“風(fēng)神”變軌以免和“星鏈”衛(wèi)星相撞
天上沒交警、衛(wèi)星多，怎樣避免出“車禍”
近日，歐空局對地球科學(xué)衛(wèi)星“風(fēng)神”實(shí)施了一次變軌機(jī)動，以避免與美國太空探索技術(shù)公司的一顆“星鏈”衛(wèi)星相撞。
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歐空局對這次操作有所不滿。他們本希望“星鏈”衛(wèi)星能避讓，但太空探索技術(shù)公司沒接茬，他們只得讓自己的衛(wèi)星變軌。這種事情如果僅此一次倒也罷了，但他們不得不對未來產(chǎn)生憂慮。該局在推文中表示，一旦有更多衛(wèi)星入軌，諸如“星鏈”和其他規(guī)劃中的巨型星座項(xiàng)目下的那些衛(wèi)星，這種靠“手動”來避免潛在相撞的辦法將不可持續(xù)。
這種擔(dān)憂不無道理。全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩告訴科技日報記者，截至目前人類總共發(fā)射了8000多個航天器，在軌運(yùn)行的有1500多個。然而近年一些航天機(jī)構(gòu)提出了各種巨型星座項(xiàng)目，例如僅“星鏈”星座就計(jì)劃發(fā)射12000顆衛(wèi)星，而且相當(dāng)一部分衛(wèi)星將部署在500多公里高度的近地軌道。這可能使衛(wèi)星相撞的概率大大增加。
史上僅發(fā)生過一例衛(wèi)星“車禍”
衛(wèi)星相撞的事件確實(shí)發(fā)生過。2009年2月，美國“銥星33”在西伯利亞上空近800公里高度，撞到了已經(jīng)報廢的俄羅斯“宇宙-2251”衛(wèi)星。這是截至目前，人類航天史上唯一一次衛(wèi)星與衛(wèi)星相撞事件。
撞擊的結(jié)果相當(dāng)慘烈。兩顆衛(wèi)星的重量分別為560公斤和900公斤，各自以每秒7.9公里的第一宇宙速度飛行。撞擊后不僅銥星“身亡”，而且產(chǎn)生了大量碎片，散落到從幾百公里到一千多公里高度的太空中，對后續(xù)太空計(jì)劃造成了影響。
但這種“車禍”概率并不高。試想，即使在槍林彈雨的戰(zhàn)場，兩顆子彈相撞的幾率能有多大，何況是廣闊的太空中數(shù)量并不很多的衛(wèi)星呢。
此次“風(fēng)神”與“星鏈”間雖然出現(xiàn)險情，相撞的可能性其實(shí)也很小。根據(jù)美國空間標(biāo)準(zhǔn)與創(chuàng)新中心的“衛(wèi)星軌道交會空間威脅性相遇評估報告”顯示，這兩顆衛(wèi)星會在美國東部時間9月2日早上7點(diǎn)多，以每秒14.4公里的相對速度“擦肩而過”，最近距離大約4公里，相撞的概率不足百萬分之一。
中國航天科技集團(tuán)五院總體部軌道主管設(shè)計(jì)師高珊向科技日報記者介紹，衛(wèi)星運(yùn)行的軌道分很多種。例如，按照軌道高度，可分為2000公里以內(nèi)的近地軌道、20000公里左右的中高軌道，以及將近36000公里的地球靜止軌道等。
即使在近地軌道運(yùn)行的衛(wèi)星，軌道也五花八門。從偏心率來看，有圓軌道、近圓軌道、橢圓軌道；從軌道傾角來看，有繞著地球的“腰帶”飛行的赤道軌道，有幾乎垂直于赤道、飛經(jīng)地球兩極的極地軌道，還有軌道傾角與赤道關(guān)系介于水平與垂直之間的傾斜軌道。
所以，飛行在不同高度、不同軌道的衛(wèi)星，要想在同一時間在茫茫太空中相遇，也是需要很大的緣分。
相撞概率雖低，避讓卻很麻煩
衛(wèi)星相撞的概率雖低，空間碎片卻不可不防。看過電影《地心引力》的朋友，想必都會對這些太空垃圾的威力留下深刻印象。
2009年美俄衛(wèi)星相撞后，雙方一度為事故責(zé)任發(fā)生了爭執(zhí)，但后來美方承認(rèn)了自己在預(yù)警方面的失職。負(fù)責(zé)追蹤太空殘骸的美國國防部事后表示，當(dāng)時太空垃圾多達(dá)18000個，國防部無法逐一追蹤，根本不可能預(yù)測這種相撞事故。
高珊介紹，如今地球附近被記錄在案的廢棄航天器以及空間碎片，已經(jīng)超過5萬個。
不過，人類對太空垃圾的監(jiān)測能力也大有提高。龐之浩說，多個國家合作建設(shè)了地面太空監(jiān)視系統(tǒng)，通過雷達(dá)、光學(xué)等手段，對在軌航天器及空間碎片的動態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。
