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曾經(jīng)，太空碎片碰撞還是科幻電影中的橋段?，F(xiàn)在，這種危險(xiǎn)真實(shí)存在了——2021年7月和10月，美國(guó)太空探索技術(shù)公司發(fā)射的星鏈衛(wèi)星先后兩次接近中國(guó)空間站，導(dǎo)致中國(guó)空間站采取緊急避碰措施。而這，并不是個(gè)案。太空如此廣袤，為何也會(huì)出現(xiàn)這種情況?衛(wèi)星不能隨便“飛”嗎?太空“交通規(guī)則”該如何建立?

碰撞的根源

太空雖然廣袤，但自然法則無(wú)法違逆，空間物體近距離交會(huì)無(wú)法避免

人類在從地心說(shuō)到銀河系的認(rèn)識(shí)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)天體普遍具有自轉(zhuǎn)的特征，牛頓無(wú)法解釋其產(chǎn)生的原因，于是說(shuō)可能是“上帝之手推了它一把”。根據(jù)高中物理所學(xué)的“萬(wàn)有引力”定律，地球軌道上的空間物體，在地心引力作用下在各自的圓或橢圓軌道上運(yùn)行。在沒有外部干擾力時(shí)，在軌空間物體的軌道是不會(huì)發(fā)生變化的，更不會(huì)發(fā)生碰撞。

如今我們已經(jīng)明白，地球并非正球形天體，赤道半徑比極地半徑約長(zhǎng)21公里，且赤道面也存在輕微隆起?？梢詫⒌厍蛐蜗蟮乇茸鞅粔罕獾幕@球，并在赤道對(duì)稱位置粘貼上兩塊“泥巴”。這兩塊“泥巴”正是同步軌道衛(wèi)星會(huì)產(chǎn)生東西方向漂移的奧秘之一，同步軌道衛(wèi)星需要定期耗費(fèi)一定燃料“抵御”干擾，進(jìn)行軌道位置保持。由于攜帶燃料有限，所以存在軌道壽命的制約。

但是，沒有“但是”——在地球非球形、海洋潮汐、大氣阻尼、日月等天體的作用下，繞地球運(yùn)行的空間物體軌道始終處于緩慢變化之中。根據(jù)干擾力的性質(zhì)不同，軌道變化分為周期性變化和長(zhǎng)期變化。軌道緩慢變化，高度相近的空間物體存在近似周期性的接近，稱之為“近距離交會(huì)事件”。

事物總具有兩面性，既對(duì)立又統(tǒng)一。正如地球扁率攝動(dòng)加以利用，可設(shè)計(jì)出太陽(yáng)同步軌道，便于遙感等衛(wèi)星獲取相同光照條件下的圖像。與此同時(shí)，干擾力的存在給精確預(yù)報(bào)軌道帶來(lái)困難和挑戰(zhàn)。尤其是在太陽(yáng)活動(dòng)的擾動(dòng)下，難以準(zhǔn)確預(yù)計(jì)低地球軌道上的大氣密度環(huán)境，導(dǎo)致空間碎片預(yù)警工作中的虛警和漏警問題。所謂“虛警”，即高估了兩空間物體的交會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，引發(fā)不必要的避碰工作，既浪費(fèi)航天器寶貴的燃料，又影響正常的衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)等工作開展。“漏警”指低估了空間物體的交會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，使航天器或航天員處于極度危險(xiǎn)之中。

空間碎片現(xiàn)狀

太空已經(jīng)變得很擁擠，廣袤的空間一去不復(fù)返，碰撞后果不堪設(shè)想

機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)(IADC)關(guān)于空間碎片的定義是：人類航天活動(dòng)產(chǎn)生的、在軌無(wú)效的空間物體。自1957年10月4日人類將第一顆人造衛(wèi)星Sputnik-1送入太空，時(shí)至今日，已記錄的航天發(fā)射為5775次，共計(jì)將12803顆航天器送入太空。

據(jù)美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)公布數(shù)據(jù)，截至2021年12月，編目的空間物體為50454顆，目前仍然在軌的數(shù)量為24687顆。在這5萬(wàn)顆空間物體中，近4萬(wàn)顆源自碰撞、爆炸等在軌解體事件。1977年美國(guó)航空航天局約翰遜航天中心科學(xué)家凱瑟勒等人預(yù)計(jì)，人類活動(dòng)產(chǎn)生的空間碎片很快會(huì)對(duì)低地球軌道衛(wèi)星產(chǎn)生巨大的威脅。深入研究后，凱瑟勒在1990年發(fā)表了《碰撞級(jí)聯(lián)效應(yīng)：低地球軌道碎片數(shù)量極限》一文，講述空間碎片的快速增長(zhǎng)，終將產(chǎn)生碎片間的級(jí)聯(lián)碰撞，廣袤的空間將一去不復(fù)返……

不斷增長(zhǎng)的空間碎片，使得地球軌道資源擁擠不堪，對(duì)在軌航天器的安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。尺寸在厘米級(jí)及以上的空間碎片撞擊，可導(dǎo)致航天器穿孔甚至解體，直至徹底損壞。厘米級(jí)及以下的空間碎片撞擊，可導(dǎo)致航天器部分功能受損或失效，關(guān)鍵部件的受損也可能引起整星失效。

1992年美國(guó)航天飛機(jī)亞特蘭蒂斯號(hào)，在505公里高度運(yùn)行了11個(gè)月，返回后發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能帆板存在2000余個(gè)碰撞點(diǎn)，碎片在舷窗上留下撞擊孔，部分已穿透鋁制隔板。但幸運(yùn)的是，并沒有造成航天飛機(jī)的災(zāi)難性事件。另一些衛(wèi)星就沒那么幸運(yùn)了——1996年法國(guó)Cerise衛(wèi)星的重力梯度桿，被Ariane衛(wèi)星爆炸產(chǎn)生的碎片撞擊損壞，衛(wèi)星姿態(tài)失控，最終報(bào)廢;2009年2月10日，美國(guó)銥星33和俄羅斯宇宙2251兩衛(wèi)星發(fā)生在軌碰撞事件，衛(wèi)星解體產(chǎn)生10厘米以上空間碎片數(shù)量超過(guò)2000顆。

風(fēng)險(xiǎn)如何評(píng)估

在空間碎片監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，有兩種碰撞風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法

那么，這么多的碎片如何監(jiān)測(cè)?眾多的空間物體在圍繞地球的軌道上運(yùn)行，為掌握它們包括軌道信息在內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)，需要借助地面測(cè)站、星載雷達(dá)和望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備對(duì)空間物體進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，稱之為編目工作。