在历经了接近二十二年的漫长岁月去追逐宇宙里面最为激烈的爆发之后, “雨燕”迎来了属于它自己的最后一道火光。
在当地时间11月4日这一天, 那台重量大概在一千五百千克左右的美国太空望远镜, 在北苏门答腊上空重新进入了大气层。于是, 它的一部分残骸有可能穿越了燃烧的火焰之后, 直接砸向了地面。
因为它没有利用自身携带的发动机来进行自救操作, 所以没能把自己移动到更高一层的地方去；与此同时, 美国国家航空航天局投入了大约三千万美元的经费, 又开展了一次最终未能成功的太空救援行动；在那座依旧具备非常重大的科学研究价值的观测工具, 就这样完全失去了它的生存时间。
“雨燕”目睹了被黑洞撕裂的恒星。图片来源：NASA
临时抱佛脚的救援
当人们一说到太空望远镜的时候, 大多数的首先反应就是哈勃。但是, “雨燕”这个名字对大多数人来说是比较陌生的。尽管它不如哈勃那样有名, 可它在天文学家里面却是一个非常重要的好帮手, 专门用来追踪宇宙里突然发生的事件。
NASA方面给出的对“雨燕”的极高评价是这样的, 具体来讲, 就是在它所拥有的那段极为辉煌和光荣的专业生涯之中, “雨燕”这个项目一共探测到了不止两三千次的伽马射线暴事件了, 要知道这些事件可是被公认的宇宙里头最为强劲的能量爆发形式, 除此之外它还去仔细研究了数量超过了1400起的那些超新星爆炸过程, 它亲眼见证了那些被巨大质量的黑洞给活活撕碎的恒星是什么样子的模样, 它还一直在不间断地监控着那些处于活跃状态下的星系区域的变化情况, 它实施了覆盖了整个天空范围的X射线巡查任务, 它也深入探究过小行星以及彗星之类的天体的具体性质, 从目前能够看到的情况来分析, 由“雨燕”收集到的所有科学数据已经支撑发表了大概有七千篇左右的各种类型的学术论文成果。
“雨燕”卫星拍到了鲍里索夫彗星穿过太阳系时候的紫外图像。这张图片的来源是NASA。
因为有着如此亮眼的成绩表现, 所以科学家们才不愿意让其结束职业生涯。
令人感到遗憾的是, 仪器还可以坚持运转, 但是轨道已经无法保留住。
在近地轨道区域, 稀薄的大气会不断地去消耗卫星本身的轨道能量, 并且在最近几年里太阳活动出现增强的情况, 高层大气随之膨胀, 这就让上面提到的这个过程加速了, “雨燕”虽然具备灵活进行转向的能力, 可是并没有用来维持轨道高度的推进系统存在, 所以最终连稳定的观测任务都很难继续保持下去了。
如果想要给它继续供给能量以求存活, 那就需要发射另外一艘航天器前往任务区域执行轨道提升操作。
“雨燕”并没有为在轨服务预留出标准接口。所以, 救援器需要先靠近过去, 然后再进行观察, 并且找到那个能够承受载荷的抓取位置, 然后在完成连接之后, 再去控制整个组合体的姿态并且施加推力, 假如稍微有一点偏差的话, 就很有可能损伤设备, 甚至有可能会导致两者一起失控。
美国在相关这个方面已经积累了相关的经验, 诺斯罗普格鲁曼公司的任务延寿飞行器MEV曾经两次成功实现与通信卫星的对接口对接操作, 不过它的捕获机构是利用了目标卫星上的发动机喷管来进行工作的, 但是雨燕太空望远镜并没有具备这种结构的特点, 所以要把目前已经存在的相关技术直接应用到这台望远镜上面去, 还需要进行专门的方案设计以及验证测试工作, 其中准备时间这一项显得尤为关键和重要。
然而, 留给救援的时间已经很少了。到了2025年9月这个时间点的时候, NASA向Katalyst公司授予了一份合同, 这份合同的金额大约是3000万美元。
从授标到2026年7月实现发射这一段时间里面, LINK救援器的研制、测试和发射工作被压缩在约九个月之内。在这家公司的公开履历中, 也是缺乏此前成功捕获卫星并为其抬轨这样的记录的。
LINK是搭乘了诺格公司那款使用了很长一段时间的“飞马座” XL火箭, 最后才成功进入轨道的, 可是在进入轨道之后, 却出现了关于姿态控制方面的问题, 于是团队就只有改用推力器来维持住自身的姿态, 这样一来, 推进剂的消耗速度就跟着加快了, 最终剩余下来的燃料已经不多到了连安全的捕获操作和提升轨道的操作都无法再完成的程度, 它一直到那时候都没有能够抓得住“雨燕”, 所以救援这一件事就已经失去了所有被希望的可能。
美国国家航空航天局声称这个举动是一次风险非常大同时回报也非常高的尝试。他们希望能够借着这个机会把科学研究的寿命给延长一下。他们还想用力推动商业在轨服务技术的发展。这确实是非常非常典型的一种美国人说话的方式。咱们中国人通常把这叫做临时抱佛脚。
