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太空中的人造衛星墜落下來的幾率有多大?

太空中的人造衛星墜落下來的幾率有多大?

(專家:錢航,科學院國家空間科學中心博士,現運載火箭技術研究院總體設計部型號設計師,科普微平台原創首發)

最近,好萊塢動作電影《極限特工3》正在熱映,影片講述了全球衛星網路被幕後黑手控制,揚言要定時讓每顆衛星墜落到地球,以達到其犯罪目的。 為此,美國政府請回了身懷絕技的桑德·凱奇,由他帶領一組特工小隊奪回控制設備「潘多拉盒子」的故事。不過,看過電影的觀眾可能會有疑問,人造地球衛星真的能那麼容易就被控制嗎?太空中的衛星墜落並砸中人的幾率究竟有多大呢?

圖片來源電影《極限特工3》

首先,我們來看看人造地球衛星是如何展工作的?

當完成一系列測試準備工作后,運載火箭將人造地球衛星從地球表面發射進入太空,火箭完成空間運輸使命后與衛星分離。衛星入軌點的軌道速度就叫「入軌速度」,入軌點的位置確定后,入軌速度的大小和方向就決定了衛星的軌道形狀。衛星軌道是衛星繞地球運行的軌道,它呈一條封閉的曲線,這條封閉曲線形成的平面叫衛星的軌道平面,軌道平面總是通過地心的。衛星的軌道雖然不外乎圓形和橢圓形兩種,但方向和形態卻是千差萬別,究竟採用哪種形狀的軌道,則是由衛星的功能和用途決定的。

衛星在天上的飛行狀態是由衛星的地面測量控制系統來管理的,衛星的地面測量和控制是一個非常重要、精細和複雜的工作。

衛星的地面測控系統由測控中心和分佈在各地的測控台、站(測量船和飛機)進行,在衛星與火箭分離的一剎那,測控中心要根據各台站實時測得的遙測數據,解算出衛星的空間位置、速度和姿態參數,判斷衛星是否入軌。入軌后,測控中心要立即算出其初始軌道根數,並根據各測控台站發來的遙測數據,判斷衛星上各種儀器工作是否正常,以便採取對策,這些工作必須在幾分鐘內完成。

衛星進入第二圈飛行時,負責跟蹤的測控台站要立即捕獲目標並進行精確測量。測控中心利用這些數據,計算出精確的軌道根數。

圖片來源網路

衛星在整個工作過程中,測控中心和各測控台站還有許多繁重的工作要做。其一是不斷地對其速度姿態參數進行跟蹤測量,不斷地精化其軌道根數;其二是對星上儀器的工作狀態進行測量、分析和處理;其三是接收衛星發回的科學探測數據;其四是由於受大氣阻力、地球形狀和日月等天體的影響,衛星軌道會發生攝動而逐漸偏離設計的軌道,因此要不斷地對衛星實施軌道修正和管理。

對於返回式衛星,在返回的前一圈,測控中心必須計算出市一圈是否符合返回條件。如果符合,還必須精確地計算出落地的時間及落點的經緯度。這些計算難度很大,精度要求很高,因為失之毫釐,將差之千里。返回決定做出后,測控中心應立即做出返回控制方案,包括向衛星發送各種控制指令的時間、條件等等。衛星進入返迴圈后,測控中心命令有關測控台站發送調整姿態、反推火箭點火、拋掉儀器艙等一系列遙控指令。在返回的過程中,各測控台站仍需對其進行跟蹤測量,並將數據送至測控中心。

人造衛星擁有龐大、精密的控制系統

由此可見,為使衛星在太空中正常地工作,必須有一個龐大的地面測控系統夜以繼日地緊張工作。衛星測控中心是這個系統的核心。計算大廳是測控中心的主要建築之一,那裡聚集著眾多大型計算機。除了看得見的硬體外,還有許多看不見的軟體——對衛星進行管理的軟體系統,包括管理軟體、信息收發軟體、數據處理軟體、軌道計算軟體、遙測遙控程序和模擬軟體等。這些硬體和軟體,既有計算功能,又有控制功能,它們是測控系統的「大腦」。

測控中心還有它的「神經網路」,即通信系統,它通過大量的載波電路、專向無線電線路、各向都開通的高速率數據傳輸設備,把火箭發射場、回收場以及各測控台站等四面八方聯繫起來。

圖片來源網路

衛星墜落、砸中人的幾率有多大?

世界各國迄今累計發射了超過數千顆衛星。一顆衛星如果在「壽終正寢」后仍沿軌道飛行,就存在和新衛星相撞的危險,屬於太空垃圾。因此,國際條約規定,軌道高度在2000千米以下的衛星須在結束使命25年內落地銷毀。衛星結束使命前會收到讓其降低高度的命令,最終墜向地球,當然,因故障失控而只好等著自然墜落的衛星也不在少數。

從上世紀70年代到80年代起,每年約有200枚火箭和衛星墜落,最近每年也有50枚左右。其中大部分在大氣層燃為灰燼,每年只有數枚衛星的零部件落到地面。

一般來說,衛星零部件殘骸砸中人的概率是數千分之一,砸中某個特定人員的概率是幾十萬億分之一,遠遠低於在交通事故的概率。衛星有一項標準,即在墜向地球時砸中地面人員的概率要降至萬分之一以下。

圖片來源電影《極限特工3》

目前我們是如何控制衛星墜地威脅的?

衛星一邊繞地飛行,一邊在稀薄邊緣大氣層摩擦作用下逐步降低軌道高度。當衛星在扎進高度130千米附近的高密度大氣層后,由於空氣阻力增加,高度驟降,就會在摩擦作用下開始自燃。由於大氣的狀態受太陽活動等因素影響瞬息萬變,因此很難預測衛星的高度何時開始驟降。如果是通信中斷且失控的衛星,還存在難以掌握正確高度的問題。

目前有5種可行的控制衛星墜地威脅的方法:

1. 把退役衛星轉移至不妨礙其他航天器運行的軌道。

2. 將退役衛星引導墜入指定海域。

3. 體積較小的衛星可以任其自由墜落,在大氣層中完全燒毀。

4. 當衛星墜至距地球很近的太空軌道時,用反衛星武器將其炸成碎片。這種方法通常只對涉密衛星使用,因為如果實施得不好,衛星碎片向上飛,產生更多的太空垃圾。

5. 使用太空梭等大型載人航天器捕捉退役航天器,帶回地面,但由於美國太空梭退役,目前這種方法已經無法實施。

編輯:魯凡英

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