空间物体近距离交会无法避免 太空“交通规则”如何建立

曾经，太空碎片碰撞还是科幻电影中的桥段。现在，这种危险真实存在了——2021年7月和10月，美国太空探索技术公司发射的星链卫星先后两次接近中国空间站，导致中国空间站采取紧急避碰措施。而这，并不是个案。太空如此广袤，为何也会出现这种情况?卫星不能随便“飞”吗?太空“交通规则”该如何建立?

碰撞的根源

太空虽然广袤，但自然法则无法违逆，空间物体近距离交会无法避免

人类在从地心说到银河系的认识过程中，发现天体普遍具有自转的特征，牛顿无法解释其产生的原因，于是说可能是“上帝之手推了它一把”。根据高中物理所学的“万有引力”定律，地球轨道上的空间物体，在地心引力作用下在各自的圆或椭圆轨道上运行。在没有外部干扰力时，在轨空间物体的轨道是不会发生变化的，更不会发生碰撞。

如今我们已经明白，地球并非正球形天体，赤道半径比极地半径约长21公里，且赤道面也存在轻微隆起。可以将地球形象地比作被压扁的篮球，并在赤道对称位置粘贴上两块“泥巴”。这两块“泥巴”正是同步轨道卫星会产生东西方向漂移的奥秘之一，同步轨道卫星需要定期耗费一定燃料“抵御”干扰，进行轨道位置保持。由于携带燃料有限，所以存在轨道寿命的制约。

但是，没有“但是”——在地球非球形、海洋潮汐、大气阻尼、日月等天体的作用下，绕地球运行的空间物体轨道始终处于缓慢变化之中。根据干扰力的性质不同，轨道变化分为周期性变化和长期变化。轨道缓慢变化，高度相近的空间物体存在近似周期性的接近，称之为“近距离交会事件”。

事物总具有两面性，既对立又统一。正如地球扁率摄动加以利用，可设计出太阳同步轨道，便于遥感等卫星获取相同光照条件下的图像。与此同时，干扰力的存在给精确预报轨道带来困难和挑战。尤其是在太阳活动的扰动下，难以准确预计低地球轨道上的大气密度环境，导致空间碎片预警工作中的虚警和漏警问题。所谓“虚警”，即高估了两空间物体的交会风险，引发不必要的避碰工作，既浪费航天器宝贵的燃料，又影响正常的卫星观测任务等工作开展。“漏警”指低估了空间物体的交会风险，使航天器或航天员处于极度危险之中。

空间碎片现状

太空已经变得很拥挤，广袤的空间一去不复返，碰撞后果不堪设想

机构间空间碎片协调委员会(IADC)关于空间碎片的定义是：人类航天活动产生的、在轨无效的空间物体。自1957年10月4日人类将第一颗人造卫星Sputnik-1送入太空，时至今日，已记录的航天发射为5775次，共计将12803颗航天器送入太空。

据美国空间监视网公布数据，截至2021年12月，编目的空间物体为50454颗，目前仍然在轨的数量为24687颗。在这5万颗空间物体中，近4万颗源自碰撞、爆炸等在轨解体事件。1977年美国航空航天局约翰逊航天中心科学家凯瑟勒等人预计，人类活动产生的空间碎片很快会对低地球轨道卫星产生巨大的威胁。深入研究后，凯瑟勒在1990年发表了《碰撞级联效应：低地球轨道碎片数量极限》一文，讲述空间碎片的快速增长，终将产生碎片间的级联碰撞，广袤的空间将一去不复返……

不断增长的空间碎片，使得地球轨道资源拥挤不堪，对在轨航天器的安全运行产生威胁。尺寸在厘米级及以上的空间碎片撞击，可导致航天器穿孔甚至解体，直至彻底损坏。厘米级及以下的空间碎片撞击，可导致航天器部分功能受损或失效，关键部件的受损也可能引起整星失效。

1992年美国航天飞机亚特兰蒂斯号，在505公里高度运行了11个月，返回后发现太阳能帆板存在2000余个碰撞点，碎片在舷窗上留下撞击孔，部分已穿透铝制隔板。但幸运的是，并没有造成航天飞机的灾难性事件。另一些卫星就没那么幸运了——1996年法国Cerise卫星的重力梯度杆，被Ariane卫星爆炸产生的碎片撞击损坏，卫星姿态失控，最终报废;2009年2月10日，美国铱星33和俄罗斯宇宙2251两卫星发生在轨碰撞事件，卫星解体产生10厘米以上空间碎片数量超过2000颗。

风险如何评估

在空间碎片监测的基础上，有两种碰撞风险识别方法

那么，这么多的碎片如何监测?众多的空间物体在围绕地球的轨道上运行，为掌握它们包括轨道信息在内的运行状态，需要借助地面测站、星载雷达和望远镜等设备对空间物体进行跟踪观测，称之为编目工作。