衛(wèi)星發(fā)射已經(jīng)不是什么稀罕事兒了,不過有時(shí)候,有些衛(wèi)星會(huì)因這樣或那樣的原因而“失控”。但在30年前的今天,即1993年12月25日,我國科學(xué)家成功跟蹤并捕獲到兩個(gè)多月前失控的一顆返回式衛(wèi)星,書寫了我國航天技術(shù)的奇跡。衛(wèi)星“失控”了也能“追蹤”嗎?要解答這個(gè)問題,我們得先了解一下返回式衛(wèi)星。
1返回式衛(wèi)星:有去有回的太空飛行任務(wù)“執(zhí)行者”
返回式衛(wèi)星,顧名思義,就是完成太空飛行任務(wù)后部分結(jié)構(gòu)還能再入大氣層并返回地面的衛(wèi)星。衛(wèi)星回收技術(shù)是載人航天的先驅(qū),美國于1960年首次成功回收了“發(fā)現(xiàn)者”13號(hào)返回式衛(wèi)星,我國則于1975年成功發(fā)射并回收“尖兵”1號(hào)遙感衛(wèi)星,成為繼美國、蘇聯(lián)之后第三個(gè)掌握衛(wèi)星返回技術(shù)的國家。
1960年10月8日,發(fā)現(xiàn)者13號(hào)在美國范登堡空軍基地發(fā)射(來源:Wikipedia)
1975年11月26日,中國第一顆返回式衛(wèi)星發(fā)射成功(來源:央視新聞視頻截圖)
返回式衛(wèi)星的出現(xiàn),最初是為了滿足軍事偵察、國土普查的需求。當(dāng)時(shí),拍照技術(shù)需要利用底片才能完成,為了將在太空拍攝的照片送回地面沖洗和分析,返回式衛(wèi)星便應(yīng)運(yùn)而生。
如今,隨著數(shù)碼照相、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€(gè)學(xué)科領(lǐng)域的飛速發(fā)展,衛(wèi)星捕獲的影像數(shù)據(jù)可以直接從太空傳送到地面,返回式衛(wèi)星更多地被用于空間科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)。比如,返回式衛(wèi)星可以搭載微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)室,在完成試驗(yàn)后返回地面,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)樣品的回收,這些試驗(yàn)成果已經(jīng)廣泛用于新材料、新藥品和新作物等產(chǎn)品的研發(fā)。
2返回式衛(wèi)星因何“失控”?
衛(wèi)星返回通常需經(jīng)歷艙段的分離、離軌、過渡、再入和著陸等過程。在太空中遨游的衛(wèi)星偶爾會(huì)不服從指令,這可能是機(jī)械故障、軟件故障、通信中斷、電力供應(yīng)問題等多種因素綜合作用導(dǎo)致的。比如,法國的SPOT-3衛(wèi)星曾因陀螺故障而失控旋轉(zhuǎn),太陽帆板也無法接收陽光,不能產(chǎn)生衛(wèi)星正常運(yùn)行所需的電能;日本曾經(jīng)發(fā)射的“菊花”6號(hào)衛(wèi)星也因噴氣動(dòng)力裝置發(fā)生故障而偏離了預(yù)定軌道。此外,太空環(huán)境也會(huì)影響衛(wèi)星的正常運(yùn)行,例如太陽風(fēng)暴、宇宙射線就極可能干擾衛(wèi)星通訊功能及衛(wèi)星上的電力系統(tǒng),從而使衛(wèi)星失去控制而沖離軌道。
以我國首次追蹤到的這顆返回式衛(wèi)星為例,1993年10月8日,我國發(fā)射了第15顆返回式衛(wèi)星,但衛(wèi)星在返回時(shí),運(yùn)行段俯仰紅外通道卻發(fā)生了故障,姿態(tài)未能達(dá)到預(yù)定角度。于是,在地面發(fā)出返回指令后,衛(wèi)星便以錯(cuò)誤姿態(tài)接受了指令,從而偏離了預(yù)定軌道,導(dǎo)致衛(wèi)星“回家”失敗。
1993年12月25日,我國科學(xué)家成功捕獲兩個(gè)多月前失控的返回式衛(wèi)星,圖為1993年10月8日酒泉發(fā)射中心長征二號(hào)丙火箭將該衛(wèi)星發(fā)射升空時(shí)的場景(來源:論文截圖)
為了防止返回式衛(wèi)星失控,航天工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一套規(guī)范的流程。首先是對(duì)返回式衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和制造提出了更高標(biāo)準(zhǔn),全面提升軟件、硬件的可靠性。其次是在衛(wèi)星的通信和監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化,以便及時(shí)掌握衛(wèi)星的健康狀態(tài)和運(yùn)行情況并做出迅速反應(yīng)。近年來,人們還引入了機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的智能化控制。
3失控后的返回式衛(wèi)星如何跟蹤?
