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2022 01/ 20 08:11:06
來源:光明日報

太空碰撞,危險如何規避?

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  曾經,太空碎片碰撞還是科幻電影中的橋段。現在,這種危險真實存在了——2021年7月和10月,美國太空探索技術公司發射的星鏈衛星先後兩次接近中國空間站,導致中國空間站採取緊急避碰措施。而這,並不是個案。太空如此廣袤,為何也會出現這種情況?衛星不能隨便“飛”嗎?太空“交通規則”該如何建立?

  碰撞的根源

  太空雖然廣袤,但自然法則無法違逆,空間物體近距離交會無法避免

  人類在從地心説到銀河係的認識過程中,發現天體普遍具有自轉的特徵,牛頓無法解釋其産生的原因,于是説可能是“上帝之手推了它一把”。根據高中物理所學的“萬有引力”定律,地球軌道上的空間物體,在地心引力作用下在各自的圓或橢圓軌道上運行。在沒有外部幹擾力時,在軌空間物體的軌道是不會發生變化的,更不會發生碰撞。

  如今我們已經明白,地球並非正球形天體,赤道半徑比極地半徑約長21公裏,且赤道面也存在輕微隆起。可以將地球形象地比作被壓扁的籃球,並在赤道對稱位置粘貼上兩塊“泥巴”。這兩塊“泥巴”正是同步軌道衛星會産生東西方向漂移的奧秘之一,同步軌道衛星需要定期耗費一定燃料“抵禦”幹擾,進行軌道位置保持。由于攜帶燃料有限,所以存在軌道壽命的制約。

  但是,沒有“但是”——在地球非球形、海洋潮汐、大氣阻尼、日月等天體的作用下,繞地球運行的空間物體軌道始終處于緩慢變化之中。根據幹擾力的性質不同,軌道變化分為周期性變化和長期變化。軌道緩慢變化,高度相近的空間物體存在近似周期性的接近,稱之為“近距離交會事件”。

  事物總具有兩面性,既對立又統一。正如地球扁率攝動加以利用,可設計出太陽同步軌道,便于遙感等衛星獲取相同光照條件下的圖像。與此同時,幹擾力的存在給精確預報軌道帶來困難和挑戰。尤其是在太陽活動的擾動下,難以準確預計低地球軌道上的大氣密度環境,導致空間碎片預警工作中的虛警和漏警問題。所謂“虛警”,即高估了兩空間物體的交會風險,引發不必要的避碰工作,既浪費航天器寶貴的燃料,又影響正常的衛星觀測任務等工作開展。“漏警”指低估了空間物體的交會風險,使航天器或航天員處于極度危險之中。

  空間碎片現狀

  太空已經變得很擁擠,廣袤的空間一去不復返,碰撞後果不堪設想

  機構間空間碎片協調委員會(IADC)關于空間碎片的定義是:人類航天活動産生的、在軌無效的空間物體。自1957年10月4日人類將第一顆人造衛星Sputnik-1送入太空,時至今日,已記錄的航天發射為5775次,共計將12803顆航天器送入太空。

  據美國空間監視網公布數據,截至2021年12月,編目的空間物體為50454顆,目前仍然在軌的數量為24687顆。在這5萬顆空間物體中,近4萬顆源自碰撞、爆炸等在軌解體事件。1977年美國航空航天局約翰遜航天中心科學家凱瑟勒等人預計,人類活動産生的空間碎片很快會對低地球軌道衛星産生巨大的威脅。深入研究後,凱瑟勒在1990年發表了《碰撞級聯效應:低地球軌道碎片數量極限》一文,講述空間碎片的快速增長,終將産生碎片間的級聯碰撞,廣袤的空間將一去不復返……

  不斷增長的空間碎片,使得地球軌道資源擁擠不堪,對在軌航天器的安全運行産生威脅。尺寸在厘米級及以上的空間碎片撞擊,可導致航天器穿孔甚至解體,直至徹底損壞。厘米級及以下的空間碎片撞擊,可導致航天器部分功能受損或失效,關鍵部件的受損也可能引起整星失效。

  1992年美國航天飛機亞特蘭蒂斯號,在505公裏高度運行了11個月,返回後發現太陽能帆板存在2000余個碰撞點,碎片在舷窗上留下撞擊孔,部分已穿透鋁制隔板。但幸運的是,並沒有造成航天飛機的災難性事件。另一些衛星就沒那麼幸運了——1996年法國Cerise衛星的重力梯度桿,被Ariane衛星爆炸産生的碎片撞擊損壞,衛星姿態失控,最終報廢;2009年2月10日,美國銥星33和俄羅斯宇宙2251兩衛星發生在軌碰撞事件,衛星解體産生10厘米以上空間碎片數量超過2000顆。

  風險如何評估

  在空間碎片監測的基礎上,有兩種碰撞風險識別方法

  那麼,這麼多的碎片如何監測?眾多的空間物體在圍繞地球的軌道上運行,為掌握它們包括軌道信息在內的運行狀態,需要借助地面測站、星載雷達和望遠鏡等設備對空間物體進行跟蹤觀測,稱之為編目工作。

  空間物體的編目工作,可比作公安機關的戶口管理,每個空間物體從“出生”起都會被賦予唯一的身份識別號碼。履行空間物體管理職責的是各航天大國的空間監視部門,比如美國的空間監視網、俄羅斯的空間監視係統等等。限于監測設備的探測能力,現階段編目工作通常僅對尺寸大于等于10厘米的空間物體進行穩定跟蹤,周期性更新其軌道數據。隨著空間物體數量的快速增長,解體事件和巨型星座等産生的大量相似軌道空間物體,給編目工作帶來了巨大挑戰,需要同步提升跟蹤探測和數據處理能力,以應對挑戰。

  碎片監測到了,又該如何評估是否有碰撞風險呢?

