人类发射的航天器,工作寿命结束以后的命运如何?是成为太空垃圾吗?

当寿命结束时,不只有成为太空垃圾一个归宿。

去往月球、火星或太阳系其他地方的深空探测器,在燃料或供电中断之后,或永远的飘在原来的轨道上,或撞击到某一个临近天体上,或就地停留在她们结束工作的地方,或在太空中永远流浪。当她们从地球上启程时,科学家们寄希望于她们能够走入一片新的领域,为我们认识太空和行星带来前所未有的发现。而她们也大都没有辜负大家的希望,在超期服役并耗尽自己最后一点力气后,停在了路的尽头。

归宿1:回归地球

例如,昨晚刚回归地球的天宫二号。

她原来所在的是高度约为370公里的近圆轨道,属于低地球轨道(LEO)范畴。

在这里工作的航天器,仍然能够受到高层稀薄大气的阻力作用。对于LEO轨道上重量、体积比较小的人造卫星来说,如果工作寿命到达后放任不管,虽然会成为太空垃圾,对未来的航天飞行制造一定麻烦,但它们终究会在大气阻力的作用下自然坠落,并在大气中燃烧殆尽,不会对地面的人员设施产生“高空抛物”式的威胁。

然而,对于载人飞船、空间实验室甚至是空间站这种大型航天器来说,与大气层的相互作用虽然会让她们支离破碎,但产生的大块碎片仍然具有较大的安全隐患。为了将可能的危险降到最低,各国的航天机构都选中了位于南太平洋的一块区域,作为近地轨道运行的大型航天器的归宿之地。

  • 当一艘船沉入海底

这片区域位于新西兰以东,是世界上距离大陆和人口稠密地区非常遥远的一个区域。不可到达的海洋极点——尼莫点,就位于这个区域附近。这个点是海洋上与大陆距离最远的一个点。这里不但已经远离了人口稠密的地区,连飞机和轮船都很少经过。因此,从天而降的航天器在此砸到小朋友或花花草草的风险最小,这些劳苦功高的航天器们可以在此安然投入地球母亲的怀抱。在寿命即将结束时,技术人员会利用航天器自身的动力主动离开原轨道,进入一条落点位于这个区域的再入弹道中。

据不完全统计,有一百多艘航天器在这个被称为“航天器坟场”的区域中长眠。在她们之中,数量最大的是苏联/俄罗斯为空间站提供补给的“进步”号飞船。这些飞船自上世纪七十年代,就开始服务苏联的“礼炮”系列空间站。直到现在,她们仍然是正在运行的国际空间站的“快递小哥”之一。除了“进步”号外,近年来新研制的欧空局ATV飞船、日本HTV飞船,在完成上行运输任务后,也会携带者空间站抛弃的废物坠落于此。

沉寂于此的最大的航天器,是苏联/俄罗斯的“和平”号空间站。2001年3月15日,这艘接待过俄美两国航天器和世界各国宇航员的空间站受控离轨,再入大气层。总重达143吨的空间站在距离地面约95公里的地方开始解体,最终有六块总重约20-25吨的残骸坠入大海。

当天宫二号最终沉入海底时,应该不会感到寂寞,因为她的老朋友——天舟一号,早已经在这等她。在阳光无法到达的海底,温度虽有点低但却相对恒定。这些在太空中极寒极热和强辐射环境中漂泊已久的游子们,在这里也许能找到回家的感觉,好好的睡上一觉。

归宿2:撞向临近星球

  • 冲向土星,卡西尼号的生命绝唱

在太空中工作的航天器,仍需要燃料来驱动发动机,维持自身的轨道和姿态。而一旦燃料耗尽,航天器既无法控制自己往哪飞、又无法控制自己的科学仪器与天线朝向哪个方向,无法维系正常的工作。

2017年,当对土星及其卫星实施探测的卡西尼号燃料即将耗尽之时,科学家和技术人员们决定利用最后的一点燃料,控制卡西尼号撞向土星。

在远离地球的深空之中,太空垃圾的问题还未出现,而卡西尼号之所以要用这种壮丽的方式结束,是为了保护土星的两颗卫星——泰坦、恩赛勒达斯。

通过以往的探测与研究,科学家们认为这两颗卫星与土星本身的环境非常不同,其上可能存在着适宜生物存在的环境。在无法控制轨道的情况下,卡西尼号有可能撞向这两颗卫星的表面。小小的卡西尼号当然不可能击毁巨大的天体,然而她身上有可能携带的地球微生物,却会对尚未充分探测的这两颗卫星带来潜在的污染风险。虽然这个局面出现的可能性很小,但为了最大程度的避免无可挽回的后果出现,NASA还是决定以撞向土星的壮丽的方式,结束卡西尼号的工作。

