如果說天上掉餡餅兒是幻想中驚喜的話，那么天上掉下顆隕石就是現(xiàn)實(shí)中驚嚇。但如果天上掉下個(gè)流浪了50年的人造天體呢？這不是科幻小說的情節(jié)，而是剛剛發(fā)生的現(xiàn)實(shí)。冷戰(zhàn)時(shí)代的太空遺物——蘇聯(lián)Kosmos 482號(hào)探測器，在繞地球飛行半個(gè)世紀(jì)后墜落地球。

01

Kosmos 482是什么？

Kosmos 482是蘇聯(lián)與1972年3月31日發(fā)射的一顆金星探測器。它原本被設(shè)計(jì)為“金星”系列探測器的一部分，其主要任務(wù)是收集有關(guān)金星大氣、溫度和地址特征的數(shù)據(jù)。這也是當(dāng)時(shí)美蘇在“太空競賽”中誕生的探測項(xiàng)目。它在設(shè)計(jì)上與Venera 8 幾乎相同，由飛行和著陸兩大模塊組成。但在發(fā)射不久后，火箭助推器失效，使其無法到達(dá)預(yù)定的軌道飛向金星，成為了一個(gè)不受控制的空間碎片。

金星大氣層是一個(gè)致密，高溫，強(qiáng)酸的環(huán)境，Kosmos 482設(shè)計(jì)之初就使其具備抵抗金星極端大氣環(huán)境的能力。其著陸艙采用了多層特殊合金外殼，能夠承受高達(dá)100個(gè)大氣壓的壓力。艙體采用球形設(shè)計(jì)，這種形狀能夠最均勻地分散壓力。為了應(yīng)對高溫環(huán)境，探測器配備了先進(jìn)的隔熱系統(tǒng)和熱防護(hù)罩，使用了當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)最尖端的耐熱材料。

內(nèi)部儀器艙則采用密封設(shè)計(jì)，并填充了特殊氣體以維持適宜的工作溫度和壓力。為抵抗硫酸腐蝕，外殼表面涂覆了抗酸涂層，并采用了特殊的密封技術(shù)保護(hù)內(nèi)部電子設(shè)備。

Kosmos 482的著陸艙重量約為495公斤，其中球形壓力艙設(shè)計(jì)目標(biāo)是能夠在金星表面462°C的高溫和92個(gè)大氣壓的壓力下保持完整并正常工作至少30分鐘。這種設(shè)計(jì)使得它極有可能幾乎完整地穿越地球大氣層而不會(huì)分解。據(jù)美國空軍太空監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)顯示，Kosmos 482會(huì)以接近每秒11公里的速度撞擊地球，其動(dòng)能相當(dāng)于近1噸TNT炸藥爆炸，這足以在撞擊點(diǎn)形成直徑超過15米的隕石坑，并對周圍區(qū)域造成嚴(yán)重破壞。如果墜落在人口密集區(qū)域，可能導(dǎo)致重大的生命財(cái)產(chǎn)損失。

▲圖1 Kosmos 482 已墜落地球，右上小圖即為與Kosmos 482 有相同設(shè)計(jì)的探測器圖示。

02

“太空老兵”墜落印度洋

為了防止其可能造成的損害，在數(shù)周前，多國空間機(jī)構(gòu)組成了臨時(shí)監(jiān)測小組，共同追蹤了Kosmos 482號(hào)探測的軌道變化，并預(yù)測其大致墜落區(qū)域。目前，基本確認(rèn)Kosmos482號(hào)已于北京時(shí)間5月10日14：26分落入印度尼西亞雅加達(dá)以西的印度洋。至此，這位來自冷戰(zhàn)時(shí)代的 “太空老兵”在太空流浪53年后終于再次回到了地球。截止完稿時(shí)，沒有收到任何船只或施設(shè)受損的報(bào)告。此外，Kosmos 482號(hào)探測器由于其良好的密封性，其最終可能會(huì)漂浮在海面而被路過船只打撈回收。

▲圖2 2025年5月10日，天文學(xué)家吉安盧卡·馬西在Kosmos 482的最后一個(gè)軌道經(jīng)過意大利羅馬時(shí)捕獲了其蹤跡，如圖中4段白色線所示。這是由4張短時(shí)曝光圖像疊加而成。圖源：Gianluca Masi

03

人造天體墜落是如何發(fā)生的？

造成失去動(dòng)力或姿態(tài)控制的人造天體墜落的兩個(gè)主要原因分別是：大氣阻力和Yarkovsky效應(yīng)影響。

地球大氣層的外層大約延伸到10000公里的高度，雖然密度極低，但足以對衛(wèi)星產(chǎn)生微小且持續(xù)的阻力，這種阻力導(dǎo)致衛(wèi)星或探測器動(dòng)能逐漸損失，使軌道半徑逐漸減小，軌道高度越低，大氣密度越大，阻力也就越大，這導(dǎo)致軌道衰減速率加速，最終導(dǎo)致人造天體完全墜入大氣層。

▲圖3 地球大氣結(jié)構(gòu)示意圖。

Yarkovsky效應(yīng)是由于人造天體或小天體吸收陽光后再次釋放熱量時(shí)對其產(chǎn)生的微小推動(dòng)力。這種推動(dòng)力雖然很小，但經(jīng)過長期累積作用下，這種力足以對人造天體或小天體產(chǎn)生明顯的影響。其中由于熱馳豫現(xiàn)象的存在，對于旋轉(zhuǎn)的人造天體或小天體，最熱點(diǎn)不在“正午位置”，而是偏向“下午位置”區(qū)域(這也是一天中最熱的時(shí)間是午后1-2點(diǎn)左右的原因)，這使得表面受到太陽熱輻射后溫度分布不對稱導(dǎo)致熱輻射方向不對稱，進(jìn)而對于順行的人造天體或小天體的軌道產(chǎn)生向外推的作用，而對于逆行的目標(biāo)則產(chǎn)生向內(nèi)推的作用。其原理示意圖如下：

