衛(wèi)星不能隨便“飛”嗎？太空“交通規(guī)則”該如何建立？
太空碰撞，危險(xiǎn)如何規(guī)避？
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(xiǎn)真實(shí)存在了——2021年7月和10月，美國(guó)太空探索技術(shù)公司發(fā)射的星鏈衛(wèi)星先后兩次接近中國(guó)空間站，導(dǎo)致中國(guó)空間站采取緊急避碰措施。而這，并不是個(gè)案。太空如此廣袤，為何也會(huì)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(wú)法違逆，空間物體近距離交會(huì)無(wú)法避免
人類(lèi)在從地心說(shuō)到銀河系的認(rèn)識(shí)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)天體普遍具有自轉(zhuǎn)的特征，牛頓無(wú)法解釋其產(chǎn)生的原因，于是說(shuō)可能是“上帝之手推了它一把”。根據(jù)高中物理所學(xué)的“萬(wàn)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(yùn)行。在沒(méi)有外部干擾力時(shí)，在軌空間物體的軌道是不會(huì)發(fā)生變化的，更不會(huì)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(zhǎng)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(duì)稱(chēng)位置粘貼上兩塊“泥巴”。這兩塊“泥巴”正是同步軌道衛(wèi)星會(huì)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(fèi)一定燃料“抵御”干擾，進(jìn)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(méi)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(yùn)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(zhǎng)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(chēng)之為“近距離交會(huì)事件”。
事物總具有兩面性，既對(duì)立又統(tǒng)一。正如地球扁率攝動(dòng)加以利用，可設(shè)計(jì)出太陽(yáng)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(shí)，干擾力的存在給精確預(yù)報(bào)軌道帶來(lái)困難和挑戰(zhàn)。尤其是在太陽(yáng)活動(dòng)的擾動(dòng)下，難以準(zhǔn)確預(yù)計(jì)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(wèn)題。所謂“虛警”，即高估了兩空間物體的交會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，引發(fā)不必要的避碰工作，既浪費(fèi)航天器寶貴的燃料，又影響正常的衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)等工作開(kāi)展。“漏警”指低估了空間物體的交會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，使航天器或航天員處于極度危險(xiǎn)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，碰撞后果不堪設(shè)想
機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)(IADC)關(guān)于空間碎片的定義是：人類(lèi)航天活動(dòng)產(chǎn)生的、在軌無(wú)效的空間物體。自1957年10月4日人類(lèi)將第一顆人造衛(wèi)星Sputnik-1送入太空，時(shí)至今日，已記錄的航天發(fā)射為5775次，共計(jì)將12803顆航天器送入太空。
據(jù)美國(guó)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(wàn)顆空間物體中，近4萬(wàn)顆源自碰撞、爆炸等在軌解體事件。1977年美國(guó)航空航天局約翰遜航天中心科學(xué)家凱瑟勒等人預(yù)計(jì)，人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的空間碎片很快會(huì)對(duì)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(jí)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(zhǎng)，終將產(chǎn)生碎片間的級(jí)聯(lián)碰撞，廣袤的空間將一去不復(fù)返……
