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。        

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