霸王硬上弓，廢棄衛(wèi)星續(xù)命五年獲新生

有沒有想過，人造衛(wèi)星老了之后，該怎么辦？

和涼拌差不多。而且，為了減少退役衛(wèi)星帶來的太空垃圾，離地球近的衛(wèi)星，一般會墜入大氣層；而更遠(yuǎn)的衛(wèi)星，會有一些專門的墳?zāi)管壍馈?/p>

盡管不少衛(wèi)星，直到退役仍然身體健康，可以超期服役，可一旦燃料耗盡，難以控制自己的軌道和姿態(tài)，就回天乏術(shù)了。

現(xiàn)在，人們開始嘗試在軌道上延長它們的“壽命”。就在2月25日，人類第一次依靠新衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了老衛(wèi)星續(xù)命的任務(wù)。

續(xù)命的方法也很特別，尺度堪比希臘神話故事。

任務(wù)延壽衛(wèi)星MEV-1，是人類歷史上首顆被派遣上天提供延年益壽服務(wù)的衛(wèi)星。它沒有固定的軌道，而是根據(jù)需求主動去找它的服務(wù)對象。

任務(wù)延壽衛(wèi)星MEV-1地面照｜Northrop Grumman

它的首個續(xù)命目標(biāo)，是國際通信衛(wèi)星901號（IS-901），2001年6月發(fā)射至今，已在軌運(yùn)行接近19年了。

那么，太空續(xù)命到底是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

衛(wèi)星新姿勢——太空后浪推前浪

大象裝冰箱衛(wèi)星續(xù)命，總共分幾步？

簡單來說，也是三步。

第一步，到衛(wèi)星附近；第二步，親密接觸；第三步，給衛(wèi)星延壽。

火箭安裝衛(wèi)星后，沒安裝整流罩的合影。左側(cè)為火箭上面級局部，中間為任務(wù)延壽衛(wèi)星MEV-1，右側(cè)為歐洲通信衛(wèi)星｜Northrop Grumman

一枚源自蘇聯(lián)技術(shù)的質(zhì)子號火箭，搭載著包含歐洲技術(shù)的歐洲通信衛(wèi)星5號西B衛(wèi)星，以及美國技術(shù)的任務(wù)延壽衛(wèi)星MEV-1，從位于中亞的拜科努爾發(fā)射場出發(fā)，一同前往太空。

這場去年10月的世界航天小團(tuán)聚之后，兩顆衛(wèi)星各自奔向自己的預(yù)定軌道。

任務(wù)延壽衛(wèi)星和待續(xù)命衛(wèi)星的最初軌道｜Northrop Grumman

火箭一般不會直接將衛(wèi)星送入地球同步軌道，需要衛(wèi)星自己調(diào)整軌道。

大多數(shù)衛(wèi)星，都會選擇化學(xué)能燃料發(fā)動機(jī)，這樣可以快速入軌并投入使用。

不過，任務(wù)延壽衛(wèi)星MEV-1并不著急。它選擇了節(jié)能低耗的離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)，推力小，消耗少，可以節(jié)省自身攜帶的燃料，把更多燃料留給其他衛(wèi)星續(xù)命時用。

MEV-1足足花了3個半月時間，才慢悠悠爬到了IS-901的軌道。

此時，后者的燃料基本耗盡，已經(jīng)把自己轉(zhuǎn)移到了同步衛(wèi)星墳?zāi)管壍馈?/p>

MEV-1悄悄地靠近，并準(zhǔn)確繞到IS-901的身后，為下一步的姿勢做好準(zhǔn)備。

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

下一步，兩顆衛(wèi)星必須精準(zhǔn)地交會對接。

但這次交會對接極其困難，因?yàn)樵?9年前，IS-901飛向太空時，根本沒有預(yù)留任何的交會對接口！

不僅如此，IS-901因?yàn)槿剂虾谋M，已經(jīng)基本沒有了姿態(tài)控制能力，也不會配合作出任何的行動。

那么，究竟應(yīng)該用什么姿勢去完成這次特殊的對接呢？

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

為了確定具體用什么“姿勢”，地面的工程師頗費(fèi)腦筋。

想來想去，研發(fā)人員終于找到了一個好的接入口——化學(xué)能發(fā)動機(jī)的噴氣口（上圖衛(wèi)星屁股中間的喇叭口）。這也是大多數(shù)地球同步軌道衛(wèi)星都有的一個共同點(diǎn)。

如果任務(wù)延壽衛(wèi)星MEV-1能順利插入目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)動機(jī)的噴口，就能牢牢連接目標(biāo)星IS-901了。

