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天上没交警、卫星多,怎样避免出“车祸”?

日期:2019-11-12 09:06:44
[摘要] 近日,欧空局对地球科学卫星“风神”实施了一次变轨机动,以避免与美国太空探索技术公司的一颗“星链”卫星相撞。这可能使卫星相撞的概率大大增加。史上仅发生过一例卫星“车祸”卫星相撞的事件确实发生过。但这种“

最近,欧空局对地球科学卫星风神进行了轨道机动,以避免与美国空间探索技术公司的“卫星链”相撞。

欧空局对这一行动不满意。他们曾希望“卫星链”卫星会让位,但太空探索技术公司没有弥补这一不足,他们不得不改变卫星的轨道。这种事情就算只有一次也没关系,但他们必须担心未来。该机构在其推特上表示,一旦有更多的卫星进入轨道,如“星链”和其他计划中的大型星座项目,这种避免潜在碰撞的“手动”方法将是不可持续的。

这种担心不无道理。国家空间探索技术首席科学通信专家庞志浩告诉《科学日报》,迄今已发射8000多艘航天器,1500多艘在轨。然而,近年来,一些空间机构提出了各种巨型星座项目。例如,仅“星链”星座就计划发射12,000颗卫星,相当多的卫星将部署在500多公里高度的低地球轨道上。这可能会大大增加卫星碰撞的可能性。

历史上只有一次卫星“车祸”。

卫星碰撞确实发生了。2009年2月,美国铱星33号在西伯利亚上空近800公里的高度撞上了俄罗斯已经报废的宇宙-2251卫星。这是迄今为止人类太空史上唯一一次卫星对卫星的碰撞。

影响的结果是非常悲惨的。两颗卫星分别重560公斤和900公斤,各自以每秒7.9公里的第一宇宙速度飞行。铱卫星不仅在撞击后被“杀死”,而且还产生大量碎片散落到数百公里至1000多公里的太空中,这影响了后来的太空计划。

然而,这种“车祸”的可能性并不高。试想,即使在子弹的战场上,两颗子弹相撞的概率有多大,更别说在广阔的空间里有少量的卫星了?

虽然沈峰和星链之间有危险,但碰撞的可能性很小。根据美国空间标准和创新中心的“卫星轨道会合空间威胁遭遇评估报告”,两颗卫星将在东部时间9月2日上午7点多以每秒14.4公里的相对速度“经过”。最近的距离约为4公里,碰撞概率不到百万分之一。

中国航天科技股份有限公司第五研究院综合部轨道总设计师高山告诉《科学日报》,卫星运行的轨道有很多种。例如,根据轨道高度,它可以分为2000公里以内的低地球轨道、20000公里左右的中高轨道和36000公里左右的地球静止轨道。

甚至低地球轨道上的卫星也有不同的轨道。从偏心率来看,有圆形轨道、近圆形轨道和椭圆形轨道。从轨道倾角来看,有绕地球“环带”飞行的赤道轨道、几乎垂直于赤道并穿过地球两极的极轨道,以及水平与垂直之间轨道倾角与赤道关系的倾斜轨道。

因此,在不同高度和轨道飞行的卫星需要大量的预定才能同时在广阔的空间相遇。

虽然碰撞的概率很低,但是避免碰撞是非常麻烦的。

尽管卫星碰撞的可能性很低,但空间碎片是不可避免的。看过电影《地心引力》的朋友一定对这些太空垃圾的威力印象深刻。

2009年美俄卫星相撞后,双方就事故责任发生了争议,但后来美国承认在预警方面存在疏忽。负责跟踪太空碎片的美国国防部后来说,当时有18000块太空碎片。国防部无法逐一追踪它们,也无法预测这样的碰撞。

