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人造卫星如何返回地球?

人造卫星如何返回地球?简单的回答是,大部分卫星根本不会返回地球。在接近地面之前,它们可能就消失了。

为什么呢?因为返回之路太复杂、太艰难了。

复杂的返回之路

一颗人造地球卫星在轨道上运行时,其速度可达每秒近8000米。要将一颗卫星顺利从太空返回并安全回收,需要解决一系列复杂的技术难题。这些难题主要包括卫星返回的路线调整、防热、着陆及寻找等。

首先,卫星要返回,必须在预先的设计中设立返回程序,这样卫星在返回之前先要启动返回程序。然后卫星调整飞行状态,即脱离原来的运行轨道,踏上“返乡”之路。并且卫星重返大地时的角度需要十分精确,一般和地球切线成3~5度角最合适。因为如果太大,卫星将会陡直地进入大气层,空气阻力更大,摩擦生热的温度更高;如果角度太小,则卫星将仍在原轨道上运行。而这一切都靠一支小型助推火箭来控制。火箭的点火时间、推力方向、推力大小与时间长短都会影响到卫星进入地球的准确度。这就要求有灵敏而可靠的火箭制动发动机。而这需要在卫星升空时预先准备好,这无疑要增加卫星的重量。

其次,卫星在降落过程中,要摩擦生热。尤其是当它降到离地面60~70千米时,其速度比卫星升空时的速度还要快,与大气层摩擦使其表面发生燃烧。为此,必须采用适当的防热设施,来保证回收舱在再入大气层时能够维持内部的正常温度。这就需要有特殊的耐高温材料。

再次,卫星返回地面需要很长的运行区间,并且地球不停地自转和公转,使卫星回地面的运动路线更为复杂,必须不间断地对卫星进行精确测量和全程跟踪,并根据实测轨道路线对卫星的程序进行不断的调整,为此就要建立更大范围、更多功能的地面测控网。

最后,卫星降落到离地10~ 20千米时,尽管速度已经大大减小,但仍然有200米/秒左右,是高速行驶的汽车的7倍,如果以这样的速度撞击地面,卫星必然粉身碎骨。因此,必须使用减速伞来再次降低速度。通常先要打开一顶较小的副伞,初步减速;当卫星降落到离地面只有5千米的高度时,再打开主伞,使卫星速度小于10米/秒。降落伞的打开必须非常准时,否则卫星就不能够安全着陆。即使这样,还需要给卫星备有减震装置。

除此之外,卫星降落之后,还必须能够准确标示出自己的位置,以便于地面人员寻找。但不论是灯光信号还是无线电信号,卫星都要有这方面的装备。当地面人员利用这些信号发现卫星后,分别采取陆上、海上和空中回收等方式将卫星回收。

总之,卫星要返回地球,需要预先携带许多额外的能量和装备,增加发射难度,提高发射成本,而大多数卫星的作用,主要是将太空照片和信号传递给我们而已。由于让它们返回地球的成本太高,而且回收的卫星与坏了的手机、电脑一样也很难再次使用,所以大部分卫星都没有被设置返回地球的程序,就“丢弃”在太空中任其自生自灭。

“弃儿”的结局

由于大部分卫星都没有设置返回地球的程序,所以使命完成后就会被“丢弃”在太空中。那么它们的结局会是什么样的呢?一般来说,它们大部分会落入大气层被烧毁,只有极少的残片会落入地球表面。

常见的卫星,比如监测天气情况的气象卫星和用来向地面传递信息的卫星,都是在赤道上方与地球同步运转,因此这类卫星又叫做“地球同步卫星”。除此之外,还有与太阳同步运行的太阳同步轨道卫星,和经过极地的极地卫星。无论哪种卫星,一般来讲,它们都在最致密的大气层上方的轨道运动,因为那里条件类似真空,受到外界的阻力较小,卫星在那里最为稳定。但是,来自太阳的热量最终将使它们落入大气层中。

原来来自太阳的热量不断在加热地球的大气,尤其在被太阳照射的地方或者太阳活动剧烈的时候。被加热的地球大气层温度会渐渐升高。到达一定程度时,其中一些能量变高的气体,便会从大气层中跑出来。

由于人造卫星的轨道并不是正圆形的,而是椭圆的,这意味着它们有时离地球近,有时离地球远。这样,当人造卫星最接近地面的时候,就会遇到从大气层中逃逸出的气流,这使卫星速度一点点减慢,能量也随之降低。

时间一长,卫星就偏离了原来的轨道,受重力的影响,高度会越来越低,会碰到更多从大气层中逃逸的气流。并且,卫星运行的速度为大约每小时2.8万千米,是普通飞机的35倍左右。这样,卫星受到的摩擦阻力逐渐加大。摩擦生热,卫星慢慢开始发热,最后使卫星烧毁或者解体变成碎片。有一些碎片会进入到地球表面,或者坠入海洋。

实际上,每天都有一些太空垃圾在我们头顶上因各种原因爆发出灿烂的火光。但是,大多数时候,我们根本不会注意到它们,因为它们在大气层上方,离我们实在是太遥远了。


大家不要为贡献了一生的卫星悲伤,其实这是件好事,因为总比它们一直呆在那里当太空垃圾要强许多。要知道,轨道上的太空垃圾就如同公路上的废弃汽车一样,不仅堵塞“车道”,而且会增加“撞车”的几率,威胁到其他的航天器。

本文源自大科技〈科学之谜〉 2018年第2期杂志文章 欢迎您关注大科技微信公众号:hdkj1997

 

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