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空間交通管理,都要管些啥?

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所謂空間交通管理,當然就是管理飛行在地球軌道上的各種物品。然而在太空環(huán)境中,什么叫物體,這不是一個(gè)很容易就能說(shuō)清楚的問(wèn)題。在不同的文獻和法律法規當中,對于什么叫太空物體,做了不同的描述。雖然大體上是相同的,但多少也有那么一點(diǎn)差異。

空間交通管理的對象

廣義的空間物體包括自然形成的天體和人造天體。自然天體可以認為是宇宙中各種星體的總稱(chēng),包括星團、星系、星云、星際物質(zhì)、恒星、行星、衛星、彗星、隕星、小行星、流星體等。當然,這其中絕大多數都不是我們要討論的空間交通管理對象,只有近地小行星和微流星會(huì )影響空間交通。

空間交通管理的對象,是狹義的空間物體,在《關(guān)于各國探索和利用包括月球和其它天體在內外層空間活動(dòng)的原則條約》中,把“空間物體”描述為射入宇宙空間的物體本身及其零件、運載工具及運載工具的零件。這個(gè)條約的名字是不是太難記了?其實(shí),這就是如雷貫耳的《宇宙空間條約》。根據條約,各國發(fā)射到太空里的物體,都要在聯(lián)合國和平利用外層空間委員會(huì )進(jìn)行登記。

我國2001年發(fā)布的《空間物體登記管理辦法》第二條指出:本辦法所稱(chēng)空間物體是指進(jìn)入外層空間的人造地球衛星、載人航天器、空間探測器、空間站、運載工具及其部件,以及其他人造物體。

SAIC公司為美國宇航局撰寫(xiě)的有關(guān)報告《軌道交通管制報告》中提出,在空間交通管理領(lǐng)域的“空間物體”應限于軌道垃圾和航天器,也就是說(shuō),只考慮人造物體。

但是另外一些學(xué)者并不認同這樣狹義的劃分,認為自然物體同樣應該被考慮在“空間物體”之內。我們都知道,自然環(huán)境對于交通的影響是不可忽視的。在地球上無(wú)論航空、陸地交通還是航海,都會(huì )受到大自然的嚴重影響,包括天氣災害、地質(zhì)災害影響都很大。那么,太空里有沒(méi)有這兩種類(lèi)型的災害呢?當然也是有的,空間天氣的影響要素比大氣層里一點(diǎn)都不少。不但如此,太空也有自己的地質(zhì)問(wèn)題,那就是小行星和微流星。短期內,近地小行星不太可能對地球軌道上的交通造成什么破壞性的影響,但是微流星的影響卻是不可忽視的。國際空間站的太陽(yáng)電池已經(jīng)多次遭到微流星的破壞,雖然并沒(méi)有影響實(shí)際工作,但是被打出窟窿的事情就經(jīng)常發(fā)生。

在國外的相關(guān)研究中,雖然提出了對于空間碰撞的擔憂(yōu),但對軌道飛行安全的威脅,更多地在有關(guān)太空垃圾的話(huà)題下進(jìn)行。

太空垃圾知多少

對于太空垃圾,不同機構的定義倒是區別不大。

太空垃圾想象圖

聯(lián)合國和平利用外層空間委員會(huì )和國際機構間空間碎片協(xié)調委員會(huì )對太空垃圾的定義是:地球軌道上在軌運行或再入大氣層的無(wú)功能的人造物體及其殘塊和組件。由德國、瑞士、奧地利航天局和部分航天研究機構聯(lián)合發(fā)布的《歐洲空間交通管制系統的實(shí)施白皮書(shū)》中給出的太空垃圾定義為:位于各種地球軌道上的、不再正常工作的人造物體,包括碎片和零部件?;诖?,這份白皮書(shū)還進(jìn)一步給出了“可跟蹤物體”和“不可跟蹤物體”的概念?!翱筛櫸矬w”定義為可以被發(fā)現的物體,其軌道是已經(jīng)得到確定和可以預測的?!翱筛櫸矬w”包括軌道垃圾和正常的衛星?!安豢筛櫸矬w”則無(wú)法被發(fā)現,太空態(tài)勢感知系統無(wú)法感知它們。

國際宇航科學(xué)研究院的《太空交通研究》報告將軌道垃圾定義為:人類(lèi)放置到軌道上的、不再具有任何功能的物體。這些物體包括廢棄的火箭分級和零部件,也包括材料、垃圾、碎片,以及其他有意或無(wú)意丟棄或生成的物體。

