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2020-03-04 15:53
人造卫星老了之后,该怎么办?

文章来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),原标题:《霸王硬上弓,废弃卫星续命五年获新生》,作者:鸑鷟鹓鶵


有没有想过,人造卫星老了之后,该怎么办?


和凉拌差不多。而且,为了减少退役卫星带来的太空垃圾,离地球近的卫星,一般会坠入大气层;而更远的卫星,会有一些专门的坟墓轨道。


尽管不少卫星,直到退役仍然身体健康,可以超期服役,可一旦燃料耗尽,难以控制自己的轨道和姿态,就回天乏术了。


现在,人们开始尝试在轨道上延长它们的“寿命”。就在2月25日,人类第一次依靠新卫星实现了老卫星续命的任务。


续命的方法也很特别,尺度堪比希腊神话故事。


任务延寿卫星MEV-1,是人类历史上首颗被派遣上天提供延年益寿服务的卫星。它没有固定的轨道,而是根据需求主动去找它的服务对象。


任务延寿卫星MEV-1地面照|Northrop Grumman


它的首个续命目标,是国际通信卫星901号(IS-901),2001年6月发射至今,已在轨运行接近19年了。


那么,太空续命到底是怎么实现的呢?


卫星新姿势——太空后浪推前浪


卫星续命,总共分几步?


简单来说,也是三步。


第一步,到卫星附近;第二步,亲密接触;第三步,给卫星延寿。


火箭安装卫星后,没安装整流罩的合影。左侧为火箭上面级局部,中间为任务延寿卫星MEV-1,右侧为欧洲通信卫星|Northrop Grumman


一枚源自苏联技术的质子号火箭,搭载着包含欧洲技术的欧洲通信卫星5号西B卫星,以及美国技术的任务延寿卫星MEV-1,从位于中亚的拜科努尔发射场出发,一同前往太空。


这场去年10月的世界航天小团聚之后,两颗卫星各自奔向自己的预定轨道。


任务延寿卫星和待续命卫星的最初轨道|Northrop Grumman


火箭一般不会直接将卫星送入地球同步轨道,需要卫星自己调整轨道。


大多数卫星,都会选择化学能燃料发动机,这样可以快速入轨并投入使用。


不过,任务延寿卫星MEV-1并不着急。它选择了节能低耗的离子推进发动机,推力小,消耗少,可以节省自身携带的燃料,把更多燃料留给其他卫星续命时用。


MEV-1足足花了3个半月时间,才慢悠悠爬到了IS-901的轨道。


此时,后者的燃料基本耗尽,已经把自己转移到了同步卫星坟墓轨道。


MEV-1悄悄地靠近,并准确绕到IS-901的身后,为下一步的姿势做好准备。


MEV-1从背后“偷拍”到的地球与IS-901同框|Northrop Grumman


下一步,两颗卫星必须精准地交会对接。


但这次交会对接极其困难,因为在19年前,IS-901飞向太空时,根本没有预留任何的交会对接口!


不仅如此,IS-901因为燃料耗尽,已经基本没有了姿态控制能力,也不会配合作出任何的行动。


那么,究竟应该用什么姿势去完成这次特殊的对接呢?


MEV-1望着不配合的IS-901,注意它的“屁股”|Northrop Grumman


为了确定具体用什么“姿势”,地面的工程师颇费脑筋。


想来想去,研发人员终于找到了一个好的接入口——化学能发动机的喷气口(上图卫星屁股中间的喇叭口)。这也是大多数地球同步轨道卫星都有的一个共同点。


如果任务延寿卫星MEV-1能顺利插入目标卫星发动机的喷口,就能牢牢连接目标星IS-901了。


而发动机的喷口位于卫星的后侧,因此需要事先绕到待续命卫星的身后。


在IS-901身后1米的位置,MEV-1停下了脚步,等待地面人员的指令。



地面模拟卫星交会|Northrop Grumman


为了这最后一步,科研人员在地面进行了大量的模拟实验。


目标只有一个,确保MEV-1在太空中能成功稳定地与IS-901交会对接。


地面模拟对接试验,左侧为MEV-1接口模型,右侧为IS-901的发动机喷气口模型|Northrop Grumman


2020年2月25日,在一切准备好之后,地面同意MEV-1采取下一步措施。


MEV-1伸出了一根细、长、直的对接杆,从IS-901身后渐渐深入发动机喷口,直至两颗卫合二为一,成功完成对接。


两颗卫星交会对接的现场图片|Northrop Grumman


对接完成后,两颗卫星就要长期合二为一了。


在接下来长达5年延寿续命期内,MEV-1将一直陪伴在IS-901身后,牢牢顶住不放。


由于IS-901燃料基本耗尽,失去了变轨乃至控制姿态稳定的能力,因此需要MEV-1用自己的燃料,将IS-901送入新的预定位置。


这一次,最初位置定在西经67.5°大西洋上空的IS-901,将被延寿卫星重新放置在西经18°上空。


合二为一后的设想图|Northrop Grumman


5年后,在IS-901续命结束后,MEV-1会把它重新拉回坟墓轨道,再前往下一颗目标卫星。


MEV-1延寿卫星的预计寿命也是15年,按照每颗卫星延寿5年的操作,它可以为多达3颗地球同步轨道卫星提供延寿续命服务。


地球同步轨道卫星,是目前常见的运行卫星轨道中高度最高的,也是续命难度最高的。


为什么这次会选择这种高难度卫星来续命呢?


