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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)、蘇聯(lián)之后第三個(gè)掌握衛(wèi)星返回技術(shù)的國(guó)家。

1960年10月8日，發(fā)現(xiàn)者13號(hào)在美國(guó)范登堡空軍基地發(fā)射（來源：Wikipedia）

1975年11月26日，中國(guó)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(guó)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(guó)的SPOT-3衛(wèi)星曾因陀螺故障而失控旋轉(zhuǎn)，太陽(yáng)帆板也無法接收陽(yáng)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(yáng)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(guó)首次追蹤到的這顆返回式衛(wèi)星為例，1993年10月8日，我國(guó)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(guó)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(zhǎng)征二號(hào)丙火箭將該衛(wèi)星發(fā)射升空時(shí)的場(chǎng)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(cè)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(cè)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(guó)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(cè)器。

印度“月船”1號(hào)探測(cè)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(zhǎng)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(guó)控制和利用，從而威脅國(guó)際安全和地區(qū)穩(wěn)定，美國(guó)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(cè)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(guó)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(guó)

監(jiān)制：中國(guó)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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