日本宇宙航空研究开发机构近日称，其X射线天文卫星ASTRO-E2于2025年1月5日晚在南太平洋上空再入大气层。这颗卫星因为老化，于2015年8月就结束了科学观测，却时隔近10年才重返大气层，这不禁让人好奇：卫星结束使命后，为何有些很快回家，有些却要在轨道上“徘徊”许久？
“回家”方式各不同
卫星完成任务后，常见的离轨方式主要有3种：受控离轨、自然离轨和弃置轨道离轨。
受控离轨是一种较为精确且安全的方式。在这种方式下，地面控制人员会通过向卫星发送指令，调整其轨道参数，使卫星逐渐降低高度，最终进入大气层烧毁。这种方式的优点在于可以精确控制卫星再入大气层的时间和地点，从而最大程度地减少对地面人员和设施的潜在威胁。
自然离轨是依靠自然因素让卫星逐渐脱离轨道。地球的高层大气虽然极为稀薄，但仍然存在一定阻力。对于一些低轨道卫星来说，随着时间的推移，这种微弱的阻力会逐渐消耗卫星的动能，使其轨道高度慢慢降低，最终进入大气层。不过，这种方式的时间跨度极难预测，受多种因素的影响，包括卫星的初始轨道高度、大气密度的变化（而大气密度又与太阳活动等因素相关）以及卫星自身的形状和质量分布等。
弃置轨道离轨则是将卫星转移到一条远离地球正常运行轨道的“墓地轨道”。这种方式更适用于在较高轨道上运行的卫星，比如地球同步轨道卫星。这些卫星与地球相距约36000公里，如果直接让它们自然离轨，可能需要数百年甚至上千年的时间，其间还可能对其他正常运行的卫星构成威胁。所以，在卫星寿命结束时，地面控制人员会启动卫星推进系统，将其推送到比原轨道更高、更偏远的弃置轨道，让其在那里“安静地沉睡”。
谁在影响“回家”速度？
那么，为何有些卫星结束任务后不久就重返大气层，而有些却要飞行10年甚至数十年才再入大气层呢？
首先，卫星的轨道高度是一个关键因素。低轨道卫星受到的大气阻力相对较大，即使没有主动的离轨操作，也会在较短时间内因大气阻力的影响而逐渐降低轨道高度，最终进入大气层。以国际空间站为例，它运行在距离地球约400公里的低轨道上，由于大气阻力的作用，它需要定期进行轨道抬升。而像ASTRO-E2这样的卫星，在结束任务时可能处于较高轨道，大气阻力对其影响较小，因此需要更长的时间才能自然离轨。
其次，卫星自身的质量和结构也会产生影响。质量较小、结构较为轻薄的卫星，受大气阻力的影响相对更明显，在相同轨道高度下，会比质量大、结构坚固的卫星更快地降低轨道高度。此外，卫星的形状也会影响其受到的大气阻力大小，形状不规则的卫星受到的阻力可能更大。
第三，卫星的任务性质和设计寿命与离轨时间有关。一些卫星在设计时就考虑到快速离轨的需求，例如一些搭载实验设备的小型卫星，在完成实验任务后，为避免对其他卫星造成干扰，会尽快进行受控离轨。而对于一些设计寿命较长、功能复杂的大型卫星，如通信卫星、天文观测卫星等，它们在设计时更注重任务期间的稳定性和性能，对于离轨的时间安排相对较为灵活，只要在一定的安全期限内离轨即可，这就导致它们在结束任务后可能会在轨停留较长时间。
第四，太阳活动等外部因素也不容忽视。太阳活动的强弱会影响地球高层大气的密度。当太阳活动剧烈时，地球高层大气升温膨胀，密度增加，从而加大对卫星的大气阻力。在这种情况下，即使是高轨道卫星，其轨道高度也可能会更快地下降。
卫星“退休”后的离轨过程是一个复杂而又充满科学考量的过程。随着人类航天活动的日益频繁，如何更加科学、安全、高效地处理卫星的离轨问题，成为航天领域不断探索和研究的重要课题。
来源/《中国航天报飞天科普周刊》，原标题《“退休”卫星“回家”：有些“归心似箭”，有些却……》
文/费智婷
本文转载自公众微信号：中国航天报