  有人提出要清除空間碎片,但從保護空間資産和空間軌道資源的角度,相比動輒數億的碎片清除費用,碰撞規避是經濟有效、立竿見影的手段。航天器日常碰撞預警工作是預警規避的基礎,當識別到重要空間資産的碰撞風險超過規避閾值時,通常採取軌道機動規避碰撞。

  空間物體的碰撞風險識別常會用到“碰撞概率”和“盒子方法”兩種方法描述。軌道預報誤差不可怕,掌握誤差分布統計學規律後,可以使用誤差球來描述空間物體可能出現的位置,如使用3倍標準差,使空間物體落在誤差球內的概率會控制在99.73%。如果預測的兩個空間物體所在的誤差球,沒有發生交會,則二者的碰撞概率為零,如果兩誤差球有重疊,則對重疊區域的概率密度進行積分,就會得到碰撞概率,這就是碰撞概率的描述方法。正如對密度不均勻物體的密度積分,得到是物體的質量。因為在衛星運行的沿速度、指向地心和垂直軌道面三個方向,作用力模型掌握的精確程度不同,相應三個方向的預測誤差也不同,所以誤差球一般使用橢球來描述。盒子方法也正是利用預測誤差的這一規律,以航天器為中心,在三個方向上取不同的長度,畫出一個長方體的盒子表示交會風險等級。

  未來面臨的挑戰

  碰撞警報頻現,太空無序“跑馬圈地”會害人害己

  空間的發展需要有序規劃、遵守秩序。動輒數萬顆的巨型星座規劃是否必要?太空中的跑馬圈地是否應當被限制呢?

  以規劃4.2萬顆衛星的星鏈衛星星座和4.8萬顆的一網星座為例,下面,我們來概述其帶來的風險與挑戰。至2021年12月底星鏈開始實施以來,已先後發射了35批次,共計將1942顆衛星送入地球軌道,目前仍在軌1794顆。星鏈衛星主要分布在傾角53度,運行高度覆蓋200~550公裏的空間區域內。一網衛星星座開始實施以來,已發射11批次,共計將358顆一網衛星送入地球軌道,目前仍在軌358顆。這些衛星主要分布在傾角88度,高度600/900/1200公裏的空間區域內。為提高運載效率,節省成本,鋼鐵俠埃隆·馬斯克的星鏈衛星通常採用一箭60星的方式,批量送至約300公裏高度的軌道,大約需要兩個多月的時間,爬升到550公裏的運行高度。

  軌道爬升期間,要穿越空間站運行的近圓形軌道區域,下面,我們隨機選取2021年一個月內,與天和空間站的近距離接近事件進行統計。結果顯示,交會距離在10、30、50、70和100公裏以內的總交會次數分別為28次、468次、1452次、2680次、6034次,與星鏈衛星交會次數分別為4次、134次、428次、722次、1232次。

  可以看出,近距離交會事件中,星鏈衛星佔比最高接近31%。更令人擔心的是,星鏈衛星爬軌過程處于電推進工作模式。在不掌握機動策略和機動模型的情況下,具有小推力或變推力持續機動目標的軌道預報誤差難以估計。預報誤差可達數十公裏級或百公裏量級,由預測時長來確定,並且此誤差概率密度分布不符合統計學規律,難以精確評估碰撞概率。要保護重要空間資産“萬無一失”,只能放大誤差球半徑,識別潛在的碰撞風險。但是,放大誤差球同樣具有負面效應,那就是虛警次數增加,造成推進劑損耗。同時,避碰機動過程會破壞空間站實驗艙的零重力環境,影響科學實驗的開展。

  地球上行進需要交通規則,太空中也是如此,科學技術研究、特別是在太空等公共區域的探索也應該在一定的規則框架內進行。古語講“無規矩不成方圓”,太空交通也有相應的“規矩”。聯合國已經制定了外層空間行為的國際法,例如1967年10月10日生效的《關于各國探索和利用外層空間包括月球與其他天體活動所應遵守原則的條約》,簡稱《外空條約》;1976年9月15日生效的《關于登記射入外層空間物體的公約》,簡稱《登記公約》等。條約中規定:本條約各締約國如發現在包括月球與其他天體在內的外層空間有對航天員的生命或健康可能構成危險的任何現象,應立即通知本條約其他締約國或聯合國秘書長。很顯然,美國太空探索技術公司並沒有遵守這一法規。

  我們希望隨著太空技術的迅猛發展,能夠修訂和完善聯合國層面的太空探索法律法規,讓大家都能有法可依。也希望各個國家都能在國際法框架下進行科學研究和空間活動,否則將會害人害己。探索太空、利用太空是人類共同的事業,需要我們攜起手來,共同前行。(作者:劉衛,係中國科學院國家空間科學中心副研究員)

【糾錯】 【責任編輯:邱麗芳 】
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