而發(fā)動機(jī)的噴口位于衛(wèi)星的后側(cè)，因此需要事先繞到待續(xù)命衛(wèi)星的身后。

在IS-901身后1米的位置，MEV-1停下了腳步，等待地面人員的指令。

地面模擬衛(wèi)星交會｜Northrop Grumman

為了這最后一步，科研人員在地面進(jìn)行了大量的模擬實(shí)驗(yàn)。

目標(biāo)只有一個，確保MEV-1在太空中能成功穩(wěn)定地與IS-901交會對接。

地面模擬對接試驗(yàn)，左側(cè)為MEV-1接口模型，右側(cè)為IS-901的發(fā)動機(jī)噴氣口模型｜Northrop Grumman

2020年2月25日，在一切準(zhǔn)備好之后，地面同意MEV-1采取下一步措施。

MEV-1伸出了一根細(xì)、長、直的對接桿，從IS-901身后漸漸深入發(fā)動機(jī)噴口，直至兩顆衛(wèi)合二為一，成功完成對接。

兩顆衛(wèi)星交會對接的現(xiàn)場圖片｜Northrop Grumman

對接完成后，兩顆衛(wèi)星就要長期合二為一了。

在接下來長達(dá)5年延壽續(xù)命期內(nèi)，MEV-1將一直陪伴在IS-901身后，牢牢頂住不放。

由于IS-901燃料基本耗盡，失去了變軌乃至控制姿態(tài)穩(wěn)定的能力，因此需要MEV-1用自己的燃料，將IS-901送入新的預(yù)定位置。

這一次，最初位置定在西經(jīng)67.5°大西洋上空的IS-901，將被延壽衛(wèi)星重新放置在西經(jīng)18°上空。

合二為一后的設(shè)想圖｜Northrop Grumman

5年后，在IS-901續(xù)命結(jié)束后，MEV-1會把它重新拉回墳?zāi)管壍?，再前往下一顆目標(biāo)衛(wèi)星。

MEV-1延壽衛(wèi)星的預(yù)計(jì)壽命也是15年，按照每顆衛(wèi)星延壽5年的操作，它可以為多達(dá)3顆地球同步軌道衛(wèi)星提供延壽續(xù)命服務(wù)。

地球同步軌道衛(wèi)星，是目前常見的運(yùn)行衛(wèi)星軌道中高度最高的，也是續(xù)命難度最高的。

為什么這次會選擇這種高難度衛(wèi)星來續(xù)命呢？

SSL1300衛(wèi)星平臺爆炸視圖｜SSL

最難續(xù)命的軌道

地球同步軌道，又稱為地球靜止軌道（GSO/GEO），公轉(zhuǎn)周期跟地球本身一樣，也是24小時。

在這條軌道的人造衛(wèi)星，就是地球同步衛(wèi)星。它們與腳下的人們一起迎接每一天，一輩子都在注視著同一片大地。

這個軌道的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，可以為同一片地區(qū)提供穩(wěn)定、持續(xù)的服務(wù)。這些服務(wù)涵蓋了通信、導(dǎo)航、氣象、軍事等等，已經(jīng)深入到我們?nèi)粘Ｉ畹亩鄠€方面，包括天氣預(yù)報、氣象災(zāi)害預(yù)警、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星電視等。