SSL1300卫星平台爆炸视图|SSL


最难续命的轨道


地球同步轨道,又称为地球静止轨道(GSO/GEO),公转周期跟地球本身一样,也是24小时。


在这条轨道的人造卫星,就是地球同步卫星。它们与脚下的人们一起迎接每一天,一辈子都在注视着同一片大地。


这个轨道的优点显而易见,可以为同一片地区提供稳定、持续的服务。这些服务涵盖了通信、导航、气象、军事等等,已经深入到我们日常生活的多个方面,包括天气预报、气象灾害预警、卫星导航、卫星电视等。


这个轨道有没有什么缺点呢?


不仅有,而且很显著,那就是——太高了!


两种地球轨道示意图|psu


绝大多数卫星都处于低轨道,其轨道高度只有200千米~500千米,不超过850千米。而地球同步轨道,足有36000千米高,大约是地球半径的6倍!


两者的差别,大致相当于地面上的我们,去仰视埃菲尔铁塔。


然而,越高的轨道,意味着越多的燃料。


更何况,时至今日,前往太空仍然是一件费力的事情。


目前的化学能火箭,八成以上的重量是燃料,最终只能搭载总重量2%~5%的卫星前往太空。


而在重达数吨的大卫星中,相当一部分重量也给了燃料。


延寿卫星就不用说了,一颗为其他卫星续命的卫星,肚子里满满都是油。


而这次被续命的IS-901卫星,起飞的时候重达4.7吨,但卫星本身只有1.5吨左右,剩余约3吨的重量也都是燃料。


航天器的大油罐(右)和主结构(左)|NASA


卫星携带这么多燃料,都是怎么用呢?


一部分用在发射之初,火箭通常把卫星送入较低的转移轨道,再由卫星消耗燃料,爬升到地球同步轨道;


一部分用于维持、调整卫星的运行轨道;


还有最后一部分,需要留给功成名退之时,送自己前往卫星的坟场。


对于低地球轨道卫星,这部分燃料是送自己进入大气层,坠毁在南太平洋的卫星坟场。


而对于地球同步卫星,返回地球不现实,而同步轨道又是非常稀缺的资源。因此地球同步卫星退役前,会将自己的轨道提高321公里,抵达专用的同步卫星坟墓轨道,空出原本它在同步轨道上占据的位置。


由于制造和发射一颗地都球同步轨道卫星成本高昂,这类卫星的设计寿命往往要比低轨道卫星高一倍,长达15年。


而15年并不都能满足人们的需求。


以往,人们大多精打细算,为卫星节省燃料,但燃料总有耗尽的一天。比如IS-901卫星,就已经超期服役4年,燃料有些力不从心了。


在此之前,唯一的选择就是黯然退场,进入附近的坟墓轨道。


这一次,有了任务延寿卫星的力挺,IS-901成功延续了生命。


未来,为更多卫星续命


这次卫星延寿的尝试,只是一个开始。未来,将会有越来越多的卫星享受到这一服务。


一方面,一些新的卫星平台考虑了未来的卫星续命需求,已经在设计中提前预设了对接接口。


另一方面,在第一代延寿卫星MEV的基础上,人们已经开始研发下一代延寿卫星MRV。新一代的延寿卫星将具有为多颗卫星延寿和维修的功能。


MRV(右)想象图|Northrop Grumman


第二代的MRV延寿卫星有两大新亮点:


第一个亮点,是带有12个延寿挂舱。


这样,一颗任务延寿卫星一次可以最多为13颗卫星续命(不止是12个挂舱,延寿卫星自身也可以)


每一个延寿挂舱都相当于一颗小型化的延寿卫星,主要包括太阳能电力系统和以氙为推进剂的电能离子推进发动机,可以为母星提供动力,控制轨道和姿态稳定。


这种小型推进系统的能量来源于太阳能,使用太阳能帆板便可长期工作。其采用的离子推进发动机推进剂(氙)消耗远小于化学能发动机,同样具备长时间连续工作的能力。


MRV概念图,注意右侧白色的机械臂|Northrop Grumman


第二个亮点,则是配备了一个机械臂,不仅可以更方便延寿卫星捕获,还可以对老旧卫星进行一定程度的维修。


这也是延寿卫星最让人警惕的特点——有能力捕获不受控、无预留接口的卫星。


一方面,这可以用于维修老旧的失控卫星;另一方面,这也可以用于俘获敌方不受控的卫星,在军事上有很大的潜力。


尤其是延寿卫星第一次就实现了地球同步轨道卫星的捕获,理论上大部分人造卫星都可以用同样的方式被捕获。


这类卫星就像一把双刃剑,既可以为目标卫星续命,也可以摧毁目标卫星。


这种新形式的卫星,本身只是工具。


天使还是魔鬼?终究在于人心。        


文章来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:鸑鷟鹓鶵

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