太空碰撞，危險如何規(guī)避？

劉衛(wèi)

曾經(jīng)，太空碎片碰撞還是科幻電影中的橋段?，F(xiàn)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(shù)公司發(fā)射的星鏈衛(wèi)星先后兩次接近中國空間站，導(dǎo)致中國空間站采取緊急避碰措施。而這，并不是個案。太空如此廣袤，為何也會出現(xiàn)這種情況？衛(wèi)星不能隨便“飛”嗎？太空“交通規(guī)則”該如何建立？

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

人類在從地心說到銀河系的認(rèn)識過程中，發(fā)現(xiàn)天體普遍具有自轉(zhuǎn)的特征，牛頓無法解釋其產(chǎn)生的原因，于是說可能是“上帝之手推了它一把”。根據(jù)高中物理所學(xué)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。在沒有外部干擾力時，在軌空間物體的軌道是不會發(fā)生變化的，更不會發(fā)生碰撞。

如今我們已經(jīng)明白，地球并非正球形天體，赤道半徑比極地半徑約長21公里，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，并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(wèi)星會產(chǎn)生東西方向漂移的奧秘之一，同步軌道衛(wèi)星需要定期耗費一定燃料“抵御”干擾，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(jù)干擾力的性質(zhì)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(tǒng)一。正如對地球扁率攝動加以利用，可設(shè)計出太陽同步軌道，便于遙感等衛(wèi)星獲取相同光照條件下的圖像。與此同時，干擾力的存在給精確預(yù)報軌道帶來困難和挑戰(zhàn)。尤其是在太陽活動的擾動下，難以準(zhǔn)確預(yù)計低地球軌道上的大氣密度環(huán)境，導(dǎo)致空間碎片預(yù)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(fēng)險，引發(fā)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(wèi)星觀測任務(wù)等工作開展?！奥┚敝傅凸懒丝臻g物體的交會風(fēng)險，使航天器或航天員處于極度危險之中。

太空已經(jīng)變得很擁擠，廣袤的空間一去不復(fù)返，碰撞后果不堪設(shè)想

機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會（IADC）關(guān)于空間碎片的定義是：人類航天活動產(chǎn)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(wèi)星Sputnik-1送入太空，時至今日，已記錄的航天發(fā)射為5775次，共計將12803顆航天器送入太空。

據(jù)美國空間監(jiān)視網(wǎng)公布數(shù)據(jù)，截至2021年12月，編目的空間物體為50454顆，目前仍然在軌的數(shù)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(xué)家凱瑟勒等人預(yù)計，人類活動產(chǎn)生的空間碎片很快會對低地球軌道衛(wèi)星產(chǎn)生巨大的威脅。深入研究后，凱瑟勒在1990年發(fā)表了《碰撞級聯(lián)效應(yīng)：低地球軌道碎片數(shù)量極限》一文，講述空間碎片的快速增長，終將產(chǎn)生碎片間的級聯(lián)碰撞，廣袤的空間將一去不復(fù)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產(chǎn)生威脅。尺寸在厘米級及以上的空間碎片撞擊，可導(dǎo)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(dǎo)致航天器部分功能受損或失效，關(guān)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公里高度運行了11個月，返回后發(fā)現(xiàn)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，并沒有造成航天飛機的災(zāi)難性事件。另一些衛(wèi)星就沒那么幸運了——1996年法國Cerise衛(wèi)星的重力梯度桿，被Ariane衛(wèi)星爆炸產(chǎn)生的碎片撞擊損壞，衛(wèi)星姿態(tài)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(wèi)星發(fā)生在軌碰撞事件，衛(wèi)星解體產(chǎn)生10厘米以上空間碎片數(shù)量超過2000顆。

在空間碎片監(jiān)測的基礎(chǔ)上，有兩種碰撞風(fēng)險識別方法

那么，這么多的碎片如何監(jiān)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(nèi)的運行狀態(tài)，需要借助地面測站、星載雷達和望遠(yuǎn)鏡等設(shè)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(guān)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(zé)的是各航天大國的空間監(jiān)視部門，比如美國的空間監(jiān)視網(wǎng)、俄羅斯的空間監(jiān)視系統(tǒng)等等。限于監(jiān)測設(shè)備的探測能力，現(xiàn)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(wěn)定跟蹤，周期性更新其軌道數(shù)據(jù)。隨著空間物體數(shù)量的快速增長，解體事件和巨型星座等產(chǎn)生的大量相似軌道空間物體，給編目工作帶來了巨大挑戰(zhàn)，需要同步提升跟蹤探測和數(shù)據(jù)處理能力，以應(yīng)對挑戰(zhàn)。

