退役的航天器有哪些归宿，太空为什么不能乱丢“垃圾”……
专访西安交通大学航天航空学院郎安琪副教授解锁航天奥秘
追逐宇宙闪光的太空“雨燕”谢幕了！
这颗探测器造价5亿美元，重1.5吨，主体接近一台小型家用冰箱。它服役将近22年，远超两年设计寿命，见证了无数场宇宙最猛烈的爆发。它身上藏着一连串好玩的谜题：凭什么可以在太空“超长待机”？冲进大气层时为何燃起烈火？工作时又用到了哪些课本上的物理知识？下面，就让我们跟着西安交通大学航天航空学院郎安琪副教授，一一揭开谜底。
新闻背景
结束近22年科学观测任务
美“雨燕”天文台重返大气层
在结束近22年的科学观测任务后，当地时间11月4日，美国国家航空航天局的尼尔.格雷尔斯.斯威夫特(又称“雨燕”)天文台(探测器)按预期脱离轨道，在印度尼西亚上空重返地球大气层并燃烧解体。
美国太空军确认，“雨燕”天文台于美国东部时间当天7时39分，以约22倍音速进入印度尼西亚北苏门答腊省上空的大气层。美国国家航空航天局表示，预计天文台大部分结构在重返大气层过程中烧毁，可能有少量碎片落至地面。
“雨燕”天文台于2004年发射升空，主要任务是观测宇宙中的伽马射线暴，其最初设计的主要任务期限为两年，目前已服役近22年。
专家答疑
1
设计寿命2年，却工作近22年，“雨燕”凭什么“超长待机”？
“雨燕”本来只计划在天上工作两年，没想到它一口气坚持了将近22年，妥妥实现超长待机！
你可能会认为，设计寿命一到，卫星、探测器等“太空人”就得准时“退休”，其实不是这样的。设计寿命只是工程师预估的预期工作时间，就像家里的小汽车，厂家给出预估使用时长，只要零件完好、保养用心，它就能跑得更久。
在打造这只太空“雨燕”的时候，工程师们提前预判了太空里各种各样的难题：电子元件（881270）能不能稳稳运转，太阳能板能不能持续收集太阳光发电，剧烈的冷热变化会不会损伤仪器，还要保证它一直保持正确的飞行姿势，不会在宇宙里歪歪扭扭地打转。
飞上太空之后，地球上的科研工作人员也一直细心照看它。时刻监测它的状态，一旦发现小状况就及时调整，还会根据它的“身体”情况灵活安排工作。只要核心仪器还能正常运转，它就可以继续留下来探索浩瀚宇宙。
不过，太空可不是温柔的地方！看不见的宇宙辐射、忽冷忽热的极端环境，都会慢慢让机器老化。“雨燕”能够在太空坚守这么久，离不开靠谱巧妙的设计、结实耐用的零部件，还有地面工作人员长年累月细心的守护。
2
“雨燕”一直在寻找的伽马射线暴，到底是怎样剧烈的爆炸现象？
宇宙深处藏着一种特别震撼的“超级闪光”，它就是伽马射线暴！它不是打雷时的闪电，也不是夜空绽放的烟花，而是全宇宙最猛烈的高能爆发。这种爆发有多夸张？短短几秒里吐出来的能量，可能抵得上太阳一辈子释放的总和。而且来得急、散得快，有的只亮几秒。想看见它们，等于要在黑夜里逮住一道闪光。
这种闪光出现在很远很远的星系里，同时释放出的巨大能量大部分都化作伽马射线向外飞奔。伽马射线是电磁波家族里能量超高的一员，比光、紫外线还有X射线能量都要强。可惜我们的眼睛看不到它，只能靠科学家专门制造的探测器，才能抓住这转瞬即逝的信号。
科学家把伽马射线暴分成两种，一般用两秒钟来区分。持续发光超过两秒的叫长暴，大多是巨型恒星走到生命终点时产生的。当一颗很重很重的恒星快要“谢幕”，它的核心会猛地向内塌缩，变成黑洞这类密度超大的天体，同时喷出几乎和光速一样快的高能物质，耀眼的伽马射线暴就这样诞生了。
如果闪光持续不到两秒，那就是短暴。它常常来自一场宇宙大碰撞：两颗中子星被引力慢慢拉到一起，最后狠狠撞成一团，这场惊心动魄的合并，就有可能点亮一次短伽马射线暴。
尽管这些爆炸远在亿万光年之外，却对科学家特别重要。观察它们，我们就能慢慢解开谜题：大恒星会怎样走完一生，黑洞和中子星又是怎么诞生的，读懂宇宙里那些神奇又极端的物理秘密。
3
“雨燕”返回大气层，科学家怎样预判它坠落的区域？
