卫星失控，也能追踪？30年前的今天，我国科学家做到了！
来源： 科普中国 发布时间：2023-12-25
卫星发射已经不是什么稀罕事儿了，不过有时候，有些卫星会因这样或那样的原因而“失控”。但在30年前的今天，即1993年12月25日，我国科学家成功跟踪并捕获到两个多月前失控的一颗返回式卫星，书写了我国航天技术的奇迹。卫星“失控”了也能“追踪”吗？要解答这个问题，我们得先了解一下返回式卫星。
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返回式卫星：有去有回的太空飞行任务“执行者”
返回式卫星，顾名思义，就是完成太空飞行任务后部分结构还能再入大气层并返回地面的卫星。卫星回收技术是载人航天的先驱，美国于1960年首次成功回收了“发现者”13号返回式卫星，我国则于1975年成功发射并回收“尖兵”1号遥感卫星，成为继美国、苏联之后第三个掌握卫星返回技术的国家。
1960年10月8日，发现者13号在美国范登堡空军基地发射（来源：wikipedia）
1975年11月26日，中国第一颗返回式卫星发射成功（来源：央视新闻视频截图）
返回式卫星的出现，最初是为了满足军事侦察、国土普查的需求。当时，拍照技术需要利用底片才能完成，为了将在太空拍摄的照片送回地面冲洗和分析，返回式卫星便应运而生。
如今，随着数码照相、数据传输等多个学科领域的飞速发展，卫星捕获的影像数据可以直接从太空传送到地面，返回式卫星更多地被用于空间科学与技术试验。比如，返回式卫星可以搭载微重力科学实验室，在完成试验后返回地面，从而实现对试验样品的回收，这些试验成果已经广泛用于新材料、新药品和新作物等产品的研发。
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返回式卫星因何“失控”？
卫星返回通常需经历舱段的分离、离轨、过渡、再入和着陆等过程。在太空中遨游的卫星偶尔会不服从指令，这可能是机械故障、软件故障、通信中断、电力供应问题等多种因素综合作用导致的。比如，法国的spot-3卫星曾因陀螺故障而失控旋转，太阳帆板也无法接收阳光，不能产生卫星正常运行所需的电能；日本曾经发射的“菊花”6号卫星也因喷气动力装置发生故障而偏离了预定轨道。此外，太空环境也会影响卫星的正常运行，例如太阳风暴、宇宙射线就极可能干扰卫星通讯功能及卫星上的电力系统，从而使卫星失去控制而冲离轨道。
以我国首次追踪到的这颗返回式卫星为例，1993年10月8日，我国发射了第15颗返回式卫星，但卫星在返回时，运行段俯仰红外通道却发生了故障，姿态未能达到预定角度。于是，在地面发出返回指令后，卫星便以错误姿态接受了指令，从而偏离了预定轨道，导致卫星“回家”失败。
1993年12月25日，我国科学家成功捕获两个多月前失控的返回式卫星，图为1993年10月8日酒泉发射中心长征二号丙火箭将该卫星发射升空时的场景（来源：论文截图）
为了防止返回式卫星失控，航天工程师们设计了一套规范的流程。首先是对返回式卫星的设计和制造提出了更高标准，全面提升软件、硬件的可靠性。其次是在卫星的通信和监控系统上进行技术优化，以便及时掌握卫星的健康状态和运行情况并做出迅速反应。近年来，人们还引入了机器学习和人工智能等先进技术，实现对卫星的智能化控制。
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失控后的返回式卫星如何跟踪？
想要在茫茫太空中追踪失控的卫星无异于大海捞针，如何找到这些失联的卫星，至今仍是航天工程师需要解决的难题之一。
首先，我们可以尝试恢复对卫星的无线电联系，通过多普勒效应、相位差测量及码追踪等技术，可得到卫星的位置、速度和运动方向等关键信息。
此外，近年来，随着人工智能、大数据等技术的发展，人们在对卫星进行连续自动跟踪方面已经可以同时获得较高的效率和精度。
采用雷达探测技术对卫星进行搜索，也是追踪卫星最靠谱、最有效的方法之一。比如，2017年美国航空航天局就曾采用先进的陆基雷达发现了失踪8年的印度“月船”1号探测器。
印度“月船”1号探测器（来源：wikipedia）
另外，还可以在卫星上设置智能化的硬件和软件，让其在失控时能及时展开自救，主动与地面恢复通信。
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若追踪失败，失控的卫星将何去何从？
如果追踪不到失控的返回式卫星，它可能会随着能量耗尽而自行坠入地球大气层，也可能会长期留在太空中成为太空垃圾。由于返回式卫星常常搭载各式试验装置，这些试验装置很可能携带有害化学物质或放射性物质，因此一旦进入地球大气或地面，难免会污染空气、土壤及水资源，对人类健康和生态环境造成无法估量的危害。此外，失控的卫星还可能会被他国控制和利用，从而威胁国际安全和地区稳定，美国就曾于2008年击毁一颗失控的侦查卫星，以防止其携带的先进成像传感器设备泄露技术机密。
太空垃圾示意图（来源：wikipedia）
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若追踪成功，失控的卫星如何“回家”？
一旦卫星失控，我们可以尝试通过一些技术手段对卫星进行重新控制，其中最主要的就是遥操作，即通过地面控制中心对卫星进行遥操作，实现对其姿态和轨道的控制。但如果想让卫星重新安全回到地面，还需要克服重重关卡。
首先是调整姿态，即将卫星的姿态准确地调整为返回姿态并保持稳定。
其次是制动，即准确点燃制动火箭，让卫星能够脱离原有错误轨道而进入预定返回轨道。
不过，由于返回式卫星动力有限，很难实现上述过程。不过，即使仍滞留太空，如果卫星通信正常，依然能将自身运行数据及试验监测数据发回地面，继续“发挥余热”。
作者：朱磊 南京航空航天大学航空宇航推进理论与工程博士
审核：邓晓涛 中国航发湖南动力机械研究所 高级工程师
出品：科普中国
监制：中国科学技术出版社有限公司、中科数创（北京）数字传媒有限公司
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