欧空局研究人员开创重返太空科学24年前发射的卫星返回地球

David Ducross/ESA

欧空局（ESA）的一架飞机于9月8日星期日开始执行任务（https://www.esa.int/Space_Safety/Watching_Salsa_s_reentry_live_from_the_sky） —— 该机构的观测飞机从智利复活节岛起飞，准备收集一颗名为Salsa的24岁地球观测卫星在重返大气层时燃烧的数据。研究人员想知道Salsa是否会完全解体，或者它是否会在增厚的空气中缓慢而漫长地翻滚，仍然未燃烧的碎片在重返大气层时幸存下来，溅入海洋或在某处着陆（https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Cluster）。

截至发稿时，该团队仍在分析周日重返大气层的图像和仪器输出流。但他们至少报告说在收集数据方面取得了成功。研究人员近日的一篇博客文章称：“随着所获得的知识，欧空局的空间碎片团队希望改进当前的预测模型，并更多地了解卫星是如何燃烧的（https://blogs.esa.int/rocketscience/2024/09/09/first-image-of-salsas-reentry/）。”

欧空局的任务配备了光学望远镜来追踪Salsa的路径和光谱仪，以表征它燃烧的温度，以及可能的话，确认哪些组件是在何时燃烧的。

今年秋天，美国联邦航空管理局曾警告说，随着低地球轨道卫星星座的规模迅速扩大，卫星重返地球的碎片可能会更频繁地登陆地球（https://spacenews.com/spacex-slams-faa-report-on-falling-space-debris-danger/）。

大多数发射和控制卫星的公司现在都依赖于一种相对较新的监管虚构（https://sdup.esoc.esa.int/documents/download/ESSB-ST-U-004-Issue14December2017.pdf）：我们知道航天器在重返大气层之前很久就会降落在哪里。这对于载人航天器来说是足够的，载人航天器携带足够的燃料和隔热罩，可以实现精确的再入燃烧和可预测的再入轨迹。然而，像Salsa这样的老卫星并不总是既有可用的通信，也没有足够的燃料来进行有针对性的再入燃烧。即使是根据更严格、更新的规则发射的卫星——这些规则可能会确保任务中有足够的再入燃料——仍然可能让再入追踪器感到惊讶。例如，卫星上形状奇怪的组件在穿过高层大气时会燃烧不均匀，影响卫星碎片的轨迹。

位于德国达姆施塔特的欧空局空间碎片办公室的空间碎片分析师Stijn Lemmens说：“在无情的环境中，许多耐久性要求与重返大气层要求相冲突。” 也就是说，耐用设备在重返大气层时不太可能发生可预测的故障。然而，轨道上的物体数量正在快速增长，轨道较低，寿命较短，这意味着比以往任何时候都更需要确保重新进入的航天器不会伤害地球表面的任何人。事实上，欧空局于2022年推出了他们所谓的“零碎片宪章（Zero Debris Charter，https://esoc.esa.int/zero-debris-community-update）”，目的是让航天机构和公司为其航天器设计安全的报废计划。

研究人员正在使用等离子体风洞探索航天器在重返大气层时将如何解体，为未来的航天器设计者提供设计可预测解体所需的信息（https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/1.A36039）。等离子体风洞模拟了航天器重返大气层时遇到的条件——速度高达音速的12倍，温度在几千开尔文范围内，所有这些都会导致高层大气变得越来越导电。

NASA、欧空局和几家私营公司提供预测空间碎片轨迹的软件。根据Lemmens合著的《空间安全工程杂志》3月份的一篇论文，该软件背后的科学仍有待改进（https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2468896723001301?via%3Dihub）。例如，研究人员指出，工程师可以设计卫星上的外部结构，如太阳能电池板，在过程的早期断开，使航天器的核心暴露在均匀的加热下，确保大部分或全部在撞击地球表面之前蒸发。

然而，为了得出上述结论，仍然需要更多的真实数据来了解不同材料和不同形状的材料对重返大气层条件的反应。

进入ROSIE任务，这是欧空局的最新尝试，旨在获得卫星如何重新进入大气层的动态图像—— 尽管这是短暂的，可能只持续一分钟。ROSIE使用了几种类型的相机来观察Salsa，提供了一系列数据，研究人员将使用这些数据来测试他们的计算机模型，以了解航天器的解体情况。然而，考虑到卫星可能会以不可预测的方式改变其最终轨迹，接近记录有用数据并不能保证成功。截至9月7日星期六，欧空局已将卫星的再入窗口缩小到约四分钟，Lemmens在任务前表示，“我们有大约一分钟的时间来纠正错误。”

后来，欧空局设法恢复了通信并进行了脱轨燃烧，这有助于将预测的重返窗口从大约4分钟缩小到大约8秒（https://www.esa.int/Space_Safety/Watching_Salsa_s_reentry_live_from_the_sky）。事实证明，这颗卫星重新进入了足够接近其预测路径的位置，以至于ROSIE观察员获得了它燃烧的图像，尽管飞机窗户的边缘侵入了画面。

Ranjith Ravichandran and Gerard Armstrong/ESA.

NASA和欧空局从20世纪70年代开始使用视觉、雷达和光谱工具进行重返大气层观测任务（https://reentry.esoc.esa.int/home/blog/observing-break-ups）。NASA还在几架空间站货运航天飞机上安装了记录器。然而，其中许多观测都集中在战斗情况上，这些航天器为当今快速增长的低地球轨道、短设计寿命卫星星座提供了有限的经验。

Salsa最初的职责是观测地球磁场（https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Cluster/Goodnight_Cluster_brilliant_end_to_trailblazing_mission），但其最近的运营商已经证明了他们即兴制定新计划的能力，包括修改其脱轨以适应ROSIE任务。预计欧空局的研究人员还将在2025年和2026年用Salsa的三颗姐妹卫星重复周日的观测。当然，最好的数据总是尽可能接近来源。这就是为什么欧空局也在准备一颗配备有坚固装置的卫星，如商用飞机所谓的黑匣子，旨在记录其自身的火热消亡。该机构计划于2027年发射DRACO任务（https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2022/11/ESA_Space_Debris_project_-_DRACO）。