“雨燕”不像载人飞船那样，能被稳稳操控着落到指定地点，为什么科学家能猜出它大概会在哪里冲进大气层呢？
其实“雨燕”这次属于无控再入：随着轨道慢慢往下掉，顺着自然轨迹扎进大气层，最后在烈火中解体。
早在之前，科学家就发现“雨燕”的轨道已经降到大约275公里。轨道环境越来越差，它很难再对准目标观测，于是地面团队决定，让它结束自己的科研工作。工作人员一边用雷达持续追踪，一边把引力、大气厚薄、太阳活动还有卫星轨道信息，放进专门的轨道模型里推算。越靠近坠落时刻，拿到的数据越多，预测范围也就越精准。
不过大气就像调皮的小精灵，密度一直在变，很难完全算准。再加上卫星冲进大气之后还会碎开，这些不确定因素，让科学家只能锁定一片大致区域，没办法精准说出每一小块碎片最终会掉在哪里。
4
退役的航天器都要返回地球销毁吗？
并不是所有退休的航天器，都一定要回到地球，在大气层里“烧掉”。航天器干完活之后，有好几种归宿。
如果卫星在离地球比较近的低轨道，人们常常会开动它的推进器，把轨道压低，让它一头扎进大气层，在高温中燃烧解体，碎片落到安全区域附近。
那些待在地球同步轨道上的卫星就不一样啦。要是让它们飞回地球，要消耗特别多燃料，所以科学家会把它们推到同步轨道上方一条专门的“墓地轨道”，让它们安安静静待在那里，不挤占其他正在上班的卫星的位置。
还有飞向遥远太空的深空探测器，任务结束之后，会被送到绕着太阳转或者别的安全轨道，远离繁忙的航天路线，不给别的航天器添麻烦。
这次的“雨燕”并没有启动引擎主动离开轨道。地面的科学家只能一直盯着它，看着它慢慢因为轨道衰减往下掉，推算它冲进大气层的时间和大致位置。其实曾经还有一个很酷的计划：一家航天公司造出了名叫LINK的太空机器人，打算飞到“雨燕”身边抓住它，帮它抬高轨道，让它能继续工作。可惜这场太空救援计划在今年8月宣告失败。
5
太空残骸会砸到我们吗？会不会给地面带来危险？
太空残骸会不会砸到地球上的我们呢？其实有一点点风险，不过总的来说，危险并不大！
当航天器一头扎进大气层，高速摩擦会产生超高温度，大部分部件都会被烧化，甚至直接变成气体消失。可是还有一些特别结实、不容易熔化的零件，比如钛合金构件、密封容器还有发动机零件，扛得住烈火的考验，有可能躲过燃烧，最后落到地面上。
所以科学家在最开始设计卫星的时候，就早早想好它退休之后怎么安排，认真估算会剩下多少碎片、大概会掉到哪里，想尽办法保护地面上的人们。
6
太空为什么不能乱丢“垃圾”？
太空可不是随便扔垃圾的大仓库！就算卫星坏掉、停止工作，它也不会乖乖停在原地，依旧会以每秒好几千米的速度绕着地球飞奔。这就好比一辆熄了火的汽车，还在高速路上往前滑，随时有撞上别的车子的危险。
报废卫星一旦撞上正在认真干活的卫星，导航、天气预报、电视通信这些服务都有可能受到影响。更可怕的是，碰撞会炸出许许多多细碎的金属碎片。哪怕只是小小的一块，在太空超快的速度加持下，威力堪比子弹，能把别的航天器撞坏。碎片再去撞击其他卫星，又会诞生更多碎片，恶性循环，让近地轨道变得越来越危险。
还有一些卫星，身上带着燃料和电池。就算已经停工，如果没有妥善安置，也有可能突然爆炸，变出更多太空垃圾。
7
是什么力量让“雨燕”冲进大气层时产生极高温度，把自身烧毁？
很多人以为，卫星冲进大气时烧得通红，单纯是飞快飞行蹭热的，其实这个说法不全对！真正制造高温的主力，是被狠狠压紧的空气。
当“雨燕”以每秒好几千米的速度扎进大气层，它前面的空气根本来不及向两边躲开，一下子被狠狠挤压，形成一道特殊的“冲击波”，也就是科学家说的激波。空气被猛烈压缩之后，温度会猛地飙升，里面的气体分子甚至会被拆解开、带上电。这团滚烫的热气，再通过辐射、传热，把巨大的热量传给卫星表面。
大家可以想象一下：快速挤压一团海绵，就能明显感受到发热，这个道理是相通的，只是太空归来的卫星，这个过程要猛烈上万倍。
