2024年9月8日，构成欧空局Cluster任务的四颗卫星中的第一颗将在南太平洋无人区上空重返地球大气层。这标志着这项历史性任务的结束，距离它被送入太空测量地球磁场环境已经过去了 24 年多。虽然剩余的三颗卫星也将停止科学观测，但利用现有任务数据进行的发现预计还将持续数年。
在近 70 年的太空飞行中，约有 10000 颗完好无损的卫星和火箭机体重返大气层。然而，我们对重返大气层过程中究竟发生了什么仍然缺乏清晰的认识。
现在，一项空中观测实验将试图见证"萨尔萨"（Salsa Cluster 2）重返大气层的过程。搭载在一架小型飞机上的科学家们将试图收集有关卫星如何以及何时解体的罕见数据，这些数据可用于在未来使卫星再入大气层更加安全和可持续。
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欧空局的飞行任务集群由四个相同的航天器组成，在地球上空 19000 至 119000 公里之间编队飞行。它们研究太阳风与地球磁层之间的相互作用，或太阳-地球联系。来源：欧空局
欧空局空间安全主管霍尔格-克拉格（Holger Krag）说："为了保持地球宝贵轨道的清洁，必须在卫星任务结束后迅速将其移出轨道，从而防止出现更多的空间碎片。重返大气层科学是这些工作的重要组成部分。星簇的再入可以帮助我们了解如何设计和运行卫星，以便将来可以方便、安全和可持续地处置这些卫星"。
Cluster提供了一个独特的机会，因为它有四颗完全相同的卫星。从"Salsa"号开始，每颗卫星都将在略有不同的环境和角度下重返大气层，实现科学家的梦想：可重复的实验。
欧空局空间碎片办公室空间碎片分析师 Stijn Lemmens 说："我们将与 Astros Solutions 公司的合作伙伴一起，派出一架飞机从空中对 Salsa 的重返大气层进行实时观测，以观察卫星的等级和重返大气层的条件，这在以前是从未有过的。"
"我们可以在地面上进行测试，我们也有虚拟建模，但我们还需要在重返大气层的现场进行实景观测，以全面了解情况。从飞机上进行观测实验是一种令人兴奋的新可能性，我们可以借此收集数据并获得对建模的信心，从而为新任务提供支持"。
欧空局Cluster任务飞行控制小组在欧空局 ESOC 任务运行中心的星簇控制室内。团队由比阿特丽斯-阿瓦斯卡尔（Beatriz Abascal，图中前排）领导，由星团飞船运行经理布鲁诺-索萨（Bruno Sousa，图中后排）负责。在探索太阳和地球之间相互作用的轨道上运行了 24 年之后，老资格的星团任务即将结束。星簇四颗卫星中的第一颗卫星"Salsa"将于2024年9月重返地球大气层。今年 1 月，操作团队进行了一系列操作，以确保这次重返将在南太平洋一个人烟稀少的地区上空进行。图片来源：欧空局
早在 2024 年 1 月，运营商就已将 Salsa 定位为 2024 年 9 月 8 日地球上最偏远地区之一的特定地理位置。
Cluster运行经理布鲁诺-索萨解释说："轨道以 12 年为一个周期，先是非常接近地球，然后又非常远离地球。Salsa号今年自然而然地向南半球靠近，我们知道这将导致它被大气层捕获。2024年1月，我们对它的轨迹进行了小幅调整，当时我们操纵它瞄准了南太平洋的一个特定区域，该区域尽可能远离人口稠密地区。"
虽然大部分航天器将在不到一分钟的时间内解体，但仍有少数部件可能幸存下来。以重返大气层时的开阔水域为目标，大大减少了碎片可能坠落的陆地面积，使重返大气层尽可能安全。
信息图描述了四颗 Cluster 卫星中的第一颗重返大气层 图源：ESA
协调空中观测
研究小组需要一个固定的时间和地点来准备空中观测实验。受控重返大气层将使这一切变得轻而易举，但"Cluster"号的设计并不具备这种能力。
Cluster卫星的高度偏心轨道确实允许"定点重返"。它的高度偏心轨道意味着，由于太阳和月球的引力影响，Salsa 在轨道与轨道之间距离地球最近的地方（近地点）的高度会有很大的下降。在Salsa的最后一个轨道上出现这种情况绝非巧合。
