衛(wèi)星發(fā)射已經(jīng)不是什么稀罕事兒了，不過有時候，有些衛(wèi)星會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，我國科學家成功跟蹤并捕獲到兩個多月前失控的一顆返回式衛(wèi)星，書寫了我國航天技術的奇跡。衛(wèi)星“失控”了也能“追蹤”嗎？要解答這個問題，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“執(zhí)行者”

返回式衛(wèi)星，顧名思義，就是完成太空飛行任務后部分結構還能再入大氣層并返回地面的衛(wèi)星。衛(wèi)星回收技術是載人航天的先驅，美國于1960年首次成功回收了“發(fā)現(xiàn)者”13號返回式衛(wèi)星，我國則于1975年成功發(fā)射并回收“尖兵”1號遙感衛(wèi)星，成為繼美國、蘇聯(lián)之后第三個掌握衛(wèi)星返回技術的國家。

1960年10月8日，發(fā)現(xiàn)者13號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。當時，拍照技術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)星便應運而生。

如今，隨著數(shù)碼照相、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€學科領域的飛速發(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與技術試驗。比如，返回式衛(wèi)星可以搭載微重力科學實驗室，在完成試驗后返回地面，從而實現(xiàn)對試驗樣品的回收，這些試驗成果已經(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)星偶爾會不服從指令，這可能是機械故障、軟件故障、通信中斷、電力供應問題等多種因素綜合作用導致的。比如，法國的SPOT-3衛(wèi)星曾因陀螺故障而失控旋轉，太陽帆板也無法接收陽光，不能產(chǎn)生衛(wèi)星正常運行所需的電能；日本曾經(jīng)發(fā)射的“菊花”6號衛(wèi)星也因噴氣動力裝置發(fā)生故障而偏離了預定軌道。此外，太空環(huán)境也會影響衛(wèi)星的正常運行，例如太陽風暴、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，運行段俯仰紅外通道卻發(fā)生了故障，姿態(tài)未能達到預定角度。于是，在地面發(fā)出返回指令后，衛(wèi)星便以錯誤姿態(tài)接受了指令，從而偏離了預定軌道，導致衛(wèi)星“回家”失敗。

1993年12月25日，我國科學家成功捕獲兩個多月前失控的返回式衛(wèi)星，圖為1993年10月8日酒泉發(fā)射中心長征二號丙火箭將該衛(wèi)星發(fā)射升空時的場景（來源：論文截圖）

為了防止返回式衛(wèi)星失控，航天工程師們設計了一套規(guī)范的流程。首先是對返回式衛(wèi)星的設計和制造提出了更高標準，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)上進行技術優(yōu)化，以便及時掌握衛(wèi)星的健康狀態(tài)和運行情況并做出迅速反應。近年來，人們還引入了機器學習和人工智能等先進技術，實現(xiàn)對衛(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，我們可以嘗試恢復對衛(wèi)星的無線電聯(lián)系，通過多普勒效應、相位差測量及碼追蹤等技術，可得到衛(wèi)星的位置、速度和運動方向等關鍵信息。

此外，近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術的發(fā)展，人們在對衛(wèi)星進行連續(xù)自動跟蹤方面已經(jīng)可以同時獲得較高的效率和精度。

采用雷達探測技術對衛(wèi)星進行搜索，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的陸基雷達發(fā)現(xiàn)了失蹤8年的印度“月船”1號探測器。

印度“月船”1號探測器（來源：Wikipedia）

另外，還可以在衛(wèi)星上設置智能化的硬件和軟件，讓其在失控時能及時展開自救，主動與地面恢復通信。

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，它可能會隨著能量耗盡而自行墜入地球大氣層，也可能會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裝置，這些試驗裝置很可能攜帶有害化學物質或放射性物質，因此一旦進入地球大氣或地面，難免會污染空氣、土壤及水資源，對人類健康和生態(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成像傳感器設備泄露技術機密。

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手段對衛(wèi)星進行重新控制，其中最主要的就是遙操作，即通過地面控制中心對衛(wèi)星進行遙操作，實現(xiàn)對其姿態(tài)和軌道的控制。但如果想讓衛(wèi)星重新安全回到地面，還需要克服重重關卡。

首先是調整姿態(tài)，即將衛(wèi)星的姿態(tài)準確地調整為返回姿態(tài)并保持穩(wěn)定。

其次是制動，即準確點燃制動火箭，讓衛(wèi)星能夠脫離原有錯誤軌道而進入預定返回軌道。

不過，由于返回式衛(wèi)星動力有限，很難實現(xiàn)上述過程。不過，即使仍滯留太空，如果衛(wèi)星通信正常，依然能將自身運行數(shù)據(jù)及試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)回地面，繼續(xù)“發(fā)揮余熱”。

作者：朱磊 南京航空航天大學航空宇航推進理論與工程博士

審核：鄧曉濤 中國航發(fā)湖南動力機械研究所 高級工程師

出品：科普中國

監(jiān)制：中國科學技術出版社有限公司、中科數(shù)創(chuàng)（北京）數(shù)字傳媒有限公司

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