2024年9月8日，構成歐空局Cluster任務的四顆衛星中的第一顆將在南太平洋無人區上空重返地球大氣層。這標誌著這項歷史性任務的結束，距離它被送入太空測量地球磁場環境已經過了24 年多。雖然剩餘的三顆衛星也將停止科學觀測，但利用現有任務數據進行的發現預計將持續數年。

在近70 年的太空飛行中，約有10,000 顆完好無損的衛星和火箭機體重返大氣層。然而，我們對重返大氣層過程中究竟發生了什麼事仍然缺乏清晰的認識。

現在，一項空中觀測實驗將試圖見證”薩爾薩”（Salsa Cluster 2）重返大氣層的過程。搭載在小型飛機上的科學家將試圖收集有關衛星如何以及何時解體的罕見數據，這些數據可用於在未來使衛星再入大氣層更加安全和可持續。

Salsa’s Spectacular Reentry: Watching a Satellite Fall From Space Live

歐空局的飛行任務集群由四個相同的太空船組成，在地球上空19,000 至119,000 公里之間編隊飛行。它們研究太陽風與地球磁層之間的相互作用，或太陽-地球連結。來源：歐空局

歐空局太空安全主管霍爾格-克拉格（Holger Krag）說：「為了保持地球寶貴軌道的清潔，必須在衛星任務結束後迅速將其移出軌道，從而防止出現更多的太空碎片。大氣層科學是這些工作的重要組成部分。

Cluster提供了一個獨特的機會，因為它有四顆完全相同的衛星。從”Salsa”號開始，每顆衛星都將在略有不同的環境和角度下重返大氣層，實現科學家的夢想：可重複的實驗。

歐空局太空碎片辦公室空間碎片分析師Stijn Lemmens 說：”我們將與Astros Solutions 公司的合作夥伴一起，派出一架飛機從空中對Salsa 的重返大氣層進行實時觀測，以觀察衛星的等級和重返大氣層的條件，這在以前是從未有過的。

“我們可以在地面上進行測試，我們也有虛擬建模，但我們還需要在重返大氣層的現場進行實地考察，以全面了解情況。從飛機上進行觀測實驗是一種令人興奮的新可能性，我們可以藉此收集資料並獲得對建模的信心，從而為新任務提供支援”。

歐空局Cluster任務飛行控制小組在歐空局ESOC 任務運作中心的星簇控制室內。團隊由比阿特麗斯-阿瓦斯卡爾（Beatriz Abascal，圖中前排）領導，由星團太空船運行經理布魯諾-索薩（Bruno Sousa，圖中後排）負責。在探索太陽和地球之間相互作用的軌道上運行了24 年之後，老資格的星團任務即將結束。星簇四顆衛星中的第一顆衛星”Salsa”將於2024年9月重返地球大氣層。今年1 月，操作團隊進行了一系列操作，以確保這次重返將在南太平洋一個人煙稀少的地區上空進行。圖片來源：歐空局

早在2024 年1 月，營運商就已將Salsa 定位為2024 年9 月8 日地球上最偏遠地區之一的特定地理位置。

Cluster運行經理布魯諾-索薩解釋說：”軌道以12 年為一個週期，先是非常接近地球，然後又非常遠離地球。Salsa號今年自然而然地向南半球靠近，我們知道這將導致它被大氣層捕獲。2024年1月，我們對它的軌跡進行了小幅調整，當時我們操縱它瞄準了南太平洋的一個特定區域，該區域盡可能遠離人口稠密地區。

雖然大部分太空船將在不到一分鐘的時間內解體，但仍有少數零件可能倖存下來。以重返大氣層時的開闊水域為目標，大大減少了碎片可能墜落的陸地面積，使重返大氣層盡可能安全。

資訊圖表描述了四顆Cluster 衛星中的第一顆重返大氣層圖源：ESA

協調空中觀測

研究小組需要一個固定的時間和地點來準備空中觀測實驗。受控重返大氣層將使這一切變得輕而易舉，但”Cluster”號的設計並不具備這種能力。

Cluster衛星的高度偏心軌道確實允許”定點重返”。它的高度偏心軌道意味著，由於太陽和月球的引力影響，Salsa 在軌道與軌道之間距離地球最近的地方（近地點）的高度會有很大的下降。在Salsa的最後一個軌道上出現這種情況絕非巧合。

