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天上没交警、卫星多,怎样避免出“车祸”

来源:科技日报2019-09-23 09:30
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  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。

  欧空局对这次操作有所不满。他们本希望“星链”卫星能避让,但太空探索技术公司没接茬,他们只得让自己的卫星变轨。这种事情如果仅此一次倒也罢了,但他们不得不对未来产生忧虑。该局在推文中表示,一旦有更多卫星入轨,诸如“星链”和其他规划中的巨型星座项目下的那些卫星,这种靠“手动”来避免潜在相撞的办法将不可持续。

  这种担忧不无道理。全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩告诉科技日报记者,截至目前人类总共发射了8000多个航天器,在轨运行的有1500多个。然而近年一些航天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12000颗卫星,而且相当一部分卫星将部署在500多公里高度的近地轨道。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。2009年2月,美国“铱星33”在西伯利亚上空近800公里高度,撞到了已经报废的俄罗斯“宇宙-2251”卫星。这是截至目前,人类航天史上唯一一次卫星与卫星相撞事件。

  撞击的结果相当惨烈。两颗卫星的重量分别为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。撞击后不仅铱星“身亡”,而且产生了大量碎片,散落到从几百公里到一千多公里高度的太空中,对后续太空计划造成了影响。

  但这种“车祸”概率并不高。试想,即使在枪林弹雨的战场,两颗子弹相撞的几率能有多大,何况是广阔的太空中数量并不很多的卫星呢。

  此次“风神”与“星链”间虽然出现险情,相撞的可能性其实也很小。根据美国空间标准与创新中心的“卫星轨道交会空间威胁性相遇评估报告”显示,这两颗卫星会在美国东部时间9月2日早上7点多,以每秒14.4公里的相对速度“擦肩而过”,最近距离大约4公里,相撞的概率不足百万分之一。

  中国航天科技集团五院总体部轨道主管设计师高珊向科技日报记者介绍,卫星运行的轨道分很多种。例如,按照轨道高度,可分为2000公里以内的近地轨道、20000公里左右的中高轨道,以及将近36000公里的地球静止轨道等。

  即使在近地轨道运行的卫星,轨道也五花八门。从偏心率来看,有圆轨道、近圆轨道、椭圆轨道;从轨道倾角来看,有绕着地球的“腰带”飞行的赤道轨道,有几乎垂直于赤道、飞经地球两极的极地轨道,还有轨道倾角与赤道关系介于水平与垂直之间的倾斜轨道。

  所以,飞行在不同高度、不同轨道的卫星,要想在同一时间在茫茫太空中相遇,也是需要很大的缘分。

  相撞概率虽低,避让却很麻烦

  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。(付毅飞)

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