衛星發(fā)射已經(jīng)不是什么稀罕事兒了，不過(guò)有時(shí)候，有些衛星會(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星，書(shū)寫(xiě)了我國航天技術(shù)的奇跡。衛星“失控”了也能“追蹤”嗎？要解答這個(gè)問(wèn)題，我們得先了解一下返回式衛星。

1返回式衛星：有去有回的太空飛行任務(wù)“執行者”

返回式衛星，顧名思義，就是完成太空飛行任務(wù)后部分結構還能再入大氣層并返回地面的衛星。衛星回收技術(shù)是載人航天的先驅?zhuān)绹?960年首次成功回收了“發(fā)現者”13號返回式衛星，我國則于1975年成功發(fā)射并回收“尖兵”1號遙感衛星，成為繼美國、蘇聯(lián)之后第三個(gè)掌握衛星返回技術(shù)的國家。

1960年10月8日，發(fā)現者13號在美國范登堡空軍基地發(fā)射（來(lái)源：Wikipedia）

1975年11月26日，中國第一顆返回式衛星發(fā)射成功（來(lái)源：央視新聞視頻截圖）

返回式衛星的出現，最初是為了滿(mǎn)足軍事偵察、國土普查的需求。當時(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，返回式衛星便應運而生。

如今，隨著(zhù)數碼照相、數據傳輸等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的飛速發(fā)展，衛星捕獲的影像數據可以直接從太空傳送到地面，返回式衛星更多地被用于空間科學(xué)與技術(shù)試驗。比如，返回式衛星可以搭載微重力科學(xué)實(shí)驗室，在完成試驗后返回地面，從而實(shí)現對試驗樣品的回收，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返回式衛星因何“失控”？

衛星返回通常需經(jīng)歷艙段的分離、離軌、過(guò)渡、再入和著(zhù)陸等過(guò)程。在太空中遨游的衛星偶爾會(huì )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(wèn)題等多種因素綜合作用導致的。比如，法國的SPOT-3衛星曾因陀螺故障而失控旋轉，太陽(yáng)帆板也無(wú)法接收陽(yáng)光，不能產(chǎn)生衛星正常運行所需的電能；日本曾經(jīng)發(fā)射的“菊花”6號衛星也因噴氣動(dòng)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(huì )影響衛星的正常運行，例如太陽(yáng)風(fēng)暴、宇宙射線(xiàn)就極可能干擾衛星通訊功能及衛星上的電力系統，從而使衛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星為例，1993年10月8日，我國發(fā)射了第15顆返回式衛星，但衛星在返回時(shí)，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，導致衛星“回家”失敗。

1993年12月25日，我國科學(xué)家成功捕獲兩個(gè)多月前失控的返回式衛星，圖為1993年10月8日酒泉發(fā)射中心長(cháng)征二號丙火箭將該衛星發(fā)射升空時(shí)的場(chǎng)景（來(lái)源：論文截圖）

為了防止返回式衛星失控，航天工程師們設計了一套規范的流程。首先是對返回式衛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。其次是在衛星的通信和監控系統上進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，以便及時(shí)掌握衛星的健康狀態(tài)和運行情況并做出迅速反應。近年來(lái)，人們還引入了機器學(xué)習和人工智能等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現對衛星的智能化控制。

3失控后的返回式衛星如何跟蹤？

想要在茫茫太空中追蹤失控的衛星無(wú)異于大海撈針，如何找到這些失聯(lián)的衛星，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星的無(wú)線(xiàn)電聯(lián)系，通過(guò)多普勒效應、相位差測量及碼追蹤等技術(shù)，可得到衛星的位置、速度和運動(dòng)方向等關(guān)鍵信息。

此外，近年來(lái)，隨著(zhù)人工智能、大數據等技術(shù)的發(fā)展，人們在對衛星進(jìn)行連續自動(dòng)跟蹤方面已經(jīng)可以同時(shí)獲得較高的效率和精度。

采用雷達探測技術(shù)對衛星進(jìn)行搜索，也是追蹤衛星最靠譜、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(jìn)的陸基雷達發(fā)現了失蹤8年的印度“月船”1號探測器。

印度“月船”1號探測器（來(lái)源：Wikipedia）

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

4若追蹤失敗，失控的衛星將何去何從？

如果追蹤不到失控的返回式衛星，它可能會(huì )隨著(zhù)能量耗盡而自行墜入地球大氣層，也可能會(huì )長(cháng)期留在太空中成為太空垃圾。由于返回式衛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(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，對人類(lèi)健康和生態(tài)環(huán)境造成無(wú)法估量的危害。此外，失控的衛星還可能會(huì )被他國控制和利用，從而威脅國際安全和地區穩定，美國就曾于2008年擊毀一顆失控的偵查衛星，以防止其攜帶的先進(jìn)成像傳感器設備泄露技術(shù)機密。

太空垃圾示意圖（來(lái)源：Wikipedia）

5若追蹤成功，失控的衛星如何“回家”？

一旦衛星失控，我們可以嘗試通過(guò)一些技術(shù)手段對衛星進(jìn)行重新控制，其中最主要的就是遙操作，即通過(guò)地面控制中心對衛星進(jìn)行遙操作，實(shí)現對其姿態(tài)和軌道的控制。但如果想讓衛星重新安全回到地面，還需要克服重重關(guān)卡。

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

其次是制動(dòng)，即準確點(diǎn)燃制動(dòng)火箭，讓衛星能夠脫離原有錯誤軌道而進(jìn)入預定返回軌道。

不過(guò)，由于返回式衛星動(dòng)力有限，很難實(shí)現上述過(guò)程。不過(guò)，即使仍滯留太空，如果衛星通信正常，依然能將自身運行數據及試驗監測數據發(fā)回地面，繼續“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 中國航發(fā)湖南動(dòng)力機械研究所 高級工程師

出品：科普中國

監制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、中科數創(chuàng )（北京）數字傳媒有限公司

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