天上没交警、卫星多,怎样避免出“车祸”?

“风神”改变以避免与“星链”卫星发生碰撞

天空中没有交警或卫星,如何避免“车祸”

最近几天,欧空局在地球科学卫星“风神”上实施了轨道机动,以避免与美国太空探索技术公司的“星链”卫星发生碰撞。

ESA对此操作不满意。他们曾希望可以避免“星链”卫星,但太空探索技术公司没有成功,他们不得不更换卫星。如果这种事情只发生一次,但他们不得不担心未来。该机构在推文中表示,一旦卫星进入轨道,例如计划中的巨型星座项目下的“星链”和其他卫星,这种避免潜在碰撞的“手动”方法将无法持续。

这种担心并非不合理。国家太空探索技术首席科学传播专家庞志浩告诉“科技日报”记者,到目前为止,人类已经发射了8000多个航天器和超过1500个轨道运行。然而,近年来,一些航天机构提出了各种巨型星座项目。例如,只有“星链”星座计划发射12,000颗卫星,相当数量的卫星将部署在500多公里的低地球轨道上。这可能会增加卫星碰撞的可能性。

历史上只发生过一次卫星“车祸”

确实发生了卫星碰撞事件。 2009年2月,美国“彗星33号”在西伯利亚上方近800公里处,击中了已被废弃的俄罗斯“宇宙-2251”卫星。这是人类航空航天历史上唯一的卫星到卫星碰撞。

影响的结果非常激烈。这两颗卫星的重量分别为560千克和900千克,每颗卫星以第一宇宙速度7.9千米/秒的速度飞行。撞击之后,不仅彗星“死”,而且还有大量碎片,从几百公里到一千多公里的空间分散,对后续的太空计划产生了影响。

但这次“车祸”概率并不高。想象一下,即使在子弹下雨的战场上,两颗子弹碰撞的可能性有多大,更不用说太空中的大量卫星了。

尽管“风神”和“星链”之间存在危险,但碰撞的可能性实际上非常小。根据美国太空标准与创新中心的“卫星轨道交叉口空间威胁发生评估报告”,这两颗卫星将于美国东部时间9月2日上午7点以相对速度14.4千米/秒的速度行驶。同样,最近距离约为4公里,碰撞概率不到百万分之一。

中国航天科技集团办公室轨道部主任高山告诉“科技日报”记者,卫星运行轨道有很多种。例如,根据轨道高度,可分为2000公里以内的低地球轨道,约20,000公里的中高轨道和近36,000公里的地球静止轨道。

即使是在低地球轨道上运行的卫星,轨道也是多种多样的。从偏心点来看,有圆形轨道,近圆轨道和椭圆轨道;从轨道倾角的角度来看,地球的“带”周围有赤道轨道,并且极地轨道几乎垂直于赤道并飞过地球的两极。还有一个倾斜的轨道,其中轨道倾角和赤道在水平和垂直之间。

因此,在不同高度和不同轨道飞行的卫星需要很大的命运才能同时在太空中相遇。

碰撞的概率很低,但避免碰撞是非常麻烦的

卫星碰撞的可能性很低,无法防止空间碎片。看过电影《地心引力》的朋友肯定会对这些太空垃圾的力量印象深刻。

2009年美俄卫星相撞后,双方曾就此事故的责任发生争执,但后来美国承认在预警中失职是失职。负责追踪该空间残骸的美国国防部表示,当时有多达18,000个太空船,国防部无法逐一跟踪它们。预测这种碰撞是不可能的。

高山介绍说,今天地球附近有超过5万个废弃的航天器和空间碎片。

然而,人类监测空间碎片的能力也有所改善。庞志浩说,一些国家已经合作建立了一个地面空间监视系统,通过雷达和光学系统监测在轨航天器和空间碎片的动态。

2010年9月,美国还发射了第一颗天基太空监视系统卫星,使其能够与地面系统合作,形成一个整合天地的空间监视网络。随后,加拿大,德国和意大利等国也在太空计划中发起了基于太空的空间碎片监测尝试。

有一个更复杂的太空监视作为人类具备更强的预测航天器风险和帮助他们背弃的能力的基础。

高山说,航天器设计有一个专业称为“空间碎片保护”,它使用更高强度的材料,并在航天器表面增加一层“盔甲”。此外,还将考虑航天器设计布局,以避免暴露更脆弱的组件。这样,当遇到相对较小的空间碎片时,航天器具有一定的抵抗能力。

如果遇到大量空间碎片,航天器需要积极逃避。国际空间站和天宫2号都已经改造。

庞志浩说,卫星本身有一个螺旋桨,能够改变轨道。例如,在卫星通过火箭发射到预定轨道后,它需要自己的发动机点火工作才能飞到最终的工作轨道。还有一些遥感卫星根据任务要求进行轨道机动,并在指定地点进行观测。

高山介绍说,为了避免障碍,改变过程的实施需要提前准备过程。一般而言,空间监视系统将检测卫星可能提前几天遇到的危险并发出预警。然后,系统将持续监测相关卫星和空间碎片的动态,并不断更新数据。地面飞行控制员需要提前制定适当的计划。如果确定存在碰撞风险,则应在适当的时间以最低成本采取措施。毕竟,轨道机动需要消耗燃料,这与卫星的工作寿命直接相关。

庞之浩说,通常航天器的避让方案都是略微提升轨道高度。此次“风神”也是如此,欧空局在两颗卫星相距半圈时,提高了“风神”的轨道高度,让它从“星链”的头顶飞过。

但这种变轨也很麻烦。欧空局后来抱怨说:“这些避撞机动要花很多时间来准备,包括要确定所有在用航天器的未来轨道位置,还要计算相撞风险和各种不同行动的潜在后果。”

卫星运行管理需“守规矩”、别添堵

新卫星在轨道设计时,会不会为避免与在轨卫星碰撞而有所考虑呢?

高珊表示,并没有,目前的轨道设计仍以任务需求为重。

毕竟,太空里还远远没有堵到让卫星因为怕“撞车”而需要“绕路上班”的地步。

庞之浩说,相比低轨卫星,国际上对地球静止轨道卫星的间距有一定要求,因为该轨道资源更为有限。但那也不是为了防止卫星相撞,而主要是为避免卫星之间出现频率干扰。

美俄卫星相撞后,美国宇航局约翰逊航天中心太空垃圾研究专家马特内曾抱怨说:“我们知道这种事情迟早要发生,卫星太空相撞问题将在今后几十年变得越来越突出。”

确实如此。随着人类航天活动的快速发展,如果未来每年都有成百上千颗卫星蜂拥而上,同时产生更多太空垃圾,再宽广的轨道空间,也总有一天会拥堵起来。

高珊表示,如果轨道环境拥挤到一定程度,可以对卫星的轨道参数进行优化调整,例如抬高几公里,以避开“拥堵路段”。同时她认为,更重要的是在卫星运行管理中遵守“交通规则”,别添堵别添乱,并加强对空间飞行物的监测。

记者了解到,我国承担航天器在轨运行管理的单位如北京飞行控制中心等,近年来致力于向智能化、自主化方向发展,不断提升着管理能力和水平。

欧空局和太空探索技术公司也声称,正在研究依靠人工智能或自主式系统帮助卫星躲避碰撞的技术。

此外还有许多人对动辄上万颗卫星的庞大计划怀有疑问,是否有必要?毕竟这么多卫星报废后都将成为不可控的太空垃圾,难免对太空环境产生威胁。

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