2010年9月，美國還發(fā)射了天基太空監(jiān)視系統(tǒng)首顆衛(wèi)星，讓其與地面系統(tǒng)合作，形成天地一體化的太空監(jiān)視網(wǎng)。隨后，加拿大、德國、意大利等國，也在太空計(jì)劃中開展了天基太空碎片監(jiān)測的嘗試。
有較為精密的太空監(jiān)測作為基礎(chǔ)，使人類具備更強(qiáng)的為航天器預(yù)測風(fēng)險，以及幫它們化險為夷的能力。
高珊說，航天器設(shè)計(jì)上有一門專業(yè)叫做“空間碎片防護(hù)”，是利用強(qiáng)度較高的材料，在航天器表面加上一層“鎧甲”。另外航天器設(shè)計(jì)布局時，也會有所考慮，避免把比較脆弱的部件暴露在外。這樣，當(dāng)遇到比較細(xì)微的空間碎片時，航天器具有一定的抵御能力。
如果面對較大的空間碎片，就需要航天器主動躲避了。國際空間站、天宮二號等都曾為此實(shí)施過變軌。
龐之浩說，衛(wèi)星自身擁有推進(jìn)器，是具備變軌能力的。例如衛(wèi)星被火箭發(fā)射到預(yù)定軌道后，就需要自身發(fā)動機(jī)點(diǎn)火工作，飛到最終的工作軌道。也有一些遙感衛(wèi)星，會根據(jù)任務(wù)需求實(shí)施軌道機(jī)動，對指定位置開展觀測。
高珊介紹，為躲避障礙物而實(shí)施變軌，事先需要一段準(zhǔn)備過程。一般來說，太空監(jiān)視系統(tǒng)會提前數(shù)天發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星可能遇到的險情，并發(fā)出預(yù)警，隨后系統(tǒng)會持續(xù)監(jiān)測相關(guān)衛(wèi)星和空間碎片的動態(tài)，不斷更新數(shù)據(jù)。地面飛控人員則需提前制定合適的預(yù)案，如果確定存在碰撞風(fēng)險，就要在適當(dāng)?shù)臅r候以最小的代價來采取措施。畢竟軌道機(jī)動需要消耗燃料，這直接關(guān)系著衛(wèi)星的工作壽命。
龐之浩說，通常航天器的避讓方案都是略微提升軌道高度。此次“風(fēng)神”也是如此，歐空局在兩顆衛(wèi)星相距半圈時，提高了“風(fēng)神”的軌道高度，讓它從“星鏈”的頭頂飛過。
但這種變軌也很麻煩。歐空局后來抱怨說：“這些避撞機(jī)動要花很多時間來準(zhǔn)備，包括要確定所有在用航天器的未來軌道位置，還要計(jì)算相撞風(fēng)險和各種不同行動的潛在后果。”
衛(wèi)星運(yùn)行管理需“守規(guī)矩”、別添堵
新衛(wèi)星在軌道設(shè)計(jì)時，會不會為避免與在軌衛(wèi)星碰撞而有所考慮呢？
高珊表示，并沒有，目前的軌道設(shè)計(jì)仍以任務(wù)需求為重。
畢竟，太空里還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有堵到讓衛(wèi)星因?yàn)榕隆白曹嚒倍枰袄@路上班”的地步。
龐之浩說，相比低軌衛(wèi)星，國際上對地球靜止軌道衛(wèi)星的間距有一定要求，因?yàn)樵撥壍蕾Y源更為有限。但那也不是為了防止衛(wèi)星相撞，而主要是為避免衛(wèi)星之間出現(xiàn)頻率干擾。
美俄衛(wèi)星相撞后，美國宇航局約翰遜航天中心太空垃圾研究專家馬特內(nèi)曾抱怨說：“我們知道這種事情遲早要發(fā)生，衛(wèi)星太空相撞問題將在今后幾十年變得越來越突出?！?/p>
確實(shí)如此。隨著人類航天活動的快速發(fā)展，如果未來每年都有成百上千顆衛(wèi)星蜂擁而上，同時產(chǎn)生更多太空垃圾，再寬廣的軌道空間，也總有一天會擁堵起來。
高珊表示，如果軌道環(huán)境擁擠到一定程度，可以對衛(wèi)星的軌道參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，例如抬高幾公里，以避開“擁堵路段”。同時她認(rèn)為，更重要的是在衛(wèi)星運(yùn)行管理中遵守“交通規(guī)則”，別添堵別添亂，并加強(qiáng)對空間飛行物的監(jiān)測。
記者了解到，我國承擔(dān)航天器在軌運(yùn)行管理的單位如北京飛行控制中心等，近年來致力于向智能化、自主化方向發(fā)展，不斷提升著管理能力和水平。
歐空局和太空探索技術(shù)公司也聲稱，正在研究依靠人工智能或自主式系統(tǒng)幫助衛(wèi)星躲避碰撞的技術(shù)。
此外還有許多人對動輒上萬顆衛(wèi)星的龐大計(jì)劃懷有疑問，是否有必要？畢竟這么多衛(wèi)星報廢后都將成為不可控的太空垃圾，難免對太空環(huán)境產(chǎn)生威脅。
本報記者 付毅飛