想要在茫茫太空中追蹤失控的衛(wèi)星無異于大海撈針,如何找到這些失聯(lián)的衛(wèi)星,至今仍是航天工程師需要解決的難題之一。
首先,我們可以嘗試恢復(fù)對(duì)衛(wèi)星的無線電聯(lián)系,通過多普勒效應(yīng)、相位差測量及碼追蹤等技術(shù),可得到衛(wèi)星的位置、速度和運(yùn)動(dòng)方向等關(guān)鍵信息。
此外,近年來,隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展,人們?cè)趯?duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)跟蹤方面已經(jīng)可以同時(shí)獲得較高的效率和精度。
采用雷達(dá)探測技術(shù)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行搜索,也是追蹤衛(wèi)星最靠譜、最有效的方法之一。比如,2017年美國航空航天局就曾采用先進(jìn)的陸基雷達(dá)發(fā)現(xiàn)了失蹤8年的印度“月船”1號(hào)探測器。
印度“月船”1號(hào)探測器(來源:Wikipedia)
另外,還可以在衛(wèi)星上設(shè)置智能化的硬件和軟件,讓其在失控時(shí)能及時(shí)展開自救,主動(dòng)與地面恢復(fù)通信。
4若追蹤失敗,失控的衛(wèi)星將何去何從?
如果追蹤不到失控的返回式衛(wèi)星,它可能會(huì)隨著能量耗盡而自行墜入地球大氣層,也可能會(huì)長期留在太空中成為太空垃圾。由于返回式衛(wèi)星常常搭載各式試驗(yàn)裝置,這些試驗(yàn)裝置很可能攜帶有害化學(xué)物質(zhì)或放射性物質(zhì),因此一旦進(jìn)入地球大氣或地面,難免會(huì)污染空氣、土壤及水資源,對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境造成無法估量的危害。此外,失控的衛(wèi)星還可能會(huì)被他國控制和利用,從而威脅國際安全和地區(qū)穩(wěn)定,美國就曾于2008年擊毀一顆失控的偵查衛(wèi)星,以防止其攜帶的先進(jìn)成像傳感器設(shè)備泄露技術(shù)機(jī)密。
太空垃圾示意圖(來源:Wikipedia)
5若追蹤成功,失控的衛(wèi)星如何“回家”?
一旦衛(wèi)星失控,我們可以嘗試通過一些技術(shù)手段對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行重新控制,其中最主要的就是遙操作,即通過地面控制中心對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行遙操作,實(shí)現(xiàn)對(duì)其姿態(tài)和軌道的控制。但如果想讓衛(wèi)星重新安全回到地面,還需要克服重重關(guān)卡。
首先是調(diào)整姿態(tài),即將衛(wèi)星的姿態(tài)準(zhǔn)確地調(diào)整為返回姿態(tài)并保持穩(wěn)定。
其次是制動(dòng),即準(zhǔn)確點(diǎn)燃制動(dòng)火箭,讓衛(wèi)星能夠脫離原有錯(cuò)誤軌道而進(jìn)入預(yù)定返回軌道。
不過,由于返回式衛(wèi)星動(dòng)力有限,很難實(shí)現(xiàn)上述過程。不過,即使仍滯留太空,如果衛(wèi)星通信正常,依然能將自身運(yùn)行數(shù)據(jù)及試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)回地面,繼續(xù)“發(fā)揮余熱”。
作者:朱磊 南京航空航天大學(xué)航空宇航推進(jìn)理論與工程博士
審核:鄧曉濤 中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所 高級(jí)工程師
出品:科普中國
監(jiān)制:中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、中科數(shù)創(chuàng)(北京)數(shù)字傳媒有限公司
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