不斷增長(zhǎng)的空間碎片，使得地球軌道資源擁擠不堪，對(duì)在軌航天器的安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。尺寸在厘米級(jí)及以上的空間碎片撞擊，可導(dǎo)致航天器穿孔甚至解體，直至徹底損壞。厘米級(jí)及以下的空間碎片撞擊，可導(dǎo)致航天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(guó)航天飛機(jī)亞特蘭蒂斯號(hào)，在505公里高度運(yùn)行了11個(gè)月，返回后發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能帆板存在2000余個(gè)碰撞點(diǎn)，碎片在舷窗上留下撞擊孔，部分已穿透鋁制隔板。但幸運(yùn)的是，并沒(méi)有造成航天飛機(jī)的災(zāi)難性事件。另一些衛(wèi)星就沒(méi)那么幸運(yùn)了——1996年法國(guó)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(bào)廢；2009年2月10日，美國(guó)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(guò)2000顆。
風(fēng)險(xiǎn)如何評(píng)估
在空間碎片監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，有兩種碰撞風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法
那么，這么多的碎片如何監(jiān)測(cè)？眾多的空間物體在圍繞地球的軌道上運(yùn)行，為掌握它們包括軌道信息在內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)，需要借助地面測(cè)站、星載雷達(dá)和望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備對(duì)空間物體進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，稱(chēng)之為編目工作。
空間物體的編目工作，可比作公安機(jī)關(guān)的戶口管理，每個(gè)空間物體從“出生”起都會(huì)被賦予唯一的身份識(shí)別號(hào)碼。履行空間物體管理職責(zé)的是各航天大國(guó)的空間監(jiān)視部門(mén)，比如美國(guó)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(cè)設(shè)備的探測(cè)能力，現(xiàn)階段編目工作通常僅對(duì)尺寸大于等于10厘米的空間物體進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤，周期性更新其軌道數(shù)據(jù)。隨著空間物體數(shù)量的快速增長(zhǎng)，解體事件和巨型星座等產(chǎn)生的大量相似軌道空間物體，給編目工作帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，需要同步提升跟蹤探測(cè)和數(shù)據(jù)處理能力，以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。
碎片監(jiān)測(cè)到了，又該如何評(píng)估是否有碰撞風(fēng)險(xiǎn)呢？
有人提出要清除空間碎片，但從保護(hù)空間資產(chǎn)和空間軌道資源的角度，相比動(dòng)輒數(shù)億的碎片清除費(fèi)用，碰撞規(guī)避是經(jīng)濟(jì)有效、立竿見(jiàn)影的手段。航天器日常碰撞預(yù)警工作是預(yù)警規(guī)避的基礎(chǔ)，當(dāng)識(shí)別到重要空間資產(chǎn)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)超過(guò)規(guī)避閾值時(shí)，通常采取軌道機(jī)動(dòng)規(guī)避碰撞。
空間物體的碰撞風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別常會(huì)用到“碰撞概率”和“盒子方法”兩種方法描述。軌道預(yù)報(bào)誤差不可怕，掌握誤差分布統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律后，可以使用誤差球來(lái)描述空間物體可能出現(xiàn)的位置，如使用3倍標(biāo)準(zhǔn)差，使空間物體落在誤差球內(nèi)的概率會(huì)控制在99.73%。如果預(yù)測(cè)的兩個(gè)空間物體所在的誤差球，沒(méi)有發(fā)生交會(huì)，則二者的碰撞概率為零，如果兩誤差球有重疊，則對(duì)重疊區(qū)域的概率密度進(jìn)行積分，就會(huì)得到碰撞概率，這就是碰撞概率的描述方法。正如對(duì)密度不均勻物體的密度積分，得到是物體的質(zhì)量。因?yàn)樵谛l(wèi)星運(yùn)行的沿速度、指向地心和垂直軌道面三個(gè)方向，作用力模型掌握的精確程度不同，相應(yīng)三個(gè)方向的預(yù)測(cè)誤差也不同，所以誤差球一般使用橢球來(lái)描述。盒子方法也正是利用預(yù)測(cè)誤差的這一規(guī)律，以航天器為中心，在三個(gè)方向上取不同的長(zhǎng)度，畫(huà)出一個(gè)長(zhǎng)方體的盒子表示交會(huì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。
未來(lái)面臨的挑戰(zhàn)
