金牛座納星展開(kāi)離軌帆效果圖。中國(guó)航天科技集團(tuán)八院供圖
近日，隨長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭入軌不到一周的金牛座納星，順利展開(kāi)離軌帆開(kāi)始被動(dòng)離軌試驗(yàn)，搭載的相機(jī)成功對(duì)離軌帆展開(kāi)過(guò)程拍攝成像下傳。
入軌不到一周，就要告別太空？說(shuō)起來(lái)你可能不信，這顆衛(wèi)星的事情要從垃圾回收講起。
太空垃圾太多，危害在軌航天器
上海市，實(shí)行垃圾分類(lèi)已經(jīng)將近3個(gè)月了。誕生于中國(guó)航天科技集團(tuán)八院805所下屬上海埃依斯航天科技有限公司的金牛座納星，常能聽(tīng)見(jiàn)外面的阿姨們發(fā)出靈魂拷問(wèn)：“你是什么垃圾？”
地面上垃圾處理都不容易，太空垃圾清理起來(lái)就更麻煩了。金牛座納星覺(jué)悟很高：“維護(hù)太空環(huán)境，要從自己做起。”
從蘇聯(lián)發(fā)射人類(lèi)第一顆人造衛(wèi)星至今，全世界一共執(zhí)行了4000多次航天發(fā)射任務(wù)，發(fā)射了8000多個(gè)航天器，目前在軌運(yùn)行的大約1500多個(gè)。那些已經(jīng)失效的航天器，以及火箭末子級(jí)、火工品操作性碎片、航天器碎片等，大部分在1000公里以下高度的近地軌道上游蕩，一旦發(fā)生“剮蹭”，又將制造更多太空垃圾。如今地球附近被記錄在案的廢棄航天器以及空間碎片，已經(jīng)超過(guò)5萬(wàn)個(gè)。
可別小看太空垃圾的危害。它們飛行速度極快，撞上航天器會(huì)造成巨大破壞。一塊10克重的空間碎片撞擊衛(wèi)星，足以將其打穿甚至直接擊毀，從而產(chǎn)生更多碎片。電影《地心引力》中，就描述了這種連鎖反應(yīng)帶來(lái)的災(zāi)難。
現(xiàn)實(shí)中，太空垃圾已經(jīng)給在軌航天器造成了威脅。最典型的案例是2009年，美國(guó)“銥星33”在西伯利亞上空近800公里高度，撞到了已經(jīng)報(bào)廢的蘇聯(lián)“宇宙-2251”衛(wèi)星。這次撞擊不僅直接導(dǎo)致銥星33“身亡”，而且產(chǎn)生了大量碎片，散落在從幾百公里到一千多公里高度的太空中，給后續(xù)太空計(jì)劃帶來(lái)了很大影響。
打開(kāi)離軌帆回收自我，不給別人添麻煩
要避免太空垃圾在惡性循環(huán)中快速“繁衍”，首先要控制其產(chǎn)生的源頭。如何不讓失效衛(wèi)星成為太空垃圾，尤其是使數(shù)量最多的低軌衛(wèi)星完成使命后重返大氣層銷(xiāo)毀，不污染近地軌道資源，成為航天界研究的重點(diǎn)。
典型的航天器離軌方式分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種。主動(dòng)離軌是指航天器在壽命末期，利用自身攜帶的動(dòng)力裝置進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，降低飛行速度并離開(kāi)運(yùn)行軌道，逐漸墜入大氣層。2019年7月19日，天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室受控離軌并再入大氣層燒蝕分解，少量殘骸落入南太平洋預(yù)定安全海域，就是主動(dòng)離軌的成功案例。
被動(dòng)離軌是讓航天器借助薄膜帆裝置、電動(dòng)力系繩、充氣球等外部作用力降低飛行軌道。805所設(shè)計(jì)師表示，在各類(lèi)技術(shù)中，薄膜離軌帆技術(shù)難度低、產(chǎn)品成本低、成熟度高，適用于不同軌道和規(guī)格的各類(lèi)航天器，最有希望產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
金牛座納星搭載了基于薄膜機(jī)構(gòu)技術(shù)的離軌帆載荷，旨在驗(yàn)證薄膜離軌帆高效收攏和在軌展開(kāi)技術(shù)，并實(shí)測(cè)離軌效果。該離軌帆裝置展開(kāi)面積為2.25平方米，收攏時(shí)僅有高爾夫球大小，布置在星箭分離機(jī)構(gòu)的內(nèi)部空隙部位。設(shè)計(jì)師介紹，該裝置采用先進(jìn)的微米級(jí)薄膜折疊收攏技術(shù)，展收比達(dá)到國(guó)際一流水平，可加裝至各類(lèi)成熟的小衛(wèi)星平臺(tái)而不占用衛(wèi)星自身包絡(luò)。衛(wèi)星壽命結(jié)束后，只需啟動(dòng)帆面解鎖指令使其展開(kāi)，薄膜帆會(huì)增大衛(wèi)星迎風(fēng)面積，利用軌道上稀薄大氣形成的氣動(dòng)阻力，讓衛(wèi)星慢慢減速，逐漸脫離軌道。
以軌道高度750公里，重15公斤的小衛(wèi)星為例，如果不采取離軌措施，它壽命結(jié)束后還能在軌運(yùn)行近百年。而采用2.25平方米的薄膜離軌帆裝置，衛(wèi)星離軌時(shí)間將縮短至原來(lái)的十分之一以?xún)?nèi)。對(duì)于不同軌道高度、不同質(zhì)量的衛(wèi)星，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)型系列化離軌帆產(chǎn)品，以滿(mǎn)足各種離軌需求。
據(jù)金牛座納星下傳圖片顯示，薄膜離軌帆裝置在軌展開(kāi)正常，遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示衛(wèi)星狀態(tài)良好，姿態(tài)穩(wěn)定。地面人員將持續(xù)跟蹤衛(wèi)星軌道，實(shí)測(cè)薄膜帆離軌效果。大家不必為它匆匆告別而遺憾，這顆星風(fēng)風(fēng)火火登場(chǎng)，就是為了瀟瀟灑灑謝幕。這，正是它的使命。（付毅飛）