▲圖4 Yarkovsky效應(yīng)的原理示意圖。

相對而言，對于低地球軌道的衛(wèi)星，大氣阻力是軌道衰減的主要因素，例如我國的空間站位于約400-450公里的高度，每年需要多次啟動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)來增加軌道速度，從而提升軌道高度；對于地球同步軌道或更高軌道的衛(wèi)星，Yarkovsky效應(yīng)可能比大氣阻力的影響更為重要，特別是對于已失去姿態(tài)控制的衛(wèi)星。

隨著空間碎片數(shù)量的持續(xù)增長，近地空間正面臨越來越多的風(fēng)險(xiǎn)。盡管絕大部分結(jié)構(gòu)將在再入過程中燒毀，但仍存在極少數(shù)碎片因材質(zhì)耐高溫而墜落地面的可能，因此國際空間機(jī)構(gòu)會(huì)定期追蹤這些失控目標(biāo)，以評估其再入風(fēng)險(xiǎn)和可能的墜落區(qū)域。

04

Kosmos 482的墜落：現(xiàn)代空間碎片危機(jī)的縮影

Kosmos 482的墜落事件并不是一個(gè)單一孤立的事件。根據(jù)歐洲航天局的數(shù)據(jù)，定期跟蹤大約36500個(gè)大于10cm的空間碎片。此外，估計(jì)有100萬個(gè)大小在1-10cm范圍的空間碎片，而小于1cm的空間碎片則高達(dá)1.3億個(gè)。這些空間碎片包括失控的探測器，廢棄的火箭部件，碰撞產(chǎn)生的碎片以及其他人造天體的碎片。

幾乎每天都有中等大小的衛(wèi)星和火箭部分墜落地球，而小型的小型空間碎片物體更多。只有很少的碎片會(huì)掉落在地面上，更多的碎片則在大氣中被燃燒殆盡，而不會(huì)對地面造成損害。每年因太空碎片受傷的概率不到1000億分之一。但相比之下，這比一個(gè)人被雷擊的可能性高約65 000倍。但隨著空間探測器的增加，預(yù)計(jì)將來的人造天體墜落的事件會(huì)進(jìn)一步增加，無論是對空間運(yùn)行的探測設(shè)備還是地面的人，其威脅也將進(jìn)一步增加。

▲圖5 空間碎片的分布示意圖，其中有兩個(gè)主要的分布帶：位于上的環(huán)狀帶及位于上的云狀帶。

05

如何應(yīng)對空間碎片的危害？

Kosmos 482的歸來不僅僅是一個(gè)人造天體墜落事件，更是對人類太空活動(dòng)的一次警示。如何確保人類太空活動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。對于類似Kosmos 482的空間碎片，在其重返大氣層前進(jìn)行攔截并控制其墜落區(qū)域的方案難度極高且成本巨大。目前最好的方法是通過天基和地基的觀測設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，盡可能精確預(yù)測期墜落地，必要時(shí)進(jìn)行人員疏散。而對更廣泛的空間碎片的應(yīng)對方法可以分為四類：預(yù)防規(guī)范、規(guī)避機(jī)動(dòng)和清理行動(dòng)。

預(yù)防規(guī)范：通過建立密切的國際合作，對現(xiàn)代航天器的設(shè)計(jì)和火箭發(fā)射階段制定國際統(tǒng)一的規(guī)范指南。現(xiàn)代航天器設(shè)計(jì)融入多項(xiàng)碎片緩解技術(shù)，包括任務(wù)后鈍化系統(tǒng)、自毀機(jī)制、拖曳裝置和末端任務(wù)規(guī)劃。火箭發(fā)射階段同樣采取措施，如優(yōu)化分離系統(tǒng)、上面級再入設(shè)計(jì)和精確軌道投放，共同構(gòu)成了全面的碎片預(yù)防體系，確保太空活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。

規(guī)避機(jī)動(dòng)：現(xiàn)代空間態(tài)勢感知系統(tǒng)是規(guī)避空間碎片的基礎(chǔ)，其由全球分布的雷達(dá)站，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和天基探測器組成的檢測網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤直徑大于10cm的空間碎片，目前三大主要檢測網(wǎng)絡(luò)分別是美國太空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)、歐洲空間態(tài)勢感知系統(tǒng)和俄羅斯太空控制系統(tǒng)。隨著空間環(huán)境日益擁擠，未來的衛(wèi)星需要配備自動(dòng)碰撞規(guī)避系統(tǒng)，能夠獨(dú)立評估撞擊風(fēng)險(xiǎn)并執(zhí)行規(guī)避機(jī)動(dòng)。

清理行動(dòng)：目前正對針對大型失效衛(wèi)星和火箭上的主動(dòng)碎片移除(ADR)技術(shù)正在快速發(fā)展，包括使用機(jī)械臂、網(wǎng)、魚叉或觸手捕獲目標(biāo)的機(jī)械捕獲技術(shù)，利用電磁力吸附或排斥控制目標(biāo)的電磁捕獲方法以及使用地基或天基激光系統(tǒng)對小型碎片施加微小推力改變其軌道的激光消融技術(shù)等。

來源：墨子沙龍

編輯：未

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