上述定義中,多次提到所謂的“無(wú)功能”“不再正常工作”,這就需要討論空間物體的具體行為方式了。

航天器最主要的行為就是正常的軌道飛行和正常工作。比如,通訊衛星能夠正常轉發(fā)網(wǎng)絡(luò )信息,遙感衛星能夠正常獲取地面影像并且把它發(fā)送給地面站,導航衛星能夠正常播發(fā)導航信息。而且,所有這些衛星都能夠正確保持自己的軌道參數和姿態(tài),不會(huì )偏離太多。在這個(gè)過(guò)程當中,按道理說(shuō),衛星不會(huì )和任何其他航天器發(fā)生沖撞。

第二種行為就是入軌,就是說(shuō),從運載火箭上分離之后,衛星憑借自己的動(dòng)力進(jìn)入工作軌道。在這個(gè)過(guò)程當中,衛星有可能要穿越其他航天器的軌道,這時(shí)候就要考慮到避免碰撞和干擾的問(wèn)題。

第三種行為與之相反,就是降軌,當衛星結束工作壽命之后,需要返回大氣層燒毀,免得留在軌道上成為垃圾。那么降低軌道的過(guò)程當中,衛星也有可能要穿越其他航天器的軌道,同樣存在著(zhù)沖撞的風(fēng)險。但有些高軌衛星不需要返回大氣層燒毀,它們會(huì )進(jìn)入一些特別指定的墓地軌道,這個(gè)機動(dòng)過(guò)程當中有同樣的風(fēng)險。

星鏈衛星威脅中國空間站,就是第二種和第三種行為。

最后一種行為就是完全失控,衛星既不能工作也不能返回大氣層,更不能進(jìn)入墓地軌道,只能像僵尸一樣在太空里憑借慣性飛行,非常危險。早期發(fā)射的衛星沒(méi)有考慮到降軌的問(wèn)題,所以多數都僵尸化了。那么,太空里到底有多少垃圾?在人類(lèi)60多年的航天史中,總共向宇宙中發(fā)射了超過(guò)30000噸的物質(zhì),除進(jìn)入深空和墜入地球的航天器之外,很大一部分都已經(jīng)成為了空間碎片。

根據美國空間監測網(wǎng)數據,到2017年,美國在地球軌道已經(jīng)跟蹤到42000個(gè)空間物體,空間碎片總質(zhì)量達到了7500噸,其中在低軌區域(LEO,軌道高度200~2000千米)的質(zhì)量為2700噸。地球軌道中,尺度在10厘米以上的空間碎片數量已達23000個(gè);尺度在1~10厘米的碎片數量大約為50萬(wàn)個(gè);尺度在1~10毫米的碎片數量約為1億個(gè),1毫米以下的碎片數量數以百億計。隨著(zhù)幾個(gè)超級低軌星座衛星的不斷發(fā)射,上面的數字肯定會(huì )越來(lái)越大,碎片越來(lái)越多。

空間碎片平均質(zhì)量密度為每立方厘米2.7克,主要成分為鋁/鋁合金(占44%)、復合材料(占37%)、不銹鋼(占12%)、鈦合金和銅等??臻g碎片主要幾何形狀為板狀、塊狀、桿狀、薄片狀,絕大部分為不規則形狀。

空間碎片在空間的高度分布并不均勻,在低軌區域、中軌區域和高軌區域,已編目的空間碎片數量比例分別為:75.2%,8.3%,9.4%。其中,700千米~1100千米之間的軌道上碎片最多。

由于多數航天器沒(méi)有離軌手段,目前在軌退役航天器的解體和失去功能航天器間的碰撞已成為空間碎片數量增長(cháng)的主要原因。早在2018年12月就有報道說(shuō),太空探索技術(shù)公司一次性部署的64顆星鏈衛星中,已有19顆衛星尚未識別身份,無(wú)法與地面運營(yíng)商建立通訊聯(lián)系。雖然隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步,星鏈衛星的失效概率會(huì )越來(lái)越低,但考慮到發(fā)射數量巨大,失控衛星的絕對數量還是很可觀(guān)的,這給宇宙空間可持續發(fā)展帶來(lái)了新的挑戰。

評論
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少傅級
自然天體可以認為是宇宙中各種星體的總稱(chēng),包括星團、星系、星云、星際物質(zhì)、恒星、行星、衛星、彗星、隕星、小行星、流星體等。
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