即便在生命的最后时刻,卡西尼上的12台科学仪器中有8台仍在正常工作,为科学家们传回她最后一段轨迹上关于土星大气、磁场的宝贵数据,帮科学家们又看到了一片新的世界。2017年9月15日,协调世界时11时55分46秒,位于澳大利亚的深空天线收到了卡西尼号发来的最后的电波。

归宿3:就地停留

火星没有救援,埋在火星风暴中的“机遇号”

而对于“机遇号”这样的火星车来说,工作的结束似乎来得有点突然。这艘设计寿命仅为90火星天的火星车,在火星上足足工作了五千多个火星天。当人们对她发回的壮美照片和科学数据已经习以为常时,2018年6月的一场火星风暴改变了机遇号的命运。遮天蔽日的火星沙尘阻挡了阳光,使机遇号的太阳能电池板无法产生足够的电能。即便风暴结束,落在电池板上的灰尘也阻碍了正常的供电。科学家们本来寄希望于当年11月至次年1月的和风能够吹走这些沙尘,但通过深空天线向机遇号发送的信息却始终得不到回应。

今年2月12日,NASA结束了联系机遇号的尝试。在发动给机遇号的最后一道电波中,地面的控制人员为机遇号播放了一手名叫“未来再会”(I‘ll be seeing you)的歌曲。

归宿4:流浪太空

在上世纪70年代,美国相继发射了先驱者10号、先驱者11号、旅行者1号、旅行者2号四艘探测器。这四艘飞船在完成各自对于太阳系外行星的探索任务之后,都继续飞向了更遥远的地方。除了传回科学数据外,这四艘探测器还有一项共同的终身任务:向地外文明传递来自地球的讯息。

在太阳光暗弱的外太阳系飞行,依靠太阳能电池板供电显然不是一个好主意。这四艘远行的探测器上,电能的来源都是从同位素衰变过程中提取能量的RTG电池。然而,随着时间的推移,RTG中的同位素燃料将逐渐消耗,电池能够提供的供电功率也会越来越低。1995年和2005年,先驱者11号和10号先后因供电不足而终止与地球的通信,而旅行者1号和2号在穿过日球层顶后,估计也将在2020年左右耗尽电能,与地球中断联系。

但是,她们的任务不会就此终结,而是会一直向着繁星飞去。宇宙中发生的变化动辄以万年为单位计量,这几艘探测器到达最近接其他恒星的位置时,时间早已经过去了数万甚至数十万年。那些人类对于其他文明善意和友谊的信息,赋予了她们在星辰间永恒的生命。

  • 也许,她们都去了同一个地方

无论航天器实体的归宿如何,也许她们都去了同一个地方,就是我们的心里。

从纯物质的视角看,航天器不过是人类创造的诸多工业品中的一个,而我们之所以愿意一遍又一遍讲起她们的故事,是因为她们身上体现着人类精神最光辉的一面。一大批才华出众又认真负责的人被有效的组织起来,克服重重困难,运用我们对客观世界的例行认识,用那些看似晦涩又严肃的公式、符号、图纸,实现着人类心中原始的冲动:我们想走向一片未知的世界。

作为精神符号,这些航天器的名字和故事将会留在一代又一代人的心中。也许某天,穿梭于近地轨道已是家常便饭,去往月球和太阳系的其他行星也不再困难。到那时,我们依然会提起神舟、嫦娥、玉兔、天舟、天宫这些先驱者,也依然会在夜空中找到蛇夫座和望远镜座时告诉孩子们,旅行者1号和2号正在那里,把我们的话讲给星星们听。

(作者注:航海和航空中以“她”(She)指代远航的轮船与飞机,本文按照这一惯例称呼所有航天器为“她”。)

作者:哈尔滨工业大学(深圳) 李会超 @李会超

出品:科普中国

监制:中国科学院计算机网络信息中心

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:中国科普博览

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