一個軌道與下一個軌道之間的高度落差超過30 千米，這意味著研究小組可以精確地確定Salsa 將進入的軌道，它將在80 千米左右的低空越過衛星開始燃燒的臨界點。因此，他們知道它將在9 月8 日再入並燒毀。

Stijn說：『正是因為重返大氣層的時間和位置具有可預測性，我們才可以在飛機上安裝科學儀器，並儘可能安全地在近距離觀察重返大氣層的情況。不過，還有一個未知數：隨著我們越飛越低，大氣密度也會越來越大。因為如果出現與預測軌蹟的微小偏差，可能會對從復活節島出發的飛行計劃產生重要影響。

地球地圖，上面疊加了一條彩線，顯示了2024 年9 月8 日星團在地球表面的運行軌跡。這條線的終點是智利以西的南太平洋。圖片來源：歐空局

由於地處偏遠，在所選地點進行機載實驗觀測活動並非易事。

“機載觀測任務’ROSIE-Salsa’是斯圖加特大學（IRS/HEFDiG）、布拉迪斯拉發誇美紐斯大學（CUB）、南昆士蘭大學（UniSQ）的學術合作夥伴、哥廷根超音速技術公司（HTG）和Astros Solutions的工業合作夥伴與歐空局密切合作的成果，”Astros Solutions執行長Jiří Silha說。 “這是一項極具挑戰性的任務，因為再入事件具有不可預測性，這使得再入破裂預測以及規劃飛機定位以實現最佳觀測的要求非常高。不過，我們的團隊由科學和技術準備兩方面的專家組成，能力出眾，他們將確保一旦看到天體，我們就能獲得所需的所有相關科學數據。

飛機將在澳洲安裝科學儀器，然後進行試飛，以檢查是否一切準備就緒，可以進行大型的活動。然後，小組將前往復活節島，在那裡建立通信聯絡，等待時機飛出，與薩爾薩會合。

飛機上將有來自IRS/HEFDiG 的科學負責人、來自UniSQ 的任務負責人以及來自CUB 和Astros Solutions 的任務參與者，他們希望能夠現場捕捉重返大氣層的過程。 HTG 支援對數據進行科學分析和建模，並支援為飛機制定精確的飛行計劃。

飛機的每個窗口都將有照相機和光譜儀探出頭來。總之，20 多台科學儀器將尋找爆炸的痕跡，追蹤碎片並記錄盡可能多的細節。

日間重返社會的挑戰

由於重返大氣層是在白天進行的，因此在明亮的天空背景下比在夜間更難發現重返大氣層。這縮短了科學家調整儀器的時間。這也使一些儀器的工作變得更加複雜，它們必須快速過濾掉它們試圖捕捉的訊號中的太陽輻射。

在確認觀察是否成功之前，等待將是緊張的。由於飛機上的連通性有限，而且位置極其偏僻，這可能需要幾分鐘甚至幾小時。

弗勞恩霍夫FHR 的太空觀測雷達TIRA 所獲得的Aeolus 作為太空碎片的短暫階段的最終影像。 (請注意，顏色代表的是雷達回波強度，而不是溫度。

重返大氣層科學和減少碎片的未來

派遣一架飛機從空中即時觀測再入大氣層的機會非常難得，有望獲得大量有關衛星如何以及何時解體的數據。

Cluster的重返是繼歐空局的Aeolus和ERS-2地球觀測任務之後進行的。歐空局正在開創一個負責任的先例，透過其”零碎片”方法減少日益嚴重的空間碎片和不受控制的重返問題，承諾到2030年停止製造空間碎片。

在2024年11月底之前，歐空局操作人員將操縱剩下的三顆星簇衛星，使它們在南太平洋上空類似的偏遠位置重新進入。倫巴”（星團1）將於2025 年11 月降落，”桑巴”（星團3）和”探戈”（星團4）將於2026 年8 月降落。

「除了四顆衛星的重返任務外，我們還期待著歐空局令人興奮的DRACO 任務。」歐空局空間碎片辦公室主任蒂姆-弗洛勒（Tim Flohrer）說：”透過DRACO，我們希望獲得衛星的遙測數據，記錄衛星在重返大氣層過程中的內部情況。 ，我們希望將來能對這些重返活動進行類似的空中觀測。

編譯自/ ScitechDaily