太空碰撞，危險如何規(guī)避？

　　曾經(jīng)，太空碎片碰撞還是科幻電影中的橋段。現(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)星先後兩次接近中國空間站，導(dǎo)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(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

　　人類在從地心説到銀河系的認識過程中，發(fā)現(xiàn)天體普遍具有自轉(zhuǎn)的特徵，牛頓無法解釋其産生的原因，於是説可能是“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作。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，地球並非正球形天體，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，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(wèi)星會産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“抵禦”干擾，進行軌道位置保持。由於攜帶燃料有限，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，繞地球運作的空間物體軌道始終處於緩慢變化之中。根據(jù)干擾力的性質(zhì)不同，軌道變化分為週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週期性的接近，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(shè)計出太陽同步軌道，便於遙感等衛(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，既浪費航太器寶貴的燃料，又影響正常的衛(wèi)星觀測任務(wù)等工作開展。“漏警”指低估了空間物體的交會風(fēng)險，使航太器或航太員處於極度危險之中。

　　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(fù)返，碰撞後果不堪設(shè)想

　　機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(IADC)關(guān)於空間碎片的定義是：人類航太活動産生的、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(wèi)星Sputnik-1送入太空，時至今日，已記錄的航太發(fā)射為5775次，共計將12803顆航太器送入太空。

　　據(jù)美國空間監(jiān)視網(wǎng)公佈數(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年美國航空航太局約翰遜航太中心科學(xué)家凱瑟勒等人預(yù)計，人類活動産生的空間碎片很快會對低地球軌道衛(wèi)星産生巨大的威脅。深入研究後，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，終將産生碎片間的級聯(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，對在軌航太器的安全運作産生威脅。尺寸在釐米級及以上的空間碎片撞擊，可導(dǎo)致航太器穿孔甚至解體，直至徹底損壞。釐米級及以下的空間碎片撞擊，可導(dǎo)致航太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年美國太空梭亞特蘭蒂斯號，在505公里高度運作了11個月，返回後發(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，並沒有造成太空梭的災(zāi)難性事件。另一些衛(wèi)星就沒那麼幸運了——1996年法國Cerise衛(wèi)星的重力梯度桿，被Ariane衛(wèi)星爆炸産生的碎片撞擊損壞，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)星解體産生10釐米以上空間碎片數(shù)量超過2000顆。

　　風(fēng)險如何評估

　　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

　　那麼，這麼多的碎片如何監(jiān)測？眾多的空間物體在圍繞地球的軌道上運作，為掌握它們包括軌道資訊在內(nèi)的運作狀態(tài)，需要借助地面測站、星載雷達和望遠鏡等設(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)的是各航太大國的空間監(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於等於10釐米的空間物體進行穩(wěn)定跟蹤，週期性更新其軌道數(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(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，但從保護空間資産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。航太器日常碰撞預(yù)警工作是預(yù)警規(guī)避的基礎(chǔ)，當識別到重要空間資産的碰撞風(fēng)險超過規(guī)避閾值時，通常採取軌道機動規(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，掌握誤差分佈統(tǒng)計學(xué)規(guī)律後，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倍標準差，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，得到是物體的品質(zhì)。因為在衛(wèi)星運作的沿速度、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，以航太器為中心，在三個方向上取不同的長度，畫出一個長方體的盒子錶示交會風(fēng)險等級。

　　未來面臨的挑戰(zhàn)

　　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，已先後發(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)星主要分佈在傾角53度，運作高度覆蓋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)星主要分佈在傾角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，鋼鐵俠埃隆婷婷色婷婷开心五月