天上没交警、卫星多,怎样避免出“车祸”


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最近几天,欧空局在地球科学卫星“风神”上实施了轨道机动,以避免与美国太空探索技术公司的“星链”卫星发生碰撞。

ESA对此操作不满意。他们曾希望可以避免“星链”卫星,但太空探索技术公司没有成功,他们不得不更换卫星。如果这种事情只发生一次,但他们不得不担心未来。该机构在推文中表示,一旦卫星进入轨道,例如计划中的巨型星座项目下的“星链”和其他卫星,这种避免潜在碰撞的“手动”方法将无法持续。

这种担心并非不合理。国家太空探索技术首席科学传播专家庞志浩告诉“科技日报”记者,到目前为止,人类已经发射了8000多个航天器和超过1500个轨道运行。然而,近年来,一些航天机构提出了各种巨型星座项目。例如,只有“星链”星座计划发射12,000颗卫星,相当数量的卫星将部署在500多公里的低地球轨道上。这可能会增加卫星碰撞的可能性。

历史上只发生过一次卫星“车祸”

确实发生了卫星碰撞事件。 2009年2月,美国“彗星33号”在西伯利亚上方近800公里处,击中了已被废弃的俄罗斯“宇宙-2251”卫星。这是人类航空航天历史上唯一的卫星到卫星碰撞。

影响的结果非常悲惨。这两颗卫星的重量分别为560千克和900千克,以第一宇宙速度7.9千米/秒的速度飞行。碰撞后,铱不仅死亡,而且还产生了大量碎片,其中散落的空间从数百公里到1000多公里,这对后来的太空计划产生了影响。

但这种“车祸”的可能性并不高。想象一下,即使在重型子弹的战场上,这两颗子弹碰撞的可能性有多大,更不用说广阔空间中的少量卫星了。

虽然风神与星链之间存在危险情况,但碰撞的可能性非常小。根据太空标准和创新中心的“卫星轨道交会空间威胁会议评估报告”,这两颗卫星将于9月2日东部时间早上7点多以14.4公里/秒的相对速度“经过”,最近的距离约4公里。碰撞的概率不到百万分之一。

中国航天科技集团办公室轨道部主任高山告诉“科技日报”记者,卫星运行轨道有很多种。例如,根据轨道高度,可分为2000公里以内的低地球轨道,约20,000公里的中高轨道和近36,000公里的地球静止轨道。

即使是在低地球轨道上运行的卫星,轨道也是多种多样的。从偏心点来看,有圆形轨道,近圆轨道和椭圆轨道;从轨道倾角的角度来看,地球的“带”周围有赤道轨道,并且极地轨道几乎垂直于赤道并飞过地球的两极。还有一个倾斜的轨道,其中轨道倾角和赤道在水平和垂直之间。

因此,在不同高度和不同轨道飞行的卫星需要很大的命运才能同时在太空中相遇。

碰撞的概率很低,但避免碰撞是非常麻烦的

卫星相撞的概率虽低,空间碎片却不可不防。看过电影《地心引力》的朋友,想必都会对这些太空垃圾的威力留下深刻印象。

2009年美俄卫星相撞后,双方一度为事故责任发生了争执,但后来美方承认了自己在预警方面的失职。负责追踪太空残骸的美国国防部事后表示,当时太空垃圾多达18000个,国防部无法逐一追踪,根本不可能预测这种相撞事故。

高珊介绍,如今地球附近被记录在案的废弃航天器以及空间碎片,已经超过5万个。

不过,人类对太空垃圾的监测能力也大有提高。庞之浩说,多个国家合作建设了地面太空监视系统,通过雷达、光学等手段,对在轨航天器及空间碎片的动态进行监视。

2010年9月,美国还发射了天基太空监视系统首颗卫星,让其与地面系统合作,形成天地一体化的太空监视网。随后,加拿大、德国、意大利等国,也在太空计划中开展了天基太空碎片监测的尝试。

有较为精密的太空监测作为基础,使人类具备更强的为航天器预测风险,以及帮它们化险为夷的能力。

高珊说,航天器设计上有一门专业叫做“空间碎片防护”,是利用强度较高的材料,在航天器表面加上一层“铠甲”。另外航天器设计布局时,也会有所考虑,避免把比较脆弱的部件暴露在外。这样,当遇到比较细微的空间碎片时,航天器具有一定的抵御能力。

如果面对较大的空间碎片,就需要航天器主动躲避了。国际空间站、天宫二号等都曾为此实施过变轨。

庞之浩说,卫星自身拥有推进器,是具备变轨能力的。例如卫星被火箭发射到预定轨道后,就需要自身发动机点火工作,飞到最终的工作轨道。也有一些遥感卫星,会根据任务需求实施轨道机动,对指定位置开展观测。

高珊介绍,为躲避障碍物而实施变轨,事先需要一段准备过程。一般来说,太空监视系统会提前数天发现卫星可能遇到的险情,并发出预警,随后系统会持续监测相关卫星和空间碎片的动态,不断更新数据。地面飞控人员则需提前制定合适的预案,如果确定存在碰撞风险,就要在适当的时候以最小的代价来采取措施。毕竟轨道机动需要消耗燃料,这直接关系着卫星的工作寿命。

庞之浩说,通常航天器的避让方案都是略微提升轨道高度。此次“风神”也是如此,欧空局在两颗卫星相距半圈时,提高了“风神”的轨道高度,让它从“星链”的头顶飞过。

但这种变轨也很麻烦。欧空局后来抱怨说:“这些避撞机动要花很多时间来准备,包括要确定所有在用航天器的未来轨道位置,还要计算相撞风险和各种不同行动的潜在后果。”

卫星运行管理需“守规矩”、别添堵

新卫星在轨道设计时,会不会为避免与在轨卫星碰撞而有所考虑呢?

高珊表示,并没有,目前的轨道设计仍以任务需求为重。

毕竟,太空里还远远没有堵到让卫星因为怕“撞车”而需要“绕路上班”的地步。

庞之浩说,相比低轨卫星,国际上对地球静止轨道卫星的间距有一定要求,因为该轨道资源更为有限。但那也不是为了防止卫星相撞,而主要是为避免卫星之间出现频率干扰。

美俄卫星相撞后,美国宇航局约翰逊航天中心太空垃圾研究专家马特内曾抱怨说:“我们知道这种事情迟早要发生,卫星太空相撞问题将在今后几十年变得越来越突出。”

确实如此。随着人类航天活动的快速发展,如果未来每年都有成百上千颗卫星蜂拥而上,同时产生更多太空垃圾,再宽广的轨道空间,也总有一天会拥堵起来。

高珊表示,如果轨道环境拥挤到一定程度,可以对卫星的轨道参数进行优化调整,例如抬高几公里,以避开“拥堵路段”。同时她认为,更重要的是在卫星运行管理中遵守“交通规则”,别添堵别添乱,并加强对空间飞行物的监测。

记者了解到,我国承担航天器在轨运行管理的单位如北京飞行控制中心等,近年来致力于向智能化、自主化方向发展,不断提升着管理能力和水平。

欧空局和太空探索技术公司也声称,正在研究依靠人工智能或自主式系统帮助卫星躲避碰撞的技术。

此外还有许多人对动辄上万颗卫星的庞大计划怀有疑问,是否有必要?毕竟这么多卫星报废后都将成为不可控的太空垃圾,难免对太空环境产生威胁。

(责编:赵春晓、乔雪峰)

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