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歐空局對地球科學衛星實施變軌機動 避免太空出“車禍”

發布時間:2019-09-16 14:57:00 來源:科技日報 責任編輯:caobo

近日,歐空局對地球科學衛星“風神”實施了一次變軌機動,以避免與美國太空探索技術公司的一顆“星鏈”衛星相撞。

歐洲“風神”衛星

歐空局對這次操作有所不滿。他們本希望“星鏈”衛星能避讓,但太空探索技術公司沒有理會,他們只得讓自己的衛星變軌。

這種事情如果僅此一次倒也罷了,但他們不得不對未來產生憂慮。該局在推文中表示,一旦有更多衛星入軌,諸如“星鏈”和其他規劃中的巨型星座項目下的那些衛星,這種靠“手動”來避免潛在相撞的辦法將不可持續。

這種擔憂不無道理。全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩告訴科技日報記者,截至目前人類總共發射了8000多個航天器,在軌運行的有1500多個。

然而近年一些航天機構提出了各種巨型星座項目,例如僅“星鏈”星座就計劃發射12000顆衛星,而且相當一部分衛星將部署在500多公里高度的近地軌道。這可能使衛星相撞的概率大大增加。

史上僅發生過一例衛星“車禍”

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美國“銥星-33號” 和 俄羅斯“宇宙-2251”

衛星相撞的事件確實發生過。2009年2月,美國“銥星33”在西伯利亞上空近800公里高度,撞到了已經報廢的俄羅斯“宇宙-2251”衛星。這是截至目前,人類航天史上唯一一次衛星與衛星相撞事件。

“銥星33”與“宇宙-2251”衛星相撞

撞擊的結果相當慘烈。兩顆衛星的重量分別為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,對后續太空計劃造成了影響。

但這種“車禍”概率并不高。試想,即使在槍林彈雨的戰場,兩顆子彈相撞的幾率能有多大,何況是廣闊的太空中數量并不很多的衛星呢。

2009年2月10日,人類歷史上首次衛星相撞事件發生位置示意圖

此次“風神”與“星鏈”間雖然出現險情,相撞的可能性其實也很小。

根據美國空間標準與創新中心的“衛星軌道交會空間威脅性相遇評估報告”顯示,這兩顆衛星會在美國東部時間9月2日早上7點多,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。

中國航天科技集團五院總體部軌道主管設計師高珊向科技日報記者介紹,衛星運行的軌道分很多種。例如,按照軌道高度,可分為2000公里以內的近地軌道、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。

即使在近地軌道運行的衛星,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、飛經地球兩極的極地軌道,還有軌道傾角與赤道關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。

電影《地心引力》片段

2009年美俄衛星相撞后,雙方一度為事故責任發生了爭執,但后來美方承認了自己在預警方面的失職。負責追蹤太空殘骸的美國國防部事后表示,當時太空垃圾多達18000個,國防部無法逐一追蹤,根本不可能預測這種相撞事故。

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,已經超過5萬個。

不過,人類對太空垃圾的監測能力也大有提高。龐之浩說,多個國家合作建設了地面太空監視系統,通過雷達、光學等手段,對在軌航天器及空間碎片的動態進行監視。

2010年9月,美國還發射了天基太空監視系統首顆衛星,讓其與地面系統合作,形成天地一體化的太空監視網。隨后,加拿大、德國、意大利等國,也在太空計劃中開展了天基太空碎片監測的嘗試。

有較為精密的太空監測作為基礎,使人類具備更強的為航天器預測風險,以及幫它們化險為夷的能力。

高珊說,航天器設計上有一門專業叫做“空間碎片防護”,是利用強度較高的材料,在航天器表面加上一層“鎧甲”。另外航天器設計布局時,也會有所考慮,避免把比較脆弱的部件暴露在外。這樣,當遇到比較細微的空間碎片時,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施過變軌。

龐之浩說,衛星自身擁有推進器,是具備變軌能力的。例如衛星被火箭發射到預定軌道后,就需要自身發動機點火工作,飛到最終的工作軌道。也有一些遙感衛星,會根據任務需求實施軌道機動,對指定位置開展觀測。

1957 - 2015近地軌道遍布的太空垃圾

高珊介紹,為躲避障礙物而實施變軌,事先需要一段準備過程。一般來說,太空監視系統會提前數天發現衛星可能遇到的險情,并發出預警,隨后系統會持續監測相關衛星和空間碎片的動態,不斷更新數據。地面飛控人員則需提前制定合適的預案,如果確定存在碰撞風險,就要在適當的時候以最小的代價來采取措施。畢竟軌道機動需要消耗燃料,這直接關系著衛星的工作壽命。

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“風神”也是如此,歐空局在兩顆衛星相距半圈時,提高了“風神”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:“這些避撞機動要花很多時間來準備,包括要確定所有在用航天器的未來軌道位置,還要計算相撞風險和各種不同行動的潛在后果。”

衛星運行管理需“守規矩”、別添堵

新衛星在軌道設計時,會不會為避免與在軌衛星碰撞而有所考慮呢?

高珊表示,并沒有,目前的軌道設計仍以任務需求為重。

畢竟,太空里還遠遠沒有堵到讓衛星因為怕“撞車”而需要“繞路上班”的地步。

龐之浩說,相比低軌衛星,國際上對地球靜止軌道衛星的間距有一定要求,因為該軌道資源更為有限。但那也不是為了防止衛星相撞,而主要是為避免衛星之間出現頻率干擾。

美俄衛星相撞后,美國宇航局約翰遜航天中心太空垃圾研究專家馬特內曾抱怨說:“我們知道這種事情遲早要發生,衛星太空相撞問題將在今后幾十年變得越來越突出。”

確實如此。隨著人類航天活動的快速發展,如果未來每年都有成百上千顆衛星蜂擁而上,同時產生更多太空垃圾,再寬廣的軌道空間,也總有一天會擁堵起來。

高珊表示,如果軌道環境擁擠到一定程度,可以對衛星的軌道參數進行優化調整,例如抬高幾公里,以避開“擁堵路段”。同時她認為,更重要的是在衛星運行管理中遵守“交通規則”,別添堵別添亂,并加強對空間飛行物的監測。

記者了解到,我國承擔航天器在軌運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、自主化方向發展,不斷提升著管理能力和水平。

歐空局和太空探索技術公司也聲稱,正在研究依靠人工智能或自主式系統幫助衛星躲避碰撞的技術。

此外還有許多人對動輒上萬顆衛星的龐大計劃懷有疑問,是否有必要?畢竟這么多衛星報廢后都將成為不可控的太空垃圾,難免對太空環境產生威脅。

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