東方紅一號仍然軌運行,能否用機械臂帶它回傢?還差一關鍵技術

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提起東方紅一號衛星,很多上瞭年紀的朋友一定會想起那個聽到村頭喇叭播放來自太空的東方紅樂曲,頓時澎湃的回憶會迅速從腦海中湧現出來,因為在那個一窮二白的年代,中國人居然折騰出瞭衛星,而且還在太空播放音樂,還有什麼比這個跟鼓舞人心的?

如果有人告訴你,東方紅一號還在天上飛,你會驚訝嗎?

2020年3月28日,北京天文館名譽館長朱進和北京四中天文教師葉楠以及國傢天文臺沙河科普教育基地教師一起,拍下瞭我國第一顆衛星東方紅一號過境北京的軌跡。

在3月份清冷的北京夜空中,光污染也淹沒不瞭東方紅一號的軌跡,盡管有些暗淡,但它的運動軌跡穩穩地落在瞭單反相機的CCD中,在夜空中留下瞭那一抹亮色。

為何50多年瞭,東方紅一號還在飛?

從知名的在軌航天器查詢網站LeoLabs查到的信息,東方紅一號的的軌道數據為近地點高度432千米,遠地點高度為2028千米,軌道傾角為68度,運行宇宙為110分鐘,雷達反射直徑為1.5米,如下圖:

從另一個查詢在軌航天器的網站N2YO的數據也是類似,不過軌道數據卻有些差異,如下圖:

究竟哪個才是準確的呢?從維基查到的數據是近地點429千米,遠地點2036千米,那麼一N2YO的數據才是正確的?其實不然,因為這是東方紅一號衛星在1970年4月24日入軌時的數據,現在軌道數據衰減,遠地點已經變成瞭2028千米,但近地點卻升高到瞭432千米。

為什麼不會掉下來?近地點軌道為何會升高?

衛星在軌運行不需要消耗一滴燃料,因為火箭將其送入軌道時其速度已經達到瞭第一宇宙速度,此時的引力與“離心力”相等,理論上可以永遠運行下去,但實際卻會受到近地軌道的空氣分子阻力影響,或者地球引力波動(質量分佈不均)或者受到太陽風影響高層大氣波動而影響高度,軌道難以保持而墜入大氣層。

但東方紅一號的軌道比較特殊,一個大橢圓軌道,近地點達到瞭429千米,遠地點更是高達2036千米,這種軌道在“低空稀薄大氣”分子比較密集的區域運行時間短,大部分時間阻力極小,而且東方紅一號的質量達到瞭173千克,存軌能力很強。

而衛星軌道有個非常有趣的現象,我們很少會見到正圓形的軌道,大部分天體或者衛星都帶一些橢圓,但這個橢圓的軌道會在阻力以及引力波動與潮汐引力的作用下逐漸趨向於正圓形,而東方紅一號的遠地點軌道下降會導致近地點軌道抬升,未來它的近地點會繼續抬升,遠離空氣分子比較稠密的區域,這會讓它的壽命更久。

天宮空間站已然值班,能否用機械臂帶它回傢?

東方紅一號對我們有非常特殊的感情,這是中國人送上太空的第一個飛行器,現在它還在天上飛,盡管在地面上有一個一模一樣的結構星(結構星用於地面的各種試驗,驗證衛星結構是否合理),但如果能將天上的衛星弄回來,其意義非同小可。

天宮空間站機械臂抓衛星,可以嗎?

2021年4月29日,天宮空間站的天和核心艙發射並成功入軌,軌道高度為389.2千米,6月17日,神舟十二號發射成功,第一批航天員入駐核心艙,為期三個月,10月16日凌晨,神舟十三號發射成功,第二批航天員入駐,為期6個月。

天和號核心艙全長16.6米,大柱段直徑4.2米,小柱段約2.8米,總重約22.5噸,這個尺寸比國際空間站的任何一個艙段都要大,當然我們最關心的是其核心艙後方的機械臂,因為它可以拿來抓取“東方紅一號”。

天和核心艙配置的機械臂是目前中國同類航天產品中復雜度最高、規模最大、控制精度最高的空間智能機械系統。其展開長度為10.2米,最多能承載25噸的重量。其肩部設置瞭3個關節、肘部設置瞭1個關節、腕部設置瞭3個關節,每個關節對應1個自由度,具有七自由度的活動能力

當然它還有一項絕技是可以沿著空間站艙壁爬行,從一頭“走”到另一頭,這個神技簡直絕瞭,一個機械臂即可滿足整個空間站的需求,所以用它來抓“東方紅一號”,絕對是一點問題都沒有!

隻是需要開發一個抓取衛星的裝置即可,當然以航天員站在上面,將衛星系留也能達到同樣的目的。

軌道差距那麼大,如何達成目的?抓進來放在哪裡?

核心艙有一套離子推進軌道維持裝置,用它來變軌理論上也不是不可以,主要是因為離子電推非常節省燃料,它的比沖達到瞭化學燃料的數倍甚至數十倍。

假如抓到瞭東方紅一號,那麼如何將其放回空間站呢?東方紅一號衛星的直徑為1米左右,當然不包含天線,種花傢查瞭國際空間站上的對接口,主要以800毫米直徑為主,也就是說直徑大約在0.8米左右。

不過在俄羅斯艙段有一個混合對接系統的直徑可達1000毫米,也就是1米,這個標準是APAS-95,據WIKI頁面介紹,內部的最大直徑可以增加至1.3米,但需要修改設計,我國的神舟飛船對接系統使用瞭類似於APAS-89/95的系統,估計尺寸可能差不多。

筆者查不到空間站的對接口規格,但從瞭解到的信息來看,應該尺寸也類似。讓天宮空間站變軌抓取東方紅一號衛星,理論上可行,但抓到之後拖不進空間站,不如掛在空間站外面?當然抓到後的目的是帶回地球,飛船對接口是同樣的規格,放不進去,這倒成瞭一個大難題。

隻能未來加大接口直徑,或者開發空天飛機瞭,不過盡管理論上是可行的,同時也將消耗大量燃料與時間!但有個問題必須要提醒下,首先空間站軌道和東方紅一號軌道傾角相差比較大,另一個是變軌後空間站將會經過范艾倫輻射帶,這會讓航天員遭受的輻射大增,也會影響空間站電子設備出錯的概率,所以這一趟任務著實有些不太好辦。

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  • 本文由 发表于 2021年11月18日
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