这个情况可以解释它为什么愿意去拿冒险的行为, 但也同时留下了另外一个问题, 那就是, 对于一台重要望远镜来进行延寿这个工作, 为什么会只存在像这样的一次非常匆忙、显得十分仓促的尝试机会呢。
美国国家航空航天局公布出来的时间线显示出这样一个情况, 就是早在2023年, 就已经出现有那种大模型对“雨燕”卫星进行预测了, 它们说这个卫星有可能在接下来的两年时间里重新进入大气层, 到了2025年的初期, 几乎所有的那些模型都指出了一个共同的时间点, 那就是大约在2026年的夏天前后会发生这件事, 一直拖延到那一年的9月份, 正式的救援合同才最终得以落实, 虽然太阳活动确实起到了加快倒数计时的作用, 但是轨道衰减所带来的风险其实早就已经被放进预报范围里面了。
原本设定的两年这个任务期限, 它可以在某种层面上被用来解释最开始阶段的那些关于在设计上面做的各种取舍行为。但是在这之后当科研任务经历了那么多次的延长过程时, 对于后续的维护工作以及给设备增加寿命的这些方面的计划, 也应该要提前做好相应的准备才比较合适。
等到时间已经基本上没有剩多少的时候, 在这种紧急状况下再将那些并没有经过和之前的同类任务完全相同的验证流程的一系列救援类设备匆忙地送上到天空中去执行任务。
能够留给相关工作人员进行充分的测试工作的余地是非常微小的, 也是能够留给工作人员去排除各种出现的故障问题的余地非常小的, 更是能够留给人们去做再次尝试的这个机会的余地也非常少的。
至于“雨燕”卫星里面的, 哪些零部件, 最最有可能在再进入大气层那个过程里面, 能够幸存下来, 最后面掉进大海里头, 或者抵达地面。美国《太空内幕》那本报纸的专栏记者斯莱登, 他指出来, “雨燕”这个卫星的主要主体部分, 大部分都使用的是铝材。
此外还有电线和电子设备这些构成的东西。这些构成部分, 会在进行再入动作过程的比较早的阶段, 就已经熔化毁坏掉了。能够真正抵达地表的那一部分, 通常都是体积很小的, 密度特别高的, 并且具有耐热性能的材料。这种材料的具体例子, 有钛、钢还有玻璃。
斯莱登表示, 幸存的可能性最大的是那六个沉重的反作用飞轮, 这也就是用来调整指向的旋转部件, 还有望远镜里耐热性更强的一些元件, 比方说透镜和反射镜。
至于那个编码孔径掩模, 它是由大约五万两千块微小铅片构成的, 基本上肯定会熔化掉。大家都估计最后只有少数的几个经历过烧蚀的小碎片能够掉到地面上去, 而那台望远镜的模样已经看不出来了。
“雨燕”结构示意图。图片来源：NASA
卫星的后半生，应当提前安排
只要在设计方案的那个阶段, 就给未来的维护工作留下可以操作的空间和条件, 那么眼下存在的诸多困难, 原本是完全有把握去处理的。关于中国巡天空间望远镜的整体规划思路, 正是将上述这一核心要素纳入了重点考量范围以内。
根据中国载人航天工程办公室公开的规划计划, 巡天光学舱这个部分, 它是要单独飞行的, 它会和天宫空间站待在同一条轨道上面飘着, 一旦到了需要时候, 它就会跟空间站连起来进行对接, 这样做是为了给空间站添加燃料, 也是为了维修设备, 还是为了给观测仪器做升级。
望远镜这种仪器呢, 它有两种工作方式, 既可以自己独立去做观测任务, 也可以靠空间站来给它提供后面的支持服务。要是燃料用完了, 那么就给它加上新的, 要是里面的设备出了故障, 那就利用现有的条件去修理好它, 要是后来有了更新更好的新仪器研制出来了, 那么它也留好了可以更换上去的路子和渠道。
需要在设计阶段这个阶段来进行协调, 要把望远镜和空间站的接口问题、运行方式的问题以及维护需求的问题全部考虑到, 所以在前期的时候自然而然会花费更多的功夫。但是对于那些计划要长期使用的科研设施, 这些投入可以为未来争取到更多的选择空间, 同时也能减少临时去组织救援时所遇到的困难。
中国在轨服务技术方面, 也已经有实际的进展发生。在2022年期间, 实践二十一号卫星执行了一项任务, 就是把那两颗已经失效的北斗G2卫星转移到了墓地轨道之中。紫金山天文台的研究人员所发表的那篇论文里, 记载了这次进行操作的过程, 并且讨论了在对接之前要确定那个目标旋转状态的至关重要的意义。
而到了2025年发射的实践二十五号呢, 它专门是为了承担那些卫星燃料补加以及延长卫星寿命的服务技术的验证这种任务来进行设计和部署的。先把对失效卫星进行处置的相关技术应用起来, 然后再把能够进行补加并延长使用寿命的技术也用上了, 这些方面的技术正在一点一滴地慢慢积攒。
这些能力跟科研资产是不是还能接着起作用有关系, 也关系到别的太空器和地面上的人员的安全问题。
