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,美國太空探索技術公司發(fā)射的星鏈衛(wèi)星先后兩次接近中國空間站,導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?
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
人類在從地心說到銀河系的認識過程中,發(fā)現(xiàn)天體普遍具有自轉的特征,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??梢詫⒌厍蛐蜗蟮乇茸鞅粔罕獾幕@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(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,難以準確預計低地球軌道上的大氣密度環(huán)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(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(xiàn)狀
太空已經(jīng)變得很擁擠,廣袤的空間一去不復返,碰撞后果不堪設想
機構間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(IADC)關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家凱瑟勒等人預計,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: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。
風險如何評估
在空間碎片監(jiān)測的基礎上,有兩種碰撞風險識別方法
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、星載雷達和望遠鏡等設備對空間物體進行跟蹤觀測,稱之為編目工作。
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1太空“交通規(guī)則”如何建立 碎片監(jiān)測該如何評估是否有碰撞風險
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