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东方红一号仍在太空运行,天宫空间站的机械臂,能带它回家吗?

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综述

我国的航天历史可以追溯到明朝,第一位制作“火箭”想要升天的人叫万户。万户将当时的火药绑在了椅子的四条腿上,然后点燃,试图这样飞上天。但是很不幸,万户的“火箭”发生了爆炸,万户自己落下来摔伤最后去世。这也是人类历史上的第一次“空难”,万户成为了第一个为航天事业献身的人。

后人秉承了万户的遗志,开启了星辰大海计划。1957年10月4日,前苏联发射的斯普特尼克一号顺利进入太空,成为了人类历史上第一颗人造卫星,在飞行了3个多月144天后坠入大气层烧毁。

美国也毫不示弱,在1958年1月31日发射了探险者一号人造卫星,自此,美苏宇宙争霸的序幕拉开。而那个时期一穷二白的我们,也许下了飞向太空的壮志。


苏联第一颗人造卫星

东方红一号

1970年4月24日,我国第一颗人造卫星东方红一号在甘肃酒泉发射升空,我国成为继苏、美、法、日之后,第五个掌握发射人造卫星技术的国家。

东方红一号由长征一号运载火箭送往太空,轨道为椭圆,近地点441千米,远地点2368千米。东方红不仅在我国历史上具有科技意义,它还是我国在艰苦时期不屈不挠的见证。

进入冷战后,美苏正式进入了军备竞赛,地球上能被他们部署的地方全部都已经被攻占,于是他们将目光投向了太空。


东方红一号人造卫星

1957年和1958年苏美相继发射人造卫星,这也让百废待兴的我们看到了新的方向。于是在1958年美国发射卫星后,物理学家钱学森,气象学家竺可桢等联名上书中央,建议我们开展人造卫星计划。

1958年7月-8月间,中国科学院成立“581组”,组织协调卫星和火箭探测任务,组长钱学森,副组长赵九章、卫一清。

自此中国的航天事业拉开了新的篇章。对于东方红一号,我们提出的口号是“上得去、抓得住、听得见、看得见”。


中国人造卫星计划

所谓“上得去”就是使用火箭将卫星送入预定轨道

“抓得住”则表示卫星进入太空后可以被监控装置识别到;

“听得见”是要让东方红一号在太空中播放音乐《东方红》,通过无线电传播回地面,人们通过收音机接收

“看得见”是指要让地上的观测人员肉眼也能看到卫星。

为了实现这四个口号,我国先是用三年的时间解决了固体火箭,用来实现东方红的发射工作。为了捕捉到卫星的动向,建造一批雷达站,采用跟踪测轨的方法。

上海科学仪器厂专门为东方红设计了一款播放装置。东方红采取球体结构,但并非光滑的球面,是由72块反光面板组成,可以反射太阳光,让地面的人们看到其存在。

东方红直径只有1米,重173千克,设计寿命20天实际工作了28天,1970年5月14日,卫星停止发送信号,从此永远留在了太空之中,至今为止,东方红一号依旧在太空的轨道上运行。


东方红一号人造卫星模拟图

太空垃圾

因为美苏的军备竞赛,他们两国一股脑地朝太空中发射卫星,可是那个时候有没有掌握返回技术,除了意外烧毁的,大部分的人造卫星都被留在了太空中。

据统计,自1957年前苏联发射第一颗卫星以来,全球共执行了4000多次发射任务,这里面大部分是美国和苏联实行。

这些发射上去的卫星连同它们产生的碎片布满了地球外层,大约有一亿件,超过4500吨。这些没什么用处的卫星和碎片被统称为“太空垃圾”。严格来说东方红一号也算太空垃圾。


地球周围的太空垃圾越来越多了

太空垃圾对我们地球上的人类来说是潜在的威胁与存在,一些离地较近的太空垃圾有掉落的可能,如果是燃料箱的话,里面有核材料,可能会造成地球污染。

这些太空垃圾受到地球的引力围绕地球运动,速度为每秒7公里,如果它们与正在运行的航天器材相撞,轻则只是损毁,重则会威胁到里面航天员的安危。为此国际空间站还在2014年提升了轨道高度,用来躲避一块气象卫星的碎片。

为了安全,也为了太空环境,人们决定回收这些太空垃圾,然而送上去容易收回来难,面对上亿块太空垃圾,这条清理的路还很长。


太空中越来越多的太空垃圾

回收太空垃圾

人类曾经设想过两种回收太空垃圾的办法。一种叫渔网法,另一种叫鱼叉法。渔网法是意大利太空专家拉瓦尼亚提出来的,他认为围绕地球的太空垃圾是运动的。

我们就将它们想象成大海里的鱼群,模仿渔民们捕鱼的方式将太空垃圾捕入网。首先我们需要一艘航天器飞行到太空垃圾周围。

然后在离它们一定距离的时候从上方将网撒下,最后将附近的垃圾一并打包带走。鱼叉法也是将垃圾们想象成鱼,不过不是鱼群。


“渔网法”捞太空垃圾

而是单个鱼,模拟太平洋原住民们的捕鱼手法,发射“鱼叉”将太空垃圾叉住,并将它们拖回近地轨道,随后进入大气层被焚烧掉。

这个方法比较适合那些大型的太空垃圾,如废弃的人造卫星,不适合体型较小的垃圾,如卫星碎片。以上两种方法目前还处于假设阶段。

猎鹰9号曾搭载过一枚名叫“清除太空碎片”的卫星前往太空,进行渔网法和鱼叉法的试验。目前人们已经投入使用的清理太空垃圾的方法是空间机械臂。


用来捞太空垃圾的“鱼叉”