一个轨道与下一个轨道之间的高度落差超过 30 千米，这意味着研究小组可以精确地确定 Salsa 将进入的轨道，它将在 80 千米左右的低空越过卫星开始燃烧的临界点。因此，他们知道它将在 9 月 8 日再入并烧毁。
Stijn说："正是因为重返大气层的时间和位置具有可预测性，我们才可以在飞机上安装科学仪器，并尽可能安全地在近距离观察重返大气层的情况。不过，还有一个未知数：随着我们越飞越低，大气密度也会越来越大。因此，在接下来的几周里，地面站将继续监听Salsa号，希望它能一直发送遥测数据。天文望远镜也在跟踪飞船，因为如果出现与预测轨迹的微小偏差，可能会对从复活节岛出发的飞行计划产生重要影响。"
地球地图，上面叠加了一条彩线，显示了 2024 年 9 月 8 日星团在地球表面的运行轨迹。这条线的终点是智利以西的南太平洋。图片来源：欧空局
由于地处偏远，在所选地点开展机载实验观测活动并非易事。
"机载观测任务'ROSIE-Salsa'是斯图加特大学（IRS/HEFDiG）、布拉迪斯拉发夸美纽斯大学（CUB）、南昆士兰大学（UniSQ）的学术合作伙伴以及哥廷根超音速技术公司（HTG）和Astros Solutions的工业合作伙伴与欧空局密切合作的成果，"Astros Solutions首席执行官Jiří Silha说。"这是一项极具挑战性的任务，因为再入事件具有不可预测性，这使得再入破裂预测以及规划飞机定位以实现最佳观测的要求非常高。不过，我们的团队由科学和技术准备两方面的专家组成，能力出众，他们将确保一旦看到天体，我们就能获得所需的所有相关科学数据。"
飞机将在澳大利亚安装科学仪器，然后进行试飞，以检查是否一切准备就绪，可以进行大的活动。然后，小组将前往复活节岛，在那里建立通信联络，等待时机飞出，与萨尔萨会合。
飞机上将有来自 IRS/HEFDiG 的科学负责人、来自 UniSQ 的任务负责人以及来自 CUB 和 Astros Solutions 的任务参与者，他们希望能够现场捕捉重返大气层的过程。HTG 支持对数据进行科学分析和建模，并支持为飞机制定精确的飞行计划。
飞机的每个窗口都将有照相机和光谱仪探出头来。总之，20 多台科学仪器将寻找爆炸的痕迹，追踪碎片并记录尽可能多的细节。
日间重返社会的挑战
由于重返大气层是在白天进行的，因此在明亮的天空背景下比在夜间更难发现重返大气层。这缩短了科学家们调整仪器的时间。这也使一些仪器的工作变得更加复杂，它们必须快速过滤掉它们试图捕捉的信号中的太阳辐射。
在确认观察是否成功之前，等待将是紧张的。由于飞机上的连通性有限，而且位置极其偏僻，这可能需要几分钟甚至几小时。
弗劳恩霍夫 FHR 的空间观测雷达 TIRA 获取的 Aeolus 作为空间碎片的短暂阶段的最终图像。(请注意，颜色代表的是雷达回波强度，而不是温度。
重返大气层科学和减少碎片的未来
派遣一架飞机从空中实时观测再入大气层的机会非常难得，有望获得大量有关卫星如何以及何时解体的数据。
Cluster的重返是继欧空局的Aeolus和ERS-2地球观测任务之后进行的。欧空局正在开创一个负责任的先例，通过其"零碎片"方法减少日益严重的空间碎片和不受控制的重返问题，承诺到2030年停止制造空间碎片。
在2024年11月底之前，欧空局操作人员将操纵剩下的三颗星簇卫星，使它们在南太平洋上空类似的偏远位置重新进入。伦巴"（星团 1）将于 2025 年 11 月降落，"桑巴"（星团 3）和"探戈"（星团 4）将于 2026 年 8 月降落。
"除了四颗卫星的重返任务外，我们还期待着欧空局令人兴奋的DRACO 任务。"欧空局空间碎片办公室主任蒂姆-弗洛勒（Tim Flohrer）说："通过 DRACO，我们希望获得卫星的遥测数据，记录卫星在重返大气层过程中的内部情况。DRACO将是一次主动控制的卫星重返，卫星上装有一个'黑匣子'，它将提供遥测数据供我们学习。如果一切顺利，我们希望将来能对这些重返活动进行类似的空中观测。
编译自/ScitechDaily