碰撞警報(bào)頻現(xiàn)，太空無(wú)序“跑馬圈地”會(huì)害人害己
空間的發(fā)展需要有序規(guī)劃、遵守秩序。動(dòng)輒數(shù)萬(wàn)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(dāng)被限制呢？
以規(guī)劃4.2萬(wàn)顆衛(wèi)星的星鏈衛(wèi)星星座和4.8萬(wàn)顆的一網(wǎng)星座為例，下面，我們來(lái)概述其帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。至2021年12月底星鏈開(kāi)始實(shí)施以來(lái)，已先后發(fā)射了35批次，共計(jì)將1942顆衛(wèi)星送入地球軌道，目前仍在軌1794顆。星鏈衛(wèi)星主要分布在傾角53度，運(yùn)行高度覆蓋200~550公里的空間區(qū)域內(nèi)。一網(wǎng)衛(wèi)星星座開(kāi)始實(shí)施以來(lái)，已發(fā)射11批次，共計(jì)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)星主要分布在傾角88度，高度600/900/1200公里的空間區(qū)域內(nèi)。為提高運(yùn)載效率，節(jié)省成本，鋼鐵俠埃隆·馬斯克的星鏈衛(wèi)星通常采用一箭60星的方式，批量送至約300公里高度的軌道，大約需要兩個(gè)多月的時(shí)間，爬升到550公里的運(yùn)行高度。
軌道爬升期間，要穿越空間站運(yùn)行的近圓形軌道區(qū)域，下面，我們隨機(jī)選取2021年一個(gè)月內(nèi)，與天和空間站的近距離接近事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，交會(huì)距離在10、30、50、70和100公里以內(nèi)的總交會(huì)次數(shù)分別為28次、468次、1452次、2680次、6034次，與星鏈衛(wèi)星交會(huì)次數(shù)分別為4次、134次、428次、722次、1232次。
可以看出，近距離交會(huì)事件中，星鏈衛(wèi)星占比最高接近31%。更令人擔(dān)心的是，星鏈衛(wèi)星爬軌過(guò)程處于電推進(jìn)工作模式。在不掌握機(jī)動(dòng)策略和機(jī)動(dòng)模型的情況下，具有小推力或變推力持續(xù)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的軌道預(yù)報(bào)誤差難以估計(jì)。預(yù)報(bào)誤差可達(dá)數(shù)十公里級(jí)或百公里量級(jí)，由預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)來(lái)確定，并且此誤差概率密度分布不符合統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，難以精確評(píng)估碰撞概率。要保護(hù)重要空間資產(chǎn)“萬(wàn)無(wú)一失”，只能放大誤差球半徑，識(shí)別潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。但是，放大誤差球同樣具有負(fù)面效應(yīng)，那就是虛警次數(shù)增加，造成推進(jìn)劑損耗。同時(shí)，避碰機(jī)動(dòng)過(guò)程會(huì)破壞空間站實(shí)驗(yàn)艙的零重力環(huán)境，影響科學(xué)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。
地球上行進(jìn)需要交通規(guī)則，太空中也是如此，科學(xué)技術(shù)研究、特別是在太空等公共區(qū)域的探索也應(yīng)該在一定的規(guī)則框架內(nèi)進(jìn)行。古語(yǔ)講“無(wú)規(guī)矩不成方圓”，太空交通也有相應(yīng)的“規(guī)矩”。聯(lián)合國(guó)已經(jīng)制定了外層空間行為的國(guó)際法，例如1967年10月10日生效的《關(guān)于各國(guó)探索和利用外層空間包括月球與其他天體活動(dòng)所應(yīng)遵守原則的條約》，簡(jiǎn)稱(chēng)《外空條約》；1976年9月15日生效的《關(guān)于登記射入外層空間物體的公約》，簡(jiǎn)稱(chēng)《登記公約》等。條約中規(guī)定：本條約各締約國(guó)如發(fā)現(xiàn)在包括月球與其他天體在內(nèi)的外層空間有對(duì)航天員的生命或健康可能構(gòu)成危險(xiǎn)的任何現(xiàn)象，應(yīng)立即通知本條約其他締約國(guó)或聯(lián)合國(guó)秘書(shū)長(zhǎng)。很顯然，美國(guó)太空探索技術(shù)公司并沒(méi)有遵守這一法規(guī)。
我們希望隨著太空技術(shù)的迅猛發(fā)展，能夠修訂和完善聯(lián)合國(guó)層面的太空探索法律法規(guī)，讓大家都能有法可依。也希望各個(gè)國(guó)家都能在國(guó)際法框架下進(jìn)行科學(xué)研究和空間活動(dòng)，否則將會(huì)害人害己。探索太空、利用太空是人類(lèi)共同的事業(yè)，需要我們攜起手來(lái)，共同前行。
(作者：劉衛(wèi)，系中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心副研究員)