空间机械臂

空间机械臂一开始是用于辅助航天员工作的机器人,比如宇航员在舱外执行维修任务,机械臂为其传递工具。

加拿大在原有的基础上发明出的“加拿大臂”还具备对接功能,原本是为了空间站能快速抓取运输卫星,取消之前的太空舱之间互相对接的环节,节约时间与工序。

后来在几次执行任务的过程中,人们发现它可以抓取一些空间站附近的废弃卫星,回收太空垃圾。空间机械臂回收太空垃圾具有局限性。

它采取的是对接方式,这意味着回收的必须得是原本就带有对接口的卫星,早期的卫星没有这个功能。此外,不规则的太空飞船碎片机械臂也没办法回收。


空间机械臂

随后设计者们加强了这方面的功能,之后横空出世的加拿大臂2号成功在国际空间站上圆满完成了多次回收任务。

2号是目前世界上最先进的太空机械臂,由动基座系统、空间站遥控机械臂和专用灵巧机械臂组成,重1000多千克,负重可达一个空间站的重量。

我国从2014年开始发展空间机械臂,发展方向为自动对接与人工操作对接相结合,取得了巨大的成功,跟随天宫二号前往太空完成试验任务,并将在我国的天宫空间站上正式投入使用。


空间机械臂协助宇航员完成太空任务

天宫空间站

天宫空间站是中国计划中的一个空间站系统,预计在2022年前后建成,空间站轨道高度为400—450公里,倾角42—43度,设计寿命为10年,长期驻留3人,总重量可达180吨。

空间站有五个组成部分,分别是核心舱、2个实验舱、载人飞船和货运飞船核心舱名叫天和,是空间站的指挥和管理中心,同时也为航天员提供生活和休息的保证。

天宫的核心舱直径4.2米,长度18.1米,重约21吨又细分为节点舱、生活控制舱和资源舱。宇航员们在这里进行必要活动并与地面指挥部交流。


中国天宫空间站

天宫空间站计划建设两个实验舱,一个叫梦天,另一个叫问天。两个实验舱的大小相同,直径与核心舱相同,最大处有4.2米。

但要比核心舱短一点,长度14.4米,重量在20到22吨之间。上面有各种实验装置,用于完成各种太空实验并记录数据,开展太空科研工作。

载人飞船是航天员们到达空间站的乘坐工具,同时也负责将航天员们送回去。天宫具备多个对接口,可同时与多个载人飞船对接。

其目的是为之后开展国际合作项目做准备,届时中国欢迎世界各国的航天员到访天宫空间站。货运飞船命名为天舟,是负责连接天宫与地面物资的桥梁。


中国天宫空间站

天舟用于向空间站运送推进器燃料、宇航员的生活用品、实验舱所需的器材以及一些维修装备,保证空间站的正常运行和宇航员的生活。

天舟的最大直径3.35米,载重极限13吨,由长征七号运载火箭发射。除了这五个最基本的舱室,天宫空间站上还有一根机械臂,北京时间2021年11月7日,机械臂协助我国航天员翟志刚和王亚平完成了太空行走。

天宫机械臂重量只有700公斤,承重25吨,虽然比起加拿大臂2号还有一定距离,但这已经是我国航天机械臂取得的重大进展。


空间机械臂

抓取东方红一号

2020年3月28日,北京天文馆拍下了卫星东方红一号过境北京的轨迹,时隔50年后人们再次与它“见面”,在太空中流浪了半个世纪的东方红一号对于每个中国人来说具有独特且重要的意义。

既然天宫空间站带有机械臂,那么可否请它抓取东方红一号,让卫星回家?然而很遗憾,目前天宫的机械臂无法做到,因为存在几大难点。

首先是东方红一号是老式卫星,它最早期的卫星模样,上面没有接口,机械臂抓取它的难度非常大,如果出现意外机械臂将被损毁,东方一号也将毁坏。

其次,东方红一号正在以每秒7公里的速度围绕地球运行,同时它周围还存在着众多太空垃圾,如果要抓取它就必须驱动天宫行驶到它附近的轨道。


正在组装中的东方红一号

早期太空废弃卫星的位置不太精确,很有可能存在偏差,只要有一点点偏移,天宫都会面临与其他垃圾碰撞的危险。天宫是中国耗巨资建设的空间站,不能拿去冒险。

最后就是,我国在机械臂技术上还有一定差距。加拿大臂2号能够和其他机械臂部分组成像手一样进行抓取的装置,曾经成功抓取过老式人造卫星。而我国国产的机械臂无法做到这一点。

因此,东方红一号还将在太空中继续流浪,等待我们将它“带回家”的那一天。


环绕在地球周围的太空垃圾

结语

卫星回收成本巨大,出于经济效益考虑,将东方红一号带回家的计划很不划算。然而东方红的意义不是金钱能够衡量的,它是我国第一颗人造卫星。

它播放的《东方红》曾让全世界都听到,第一次将中国的声音带去了太空。因此无论花费多少资金,我们也有理由将它收回来。天宫无法带它回家,但并不意味着中国抛弃了东方红一号。

终有一天,我们会平安地抓住流浪的东方红一号,将它安全送回家,它便不再是围绕地球的太空垃圾,而是在博物馆受人瞻仰的功勋,它见证了我国航天事业的艰难起步,也见证了我国想要超越自己的决心。


东方红一号对中国而言意义重大

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