载人飞船都配有专门的隔热外衣，有的隔热层会一点点熔化、汽化，带走热量，保护里面的宇航员。可“雨燕”从一开始就没打算平安返回地球，没有这套厉害的防热装备。所以在滚烫气流的烘烤下，它身上大部分结构很快熔化、化作气体，四分五裂。
8
“雨燕”的速度达到22倍音速，中小学生在课本里能不能找到对应的原理？
“雨燕”飞行速度足足有22倍音速！声音每秒大约跑340米，算下来，“雨燕”一秒就能飞出7.5千米，一小时狂奔大约2.7万千米。对比一下，如果小汽车以每小时100千米在路上跑，“雨燕”的速度差不多是它的270倍。按这个速度，短短一分钟，它就能飞出大约450千米，跨越好一座城市！
大家也许会好奇，它飞得这么快，为什么不会像扔出去的石头那样一下子砸向地面？这就是课本里就能学到的引力与运动的小秘密。地球的引力一直拉着卫星，卫星其实时时刻刻都在朝着地球“往下掉”。可它同时拥有飞快的水平速度，一直向前冲刺，而地球又是圆圆的、地表不断弯曲。于是奇妙的事情发生了：它怎么都碰不到地面，只能一圈一圈沿着轨道绕着地球飞，就像用力水平扔出小球，速度足够快的时候，小球就会永远绕着地球转圈。
“雨燕”还有一项独门绝技：一旦捕捉到伽马射线暴的信号，它可以飞快调转镜头，生怕错过这一闪而过的宇宙闪光。很多人以为它靠喷气推进器扭头，其实它快速转向的主力，是名叫反作用轮的神奇飞轮。
咱们可以想象一个小游戏（881275）：如果坐在一把能自由旋转的椅子上，手里举着一个正在转的轮子。只要改变轮子转动的快慢或者方向，你的身体就会朝着相反方向转起来。“雨燕”身体里面装了好几个这样的飞轮，通过调节飞轮的转速和转向，卫星就能悄悄转动身子，把望远镜对准目标。这个魔法背后，就是大名鼎鼎的角动量守恒：在没有外力扭动它的时候，整套系统总的转动量不会改变，内部飞轮一转，卫星本体就跟着反向转动。
想要顺利转头，它还得清楚自己此刻面朝何方。星敏感器、陀螺仪就是它的“方向感器官”，帮它时时刻刻确认自己的朝向。
所以，快速扭头捕捉闪光，是轨道运动、角动量守恒、姿态测量和自动控制一起配合完成的。这些知识离我们并不遥远，重力、速度、力和运动，都是中小学物理课本里的内容；角动量、姿态控制，则是以后深入学习物理和航天时会遇见的有趣知识。
9
“雨燕”近22年间观测了大量伽马射线暴，这些遥远宇宙深处的爆炸，对普通人有什么意义？
天文学可不只是用来看热闹的，它能帮我们看懂浩瀚的宇宙。伽马射线暴是宇宙里最极端的“大爆炸”。观察长暴，我们能看清大质量恒星走到终点时会发生什么；追踪短暴，可以了解中子星和黑洞怎样靠近、碰撞、合并。科学家还有一个超酷的发现：有些中子星相撞的时候，不但会掀起伽马射线暴，还会发出引力波。2017年那场有名的中子星并合事件，科学家就同时捕捉到了引力波和光信号，好比用好几个不同的眼睛，一起观看同一场宇宙大戏，看得更加清楚明白。
更奇妙的是，我们身体里好多元素，都是在恒星诞生、死亡，或是致密天体相撞的时候制造出来，再撒向宇宙各处的。研究这些剧烈爆发，其实就是在寻找“我们是由什么材料做成的”这个问题的答案。
对于青少年来说，这些遥远的观测还有特别的鼓励作用。它能让我们亲眼看见科学探索完整的样子：一颗卫星的背后，藏着物理、数学、计算机、材料、电子工程许多学科。科学家不断提出猜想、造出探测设备、收集信号、分析数据，再用新的观测去验证想法，一点点揭开未知。现在课堂上学到的数学、物理，都有可能在将来变成探索宇宙、打造航天器的钥匙，帮助我们继续奔赴星辰大海。华商报大风新闻记者任婷
专家简介
郎安琪，西安交通大学航天航空学院副教授。长期从事深空探测器轨道设计与优化、不规则小天体附近轨道动力学与控制及近地空间态势感知研究，并探索人工智能（885728）在卫星动力学与控制中的应用等。积极推动航天与天文科普，围绕地月空间DRO三星星座、“天舟九号”发射中的“太空水母”现象、“天问二号”小行星探测任务及“红月闹元宵”等开展多场科普传播。
