“星鏈”避撞機動次數(shù)激增，太空碰撞恐成常態(tài)

近日，SpaceX公司向美國聯(lián)邦通信委員會提交報告，2022年12月1日～2023年5月31日期間，星鏈衛(wèi)星被迫改變方向25299次，以避免危險接近其他航天器和空間碎片。這引發(fā)了人們對衛(wèi)星長期可持續(xù)運行的擔憂。

太空碰撞幾率急劇增加

此次SpaceX公司如此引人注目的原因在于，與上一個報告區(qū)間，即2022年6～11月相比，“星鏈”避撞機動次數(shù)幾乎翻了一倍。報告表明，機動次數(shù)正呈指數(shù)級增長，大約每6個月翻一番。這說明太空碰撞的幾率正在急劇增加，很可能已經(jīng)趨近于科學家們一直擔憂的指數(shù)增長曲線。

“星鏈”在軌運行示意圖

說到這個預言，不得不提到美國宇航局的科學家唐納德·凱斯勒。他在上世紀70年代，就預見性地提出了“凱斯勒效應”的概念。

1978年，美國宇航局約翰遜航天中心以凱斯勒為首的一些科學家提出了幾點關于未來空間碎片演化的預測，其中包括：在不遠的將來，很可能在2000年以前，衛(wèi)星碰撞解體將成為衛(wèi)星碎片的新來源；在碰撞解體持續(xù)發(fā)生的情況下，即使人類不再向太空發(fā)射人造物體，從長期來看，空間碎片數(shù)量也會隨時間推移呈指數(shù)增長；衛(wèi)星碰撞將產(chǎn)生更多數(shù)量的空間碎片，每個空間碎片都會增加未來碰撞的概率，最終形成環(huán)繞地球的碎片環(huán)帶。

簡單來說，就是當人類向太空中發(fā)射的空間物體達到一定的數(shù)量和密度時，隨著物體間隨機碰撞的發(fā)生，碰撞產(chǎn)生的碎片數(shù)量將大于人類發(fā)射進入空間物體的數(shù)量，這將成為新空間碎片的主要來源。

在極端情況下，人造空間物體之間自發(fā)的碰撞就如同原子彈裂變一樣，發(fā)展成為不斷增強的連鎖反應，逐漸包圍地球，最終使得新進入空間的衛(wèi)星無法在這樣的空間碎片環(huán)境下生存，航天發(fā)射無利可圖，航天產(chǎn)業(yè)不再存在。

那么目前地球軌道的空間碎片環(huán)境狀況到底是怎樣的呢？自從1957年蘇聯(lián)發(fā)射“斯普特尼克一號”開始，越來越多的人造物體被送入太空。據(jù)統(tǒng)計，目前被空間碎片監(jiān)測網(wǎng)絡定期跟蹤、編目的碎片超過28000個，近地軌道人造物體的總質量超過了9200噸。歐空局發(fā)布的空間環(huán)境報告顯示，截至2021年1月，空間物體（在軌衛(wèi)星+各類太空垃圾）數(shù)量達上億個。

從軌道分布來講，這些空間碎片主要密集分布在地球周邊的3個軌道：距離地面2000公里以下的近地軌道區(qū)域、20000公里的中高軌區(qū)域、36000公里的地球同步軌道區(qū)域。自2010年以來，由于大型互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座的部署，以及立方體衛(wèi)星的大量發(fā)射，近地軌道的空間物體數(shù)量激增。

如此巨大的人造空間物體存量和增量，使得空間碎片問題愈加嚴峻。人們對凱斯勒效應的質疑逐漸被現(xiàn)實所說服。截至目前，由于航天器爆炸或相互碰撞產(chǎn)生的解體碎片已經(jīng)占到了空間碎片總數(shù)的大約一半。

空間碎片危害多

看了上面的數(shù)據(jù)，也許有人認為，對于空曠浩渺的宇宙來說，這點空間碎片不過如同塵埃一般，值得大家如此關注嗎？

實際上，目前對于人類來說，最具利用價值的空間資源是極其有限的，僅僅是環(huán)繞地球的一些狹窄軌道區(qū)間。由于空間碎片速度比較快，各種尺寸的碎片都會對航天器造成危害，較大碎片撞擊會使航天器破裂、爆炸、結構解體，微小碎片累積效應會改變元器件的性能，導致航天器性能下降或功能失效。