這個軌道有沒有什么缺點(diǎn)呢？

不僅有，而且很顯著，那就是——太高了！

兩種地球軌道示意圖｜psu

絕大多數(shù)衛(wèi)星都處于低軌道，其軌道高度只有200~500千米，不超過850千米。而地球同步軌道，足有36000千米高，大約是地球半徑的6倍！

兩者的差別，大致相當(dāng)于地面上的我們，去仰視埃菲爾鐵塔。

然而，越高的軌道，意味著越多的燃料。

更何況，時至今日，前往太空仍然是一件費(fèi)力的事情。

目前的化學(xué)能火箭，八成以上的重量是燃料，最終只能搭載總重量2%~5%的衛(wèi)星前往太空。

而在重達(dá)數(shù)噸的大衛(wèi)星中，相當(dāng)一部分重量也給了燃料。

延壽衛(wèi)星就不用說了，一顆為其他衛(wèi)星續(xù)命的衛(wèi)星，肚子里滿滿都是油。

而這次被續(xù)命的IS-901衛(wèi)星，起飛的時候重達(dá)4.7噸，但衛(wèi)星本身只有1.5噸左右，剩余約3噸的重量也都是燃料。

航天器的大油罐（右）和主結(jié)構(gòu)（左）｜NASA

衛(wèi)星攜帶這么多燃料，都是怎么用呢？

一部分用在發(fā)射之初，火箭通常把衛(wèi)星送入較低的轉(zhuǎn)移軌道，再由衛(wèi)星消耗燃料，爬升到地球同步軌道；

一部分用于維持、調(diào)整衛(wèi)星的運(yùn)行軌道；

還有最后一部分，需要留給功成名退之時，送自己前往衛(wèi)星的墳場。

對于低地球軌道衛(wèi)星，這部分燃料是送自己進(jìn)入大氣層，墜毀在南太平洋的衛(wèi)星墳場。

而對于地球同步衛(wèi)星，返回地球不現(xiàn)實(shí)，而同步軌道又是非常稀缺的資源。因此地球同步衛(wèi)星退役前，會將自己的軌道提高321公里，抵達(dá)專用的同步衛(wèi)星墳?zāi)管壍?，空出原本它在同步軌道上占?jù)的位置。

由于制造和發(fā)射一顆地都球同步軌道衛(wèi)星成本高昂，這類衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命往往要比低軌道衛(wèi)星高一倍，長達(dá)15年。

而15年并不都能滿足人們的需求。

以往，人們大多精打細(xì)算，為衛(wèi)星節(jié)省燃料，但燃料總有耗盡的一天。比如IS-901衛(wèi)星，就已經(jīng)超期服役4年，燃料有些力不從心了。

在此之前，唯一的選擇就是黯然退場，進(jìn)入附近的墳?zāi)管壍馈?/p>

這一次，有了任務(wù)延壽衛(wèi)星的力挺，IS-901成功延續(xù)了生命。

未來，為更多衛(wèi)星續(xù)命

這次衛(wèi)星延壽的嘗試，只是一個開始。未來，將會有越來越多的衛(wèi)星享受到這一服務(wù)。

一方面，一些新的衛(wèi)星平臺考慮了未來的衛(wèi)星續(xù)命需求，已經(jīng)在設(shè)計(jì)中提前預(yù)設(shè)了對接接口。

另一方面，在第一代延壽衛(wèi)星MEV的基礎(chǔ)上，人們已經(jīng)開始研發(fā)下一代延壽衛(wèi)星MRV。新一代的延壽衛(wèi)星將具有為多顆衛(wèi)星延壽和維修的功能。

MRV（右）想象圖｜Northrop Grumman

第二代的MRV延壽衛(wèi)星有兩大新亮點(diǎn)：

第一個亮點(diǎn)，是帶有12個延壽掛艙。

這樣，一顆任務(wù)延壽衛(wèi)星一次可以最多為13顆衛(wèi)星續(xù)命（不止是12個掛艙，延壽衛(wèi)星自身也可以）。

每一個延壽掛艙都相當(dāng)于一顆小型化的延壽衛(wèi)星，主要包括太陽能電力系統(tǒng)和以氙為推進(jìn)劑的電能離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)，可以為母星提供動力，控制軌道和姿態(tài)穩(wěn)定。

這種小型推進(jìn)系統(tǒng)的能量來源于太陽能，使用太陽能帆板便可長期工作。其采用的離子推進(jìn)發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑（氙）消耗遠(yuǎn)小于化學(xué)能發(fā)動機(jī)，同樣具備長時間連續(xù)工作的能力。

MRV概念圖，注意右側(cè)白色的機(jī)械臂｜Northrop Grumman

第二個亮點(diǎn)，則是配備了一個機(jī)械臂，不僅可以更方便延壽衛(wèi)星捕獲，還可以對老舊衛(wèi)星進(jìn)行一定程度的維修。

這也是延壽衛(wèi)星最讓人警惕的特點(diǎn)——有能力捕獲不受控、無預(yù)留接口的衛(wèi)星。

一方面，這可以用于維修老舊的失控衛(wèi)星；另一方面，這也可以用于俘獲敵方不受控的衛(wèi)星，在軍事上有很大的潛力。

尤其是延壽衛(wèi)星第一次就實(shí)現(xiàn)了地球同步軌道衛(wèi)星的捕獲，理論上大部分人造衛(wèi)星都可以用同樣的方式被捕獲。

這類衛(wèi)星就像一把雙刃劍，既可以為目標(biāo)衛(wèi)星續(xù)命，也可以摧毀目標(biāo)衛(wèi)星。

這種新形式的衛(wèi)星，本身只是工具。

天使還是魔鬼？終究在于人心。

作者：鸑鷟鹓鶵

編輯：Steed

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