碎片監(jiān)測到了，又該如何評估是否有碰撞風(fēng)險呢？

有人提出要清除空間碎片，但從保護空間資產(chǎn)和空間軌道資源的角度，相比動輒數(shù)億的碎片清除費用，碰撞規(guī)避是經(jīng)濟有效、立竿見影的手段。航天器日常碰撞預(yù)警工作是預(yù)警規(guī)避的基礎(chǔ)，當(dāng)識別到重要空間資產(chǎn)的碰撞風(fēng)險超過規(guī)避閾值時，通常采取軌道機動規(guī)避碰撞。

空間物體的碰撞風(fēng)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(yù)報誤差不可怕，掌握誤差分布統(tǒng)計學(xué)規(guī)律后，可以使用誤差球來描述空間物體可能出現(xiàn)的位置，如使用3倍標(biāo)準(zhǔn)差，使空間物體落在誤差球內(nèi)的概率會控制在99.73%。如果預(yù)測的兩個空間物體所在的誤差球，沒有發(fā)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(qū)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(zhì)量。因為在衛(wèi)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(yīng)三個方向的預(yù)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(yù)測誤差的這一規(guī)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(fēng)險等級。

碰撞警報頻現(xiàn)，太空無序“跑馬圈地”會害人害己

空間的發(fā)展需要有序規(guī)劃、遵守秩序。動輒數(shù)萬顆的巨型星座規(guī)劃是否必要？太空中的跑馬圈地是否應(yīng)當(dāng)被限制呢？

以規(guī)劃4.2萬顆衛(wèi)星的星鏈衛(wèi)星星座和4.8萬顆的一網(wǎng)星座為例，下面，我們來概述其帶來的風(fēng)險與挑戰(zhàn)。至2021年12月底星鏈開始實施以來，已先后發(fā)射了35批次，共計將1942顆衛(wèi)星送入地球軌道，目前仍在軌1794顆。星鏈衛(wèi)星主要分布在傾角53度，運行高度覆蓋200-550公里的空間區(qū)域內(nèi)。一網(wǎng)衛(wèi)星星座開始實施以來，已發(fā)射11批次，共計將358顆一網(wǎng)衛(wèi)星送入地球軌道，目前仍在軌358顆。這些衛(wèi)星主要分布在傾角88度，高度600/900/1200公里的空間區(qū)域內(nèi)。為提高運載效率，節(jié)省成本，“鋼鐵俠”埃隆·馬斯克的星鏈衛(wèi)星通常采用一箭60星的方式，批量送至約300公里高度的軌道，大約需要兩個多月的時間，爬升到550公里的運行高度。

軌道爬升期間，要穿越空間站運行的近圓形軌道區(qū)域，下面，我們隨機選取2021年一個月內(nèi)，與天和空間站的近距離接近事件進行統(tǒng)計。結(jié)果顯示，交會距離在10、30、50、70和100公里以內(nèi)的總交會次數(shù)分別為28次、468次、1452次、2680次、6034次，與星鏈衛(wèi)星交會次數(shù)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(wèi)星占比最高接近31%。更令人擔(dān)心的是，星鏈衛(wèi)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(xù)機動目標(biāo)的軌道預(yù)報誤差難以估計。預(yù)報誤差可達數(shù)十公里級或百公里量級，由預(yù)測時長來確定，并且此誤差概率密度分布不符合統(tǒng)計學(xué)規(guī)律，難以精確評估碰撞概率。要保護重要空間資產(chǎn)“萬無一失”，只能放大誤差球半徑，識別潛在的碰撞風(fēng)險。但是，放大誤差球同樣具有負(fù)面效應(yīng)，那就是虛警次數(shù)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(huán)境，影響科學(xué)實驗的開展。

地球上行進需要交通規(guī)則，太空中也是如此，科學(xué)技術(shù)研究、特別是在太空等公共區(qū)域的探索也應(yīng)該在一定的規(guī)則框架內(nèi)進行。古語講“無規(guī)矩不成方圓”，太空交通也有相應(yīng)的“規(guī)矩”。聯(lián)合國已經(jīng)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(guān)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(yīng)遵守原則的條約》，簡稱《外空條約》；1976年9月15日生效的《關(guān)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(guī)定：本條約各締約國如發(fā)現(xiàn)在包括月球與其他天體在內(nèi)的外層空間有對航天員的生命或健康可能構(gòu)成危險的任何現(xiàn)象，應(yīng)立即通知本條約其他締約國或聯(lián)合國秘書長。很顯然，美國太空探索技術(shù)公司并沒有遵守這一法規(guī)。

我們希望隨著太空技術(shù)的迅猛發(fā)展，能夠修訂和完善聯(lián)合國層面的太空探索法律法規(guī)，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(xué)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(yè)，需要我們攜起手來，共同前行。

（摘自1月20日《光明日報》。作者為中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心副研究員）

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