在2024年3月这个时间点, 有一块金属材质制成的残骸掉下来, 它砸中了我们知道的美国佛罗里达州里面的某栋住宅房子。后来是NASA官方给确认清楚了, 说是这东西来源自国际空间站之前释放出来的那套废旧电池托盘组件装备。
原本应该是预测到设备全都烧得干干净净的设备, 还是有一个重量大约为0.7公斤的支撑部件, 它穿过了地球大气层, 最后掉到了地面之上。这种从预测结果到最终实际发生结果中间产生的偏差情况, 就这么实实在在落在了某一个住户家庭里面去了。
像这种一样的情形, 美国在往日的时候还是弄出过挺多种个数的。
斯凯拉博它是美国头一个空间站, 重量大概在74吨到78吨左右, 到了1979年7月11号那一天, 它就再进入了大气层。斯凯拉博它在再入的时候, 产生了差不多500块能追踪到的碎片, 这些碎片的总质量大概是20吨。
这些碎片散落的地方包括澳大利亚西部那些没多少人的地方, 还有印度洋的那些海域。因为斯凯拉博它的体量巨大, 所以当它再入的时候, 在当时引起了全球范围的关注。那时候甚至出现了各种为了防备掉下来东西而产生的商业噱头, 公众也出现了惊恐的情况。
说句好听的, 也就是Skylab的碎片是掉到了那片荒无人烟的荒漠地带里, 这情况要是换别的地方就麻烦大了, 所以呢, 也就没有造成什么特别严重的后果, 算是侥幸逃脱了这一场风险。
UARS卫星在1991年这一年的时候, 由航天飞机发射到了天上, 这个卫星的重量大概是六点五吨左右, 它的主要工作是为了让大家去研究和了解咱们地球的大气层是什么样的情况。
后来到了二零零五年的时候, 因为这颗卫星身上的燃料已经用光了, 所以它就报废了。从那时候起之后, 它的轨道就开始慢慢地降低, 到现在为止, 它完全就是处于不受控制的状况当中了。
在2011年9月24日这个时间点, UARS是坠入了太平洋上空的这大气层里面的。此前NASA那边做出过评估认为, 可能会有的残骸数量是26块能够幸存下来并且抵达地表地方的。那总质量大约是要达到532公斤的。
在这个里面最大的一块估计重量是能达到158.3公斤的。最终呢, 这些碎片是会散落在美属萨摩亚东北方向这一片的范围内, 距离大概在480至1300公里的太平洋海域当中的。不过所幸的是, 并没有因此造成地面人员伤亡的情况出现。
这类再入事件, 好在是侥幸避开了那些住满了人的密集居民区, 可是像这么“靠运气”来处置太空垃圾的方式, 终究还是埋伏着一些不能小看的安全隐患在里头。
因为现在在近地轨道上的航天器数量那是越来越多了, 所以像“雨燕”那个仓促收场的故事, 或者Skylab还有UARS那样碎片到处散落的情况, 在未来也许不见得不会再次发生, 甚至还可能会因为航天器的个头儿变得更大了, 加上发射的次数也变得更密集了, 导致这个风险被放得更大。
在2022年的时候, 当那伽马射线暴也就是GRB 221009A被第一次探测到的时候, 过了大约一个小时, “雨燕”这个任务的X射线望远镜, 它的全称是XRT, 就把那个余给拍下来了。你能看到的那个明亮的环状结构, 它是由于X射线的缘故, 遇到了银河系里面的尘埃层发生散射而形成的。
这些尘埃层它正好就位于我们朝向那伽马射线暴看的视线方向上, 所以在平时是经常难以直接观测到的。此外呢画面里出现的那些暗色的竖线, 它们其实是成像系统弄出来的伪影。这个是它的图片来源, 归NASA所有。
结语
“雨燕”留给后来者的提醒, 这件事, 得从一个小接口那儿开始说起。新卫星在设计的时候, 留了抓取和补加的余地, 这样子在将来做维修工作的时候, 就能少过一道坎儿。但是, 你光有一个接口, 它可不会自己把自己叫来救援。
谁来做这服务、啥时候能发火箭上去、这钱到底让谁来出, 这些个事都得好事先把计划安排好。把这些真格的实事给做好了, 比那嘴上说说造一个什么样都能修的“太空救援飞船”要复杂得多啊, 真的复杂很多。
所以, 维护和报废这事情, 得在项目开始就定好方案, 把钱也要备足, 任务要是每次都要延长, 那么处置计划就得重新看一遍又一遍, 碰到可能影响到别的国家的再入这事儿, 通报得要快, 轨道还有风险信息, 要一直更新下去, 出了事故以后的调查和损害处理, 也必须有清清楚楚的程序。
美国这边, 它拥有那种非常雄厚的航天实力, 所以, 它更应该有责任去把这些成本给承担起来。而中国那边是可以结合着它自身的那些工程实践, 在多边的机制里面推动那些更具体的规则出来, 这样的话, 就是让那些可能承受风险的国家, 也能够参与到讨论里面去。
至于说太空活动的收益到底是归谁获得, 还有这些风险又是归谁承担, 这个事是需要尽早的被摆放在桌面上来的。
