國的返回式衛(wèi)星，在完成任務(wù)后，有部分結(jié)構(gòu)會攜帶觀測成果返回地面。
對于無法進(jìn)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(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：“抬高的過程就是其自身推進(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?！?/p>
針對低軌道航天器，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。例如此前我國自主研發(fā)的首艘貨運(yùn)飛船天舟一號，采用了多項通信技術(shù)，讓飛船能夠?qū)崿F(xiàn)與地面測控系統(tǒng)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(yīng)答機(jī)天線網(wǎng)絡(luò)，可傳輸?shù)孛鎸︼w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，在地面測控通信系統(tǒng)的精確控制和密切監(jiān)視下，天舟一號經(jīng)過兩次制動，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：“如果這些衛(wèi)星的個頭足夠小且沒有耐燒的部件，那么到達(dá)壽命期限后，它們會自行緩慢墜落，最后也會在大氣層燃燒殆盡?！?/p>
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，很多國家都在研究為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(xiàn)衛(wèi)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(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)行阻力就會變大，在停止工作后就能迅速開始墜落。從而實現(xiàn)航天器較快被動離軌，助力清除太空垃圾?！睏钣罟庹f。
一些航天器的墜落不可控 但落到人類居住區(qū)的概率極低
當(dāng)航天器返回地球時，其著陸時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)行的唯一動力，那么衛(wèi)星就會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。因為受大氣影響，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(xué)家也很難預(yù)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(jié)束其使命，比如說落到南太平洋，那附近是方圓幾千公里的深海無人區(qū)，因此航天器墜落在那里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(xué)家會密切關(guān)注其墜落軌跡，當(dāng)它快接近地球的時候，一般離地面約200公里時，就可以對其墜落地點有一個大致的預(yù)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(qū)的概率是極低的。
在歷史上，有過幾次航天器失控墜落地球的例子。據(jù)報道，1978年1月24日，蘇聯(lián)核動力衛(wèi)星“宇宙954”號在運(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)，雖然墜落時反應(yīng)堆已經(jīng)脫離，但該衛(wèi)星落地后還是對周邊10萬平方公里的地區(qū)造成了小劑量輻射污染。
1979年7月11日，重約80噸的美國“天空實驗室”空間站于再入過程(即航天器通過制動進(jìn)入大氣層，然后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，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，目前在地空之間來往比較頻繁的航天器當(dāng)屬貨運(yùn)飛船，主要包括美國的龍飛船、“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)飛船以及我國的天舟一號貨運(yùn)飛船等，目前只有龍飛船可實現(xiàn)回收，其他貨運(yùn)飛船將貨物送到空間站后，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(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？專家解釋說，是否對航天器進(jìn)行可回收設(shè)計，不單單是從成本的角度出發(fā)。
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(shè)計。例如空間實驗做育種項目，需要讓育種結(jié)果搭乘航天器的‘順風(fēng)車’返回地球，利用我們的返回式衛(wèi)星就可以完成這項運(yùn)輸任務(wù)。”
另一方面，并不是所有航天器都適合安裝類似返回式衛(wèi)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產(chǎn)生的氣動熱破壞，但防熱材料所占空間體積較大，重量也不容小覷。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(jìn)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(fā)射及在軌運(yùn)行都會造成影響?？紤]到技術(shù)和成本因素，就沒有必要為其加裝回收裝置。
談到如今正在太空運(yùn)轉(zhuǎn)的航天器未來的“命運(yùn)”，楊宇光說，航天器變軌需要消耗推進(jìn)劑，對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它的壽命。例如，我國2017年發(fā)射的天舟一號貨運(yùn)飛船，就成功完成了對天宮二號空間實驗室的推進(jìn)劑補(bǔ)加，這可以保持空間實驗室繼續(xù)在軌，從而延長實驗室的壽命。
現(xiàn)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(wèi)星與國際通信衛(wèi)星組織的Intelsat-901的發(fā)動機(jī)噴口成功對接，開始為燃料基本耗盡的Intelsat-901提供新的燃料，這也是人類第一次依靠新衛(wèi)星實現(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，通過給它安裝一套新的發(fā)動機(jī)和燃料，延長這個老衛(wèi)星在軌道上的壽命。
相關(guān)專家認(rèn)為，幫助航天器延長使用壽命，未來將成為科技公司新的業(yè)務(wù)增長領(lǐng)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(shù)水平。