空間碎片平均撞擊速度可以達到10公里/秒，厘米級空間碎片產(chǎn)生的動能就相當于一輛小轎車以五六十公里的時速撞上衛(wèi)星，撞上即可導致航天器徹底損壞。

1996年7月24日，一個歐空局阿里安火箭的碎片就以14.8公里/秒的相對速度撞斷了法國正在工作的櫻桃電子偵察衛(wèi)星的重力梯度穩(wěn)定桿，使得后者姿態(tài)失去控制。國際空間站在服役的20多年間，也曾多次緊急調整軌道，躲避襲來的碎片。

另外還要警惕空間碎片隕落的威脅。位于近地軌道的空間物體結構堅固，失效后受大氣阻力作用，軌道高度逐步降低，最后重返大氣層。由于質量和體積較大，大型空間物體在大氣層中不能完全燃燒，最后會有部分殘骸隕落到地表，并有可能對隕落區(qū)域居民的生命和財產(chǎn)安全造成損害，同時有可能對隕落區(qū)域的自然環(huán)境造成污染。

隕落事件幾乎每天都會發(fā)生。歷史上造成重大影響的空間碎片隕落事件包括：蘇聯(lián)的宇宙系列核動力衛(wèi)星曾失控落在加拿大，造成了一定的核污染；哥倫比亞號航天飛機在再入過程中失事，一些耐高溫的部件也完整地掉到了地面。

緩解空間碎片危機

目前世界多國和許多國際機構都對空間碎片問題保持關注，采取以下方面措施減緩空間碎片帶來的影響。

一是控制增量。這方面的措施主要是針對設計、制造過程中的航天器，盡量減少工作過程中操作性碎片的釋放，比如分離機構、鏡頭保護蓋等。另外還要求航天器在壽命結束前進行鈍化處理，即耗盡器內殘存的推進劑、電池電量，釋放艙內壓力，以免這些能量物質在未來導致退役航天器發(fā)生在軌爆炸解體。

二是減少存量。這主要針對已經(jīng)進入環(huán)繞地球軌道的航天器。目前國際社會最主要的一條要求，就是要低軌衛(wèi)星在工作壽命結束后25年內再入大氣隕落。如果衛(wèi)星的軌道較高，達不到25年內自然隕落的要求，衛(wèi)星需要采取適當?shù)碾x軌措施，降低軌道達到限期要求。對于地球靜止軌道衛(wèi)星，建議工作壽命結束后抬高軌道至墳墓軌道，保證被棄置的衛(wèi)星不再穿越正常的靜止軌道。除此之外，近年來隨著在軌服務技術的發(fā)展，發(fā)射專用航天器，通過機械臂抓捕、飛網(wǎng)捕捉、魚叉捕捉等方式擒獲較大尺寸的碎片，將其帶離軌道的主動清除技術也開始嶄露頭角。

三是體系防控。這主要是利用部署在地面的各種空間態(tài)勢感知傳感器，對運行在地球軌道上的空間物體進行不斷觀測并編目；利用觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)軌道動力學原理，對空間物體在未來一段時間內的運行軌跡進行預測；結合所有空間物體的軌道預測數(shù)據(jù)，進行空間物體交會分析；篩選出在軌交會碰撞概率大于門限值的事件，對相關方進行預警。相關方接到預警后再次核實，若情況屬實，就指揮自己的在軌衛(wèi)星進行主動碰撞規(guī)避機動。

本次SpaceX公司在報告中提到的大量星鏈衛(wèi)星機動即屬于這種情形。據(jù)報道，自2019年發(fā)射首顆星鏈衛(wèi)星以來，SpaceX公司的衛(wèi)星已經(jīng)被迫機動了5萬多次，以防止碰撞。數(shù)據(jù)如此驚人的原因，一方面是因為SpaceX公司采取了更為嚴苛的十萬分之一碰撞概率門限，而國際社會一般采用萬分之一的碰撞概率門限。

另一方面，SpaceX公司在星鏈衛(wèi)星上采用了自主避讓系統(tǒng)，通過衛(wèi)星之間的通信和協(xié)調，實現(xiàn)衛(wèi)星軌道的實時調整。當系統(tǒng)檢測到兩顆衛(wèi)星軌道有可能相交時，會自動調整其中一顆衛(wèi)星的軌道，以避免碰撞的發(fā)生。這種自動化的措施，再加上星鏈衛(wèi)星的龐大數(shù)量，可能進一步放大了避碰機動的次數(shù)。（作者：于遠航 把關專家：中國航天科技集團科技委副主任 江帆）