高山说,据记录,地球附近有50,000多艘废弃的航天器和空间碎片。

然而,人类监测空间碎片的能力也大大提高了。庞志浩说,一些国家合作建设了地面空间监视系统,通过雷达、光学和其他手段监测在轨航天器和空间碎片的动态。

2010年9月,美国还发射了天基空间监视系统的第一颗卫星,使其能够与地面系统合作,形成一个天地一体的空间监视网络。随后,加拿大、德国、意大利和其他国家也在其空间方案中发射了天基空间碎片监测尝试。

以更精确的空间监测为基础,人类有更强的能力来预测航天器的风险并帮助它们避免风险。

高山表示,在航天器设计中有一个被称为“空间碎片防护”的特殊领域,它使用高强度材料在航天器表面添加一层“装甲”。此外,在设计航天器布局时,还将考虑避免暴露相对脆弱的部件。这样,当遇到相对较小的空间碎片时,航天器就会有一定的阻力。

面对巨大的空间碎片,航天器需要采取积极的规避行动。为此,国际空间站和天宫二号都改变了轨道。

庞志浩说,卫星本身有推进器,有能力改变轨道。例如,在卫星被火箭发射到预定轨道后,它需要自己的发动机点火并飞向最终工作轨道。还有一些遥感卫星根据任务要求进行轨道机动并观察指定位置。

高山说,为了避免障碍和进行变轨,需要提前做好准备。一般来说,空间监视系统会提前几天发现卫星可能遇到的危险,并发出预警。然后,该系统将持续监测相关卫星和空间碎片的动态,并不断更新数据。地面飞行控制人员需要事先制定适当的计划。如果确定了碰撞风险,应在适当的时间以最低的成本采取措施。毕竟,轨道机动需要消耗燃料,这直接关系到卫星的工作寿命。

庞志浩表示,航天器通常的规避计划是略微提高轨道高度。这次沈峰也是如此。当两颗卫星分开半圈时,欧空局提高了沈峰的轨道高度,使其能够飞越“星链”的顶端。

但是这种变轨也很麻烦。欧空局后来抱怨说:“这些避免碰撞的演习需要大量时间来准备,包括确定所有正在使用的航天器的未来轨道位置,以及计算碰撞风险和各种行动的潜在后果。”

卫星运行管理应“守规矩”,不要跳水

在设计新的轨道卫星时,是否会考虑避免与轨道卫星碰撞?

高山说没有,目前的轨道设计仍然集中在任务要求上。

毕竟,太空远没有被阻挡到卫星需要“绕道去工作”的地步,因为害怕“碰撞”。

庞志浩说,与低地球轨道卫星相比,地球静止卫星之间的空间有一定的国际要求,因为轨道资源更加有限。然而,这并不是为了防止卫星相撞,而是主要为了避免卫星之间的频率干扰。

美俄卫星碰撞后,美国国家航空航天局约翰逊航天中心空间碎片研究专家马特恩(Materne)曾抱怨道:“我们知道这种事情迟早会发生,未来几十年卫星空间碰撞问题会变得越来越突出。”

没错。随着人类空间活动的迅速发展,如果未来每年有数百颗卫星聚集在一起,同时产生更多的空间碎片,总有一天广阔的轨道空间会出现拥堵。

高山表示,如果轨道环境拥挤到一定程度,卫星的轨道参数可以进行优化和调整,例如提高几公里以避免“拥挤的道路”。同时,她认为,在卫星运行管理中,更重要的是遵守“交通规则”,不增加障碍或混乱,并加强对空间物体的监测。

记者了解到,北京飞行控制中心等中国负责航天器在轨运行管理的单位近年来致力于智能化和自主化的发展,管理能力和水平不断提高。

欧空局和空间探索技术公司还声称,他们正在研究依靠人工智能或自主系统来帮助卫星避免碰撞的技术。

此外,许多人对数万颗卫星的庞大计划有所怀疑。有必要吗?毕竟,如此多的卫星在报废后将成为无法控制的太空垃圾,这不可避免地对太空环境构成威胁。

记者傅逸飞

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