人类航天史上第一次卫星相撞事故

航天 · 2016-10-31 18:29:03

2009年2月9日，美国“铱”通信卫星星座的33号卫星和俄罗斯的报废卫星“宇宙2251”在780千米高度相撞，两星顿时化为两团碎片云，继续在轨道上飞行。这是人类航天史上第一次发生正式的卫星相撞，给外层空间的管理和控制提出了新的课题。空间碎片也俗称太空垃圾，本文将同时使用这两个称呼。 　　　　“当事人”简介 　　这次太空“车祸”的双方“当事人”，一个是美国的“铱”卫星，一个是俄罗斯的“宇宙2251”卫星。

“铱”卫星　　　　1997、1998年，美国铱星公司发射了几十颗用于手机全球通信的人造卫星，称为“铱”星。设计之初打算发射77颗卫星环绕地球运行，其轨道很像元素铱的原子结构，于是得名。后因为成本太高而改为66颗卫星，名称未变。这次发生碰撞的33号“铱”星发射于1998年。 　　“宇宙2251”卫星属于苏联/俄罗斯的Strela-2通信卫星星座系列，这个星座的设计思想和“铱”系统非常相似，都是用数个低地球轨道面上的数十颗卫星提供全球通信覆盖。Strela-2的具体星座结构和“铱”星有所不同，它采用3个轨道面，倾角都是74度，各轨道面间隔120度，各卫星近地点在780千米左右，远地点在800千米左右。Strela-2星座从1970年就开始发射，比“铱”星早了20多年，到1993年退役时，Strela-2先后发射了59颗卫星，其中3颗未能入轨。“宇宙2251”卫星服役时的轨道高度为近地点778千米、远地点803千米。 　　由于苏联/俄罗斯的纬度比较高，因此利用地球静止轨道卫星通信时仰角很低，容易受地物遮挡，效果不理想。所以，苏联/俄罗斯通信卫星的轨道设计比较特殊，除了著名的“闪电”轨道外，也倾向于利用低轨道，“宇宙2251”就是一个例子。另外Strela-2研制于70年代，当时正是苏联向全球扩张的高峰期，军事战略和外交战略都需要一种覆盖全球的实时通信手段，这可能也是研制Strela-2的目的之一。 　　比较有趣的是，在碰撞事件发生之初，美国某航天新闻网站曾报道说33号“铱”星是与俄罗斯的“宇宙1818”海洋监视卫星相撞。“宇宙1818”是苏联时代研制的核动力海洋监视卫星，块头比33号“铱”星大很多，更要命的是星上带有一个核反应堆。不过后来俄罗斯高级将领出面澄清，外界才知道俄方“当事人”也是一颗通信卫星。 　　　　“车祸”原因分析 　　在迄今为止人类发射的航天器中，很多都运行在800千米左右高度的轨道上。这个高度的太阳同步轨道对气象观测、遥感、移动通信都非常合适。因此，人类历史上第一次太空“车祸”发生在这个高度，也是完全正常的。 　　任何卫星发射前，设计师们都要为它设计轨道，其中特别要根据已知的在轨物体情况精确计算，让自己的卫星避开其他卫星和太空垃圾。卫星一旦入轨，会按照设计好的参数稳定运行，正常情况下不会出现碰撞。那么这次为什么两颗卫星没有避让开呢？ 　　前文说过，“宇宙2251”卫星原本运行在近地点778千米、远地点803千米的轨道上。它于1993年6月16日发射，其后发射的航天器都要考虑避让它，包括“铱”系统各卫星。那么，碰撞是怎样发生的呢？ 　　在800千米的高度依然存在着很稀薄的大气，其密度当然不能供人类呼吸，也不能给飞行器提供有效的升力，不过还是能给航天器造成一定的阻力。这个阻力虽然很小，但是日积月累就会使航天器的动能逐渐损失，导致高度下降。因此笔者推测，“宇宙2251”卫星很可能在10多年的运行过程中掉了一点高度，虽然幅度不大，但足够使它与33号“铱”星相撞了。当两星同时运行到了那个轨道交点上，“车祸”就发生了。用公路交通的概念解释，就是“宇宙2251”卫星和33号“铱”星同时过交叉路口而都没有避让，于是相撞。 　　　　“车祸”有多严重？

“铱”星运行在高度780千米、倾角86.4度的轨道上。而“宇宙2251”的轨道倾角是74度。根据轨道动力学的有关公式，如果把地球简化成一个均质的理想球体，那么卫星在同样轨道高度飞行，不管其轨道倾角和速度方向如何，速度的大小都是一样的。 　　以这样的理想模型计算，“宇宙2251”卫星和33号“铱”星碰撞时的速度大小都是约7.5千米/秒。当然速度是矢量，不过我们目前还无法知道两星相撞时各自的具体速度方向，因此无法精确计算其速度差，也就是碰撞的相对速度。两星的轨道面夹角为12.4度，考虑到其碰撞地点在西伯利亚上空，因此当时两星的速度速度夹角应该和12.4度这个数字相差不多，那么其速度差就是大约1.61千米/秒。这个数字肯定不够精确，但是足够我们理解“车祸”的惨烈程度了——这是现代大口径炮射穿甲弹才能达到的速度，连坦克吃上一记也不见得能生还，更何况是卫星了。 　　所以，“宇宙2251”卫星和33号“铱”星毫无悬念地化为两团碎片，飞散开去。 　　　　“车祸”责任分析 　　卫星在发射前，都要向有关国际组织登记其轨道和无线电频率，防止碰撞和干扰。在“车祸”发生时，33号“铱”星正常运行在自己的轨道上。而且“宇宙2251”已经是废弃卫星。“报废车”“上路”还发生“车祸”，如果按照地面上公路交通的法则，应该是“宇宙2251”卫星“负全责”。不过国际航天相关法律中，并没有对这种情况做出明确规定，任何卫星甚至飞船被空间垃圾撞到只能自认倒霉。因此“铱”卫星公司很难向俄罗斯方面要求赔偿。 　　那么33号“铱”星要如何避让呢？理论上卫星可以或抬高或降低轨道就能躲过去；当然也可以向左、右躲闪，这就要改变轨道倾角。这就是所谓的变轨机动能力。改变倾角的燃料消耗非常巨大，只有重型的军用侦察卫星或航天飞机才会带这么多燃料，改变轨道高度的燃料消耗相对少一点。多数应用卫星都需要定期进行变轨机动，以补偿空气阻力、太阳光压、天体摄动等造成的轨道漂移。国际空间站也经常要抬高轨道以补偿大气阻力造成的轨道降低，它往往是等到“联盟”、“进步”、“自动转移飞行器”飞船或航天飞机与自己对接后，靠它们的发动机把自己推上去。33号“铱”星完全有能升高或降低轨道，躲开“宇宙2251”，可惜没有预警。 　　不过这当中有个很诡异的细节。美国空军航天部队几十年来一直在用全球雷达网跟踪空间目标，号称尺寸大于10厘米的空间物体都被跟踪并且编号、记录在案。“宇宙2251”是个不小的卫星，而且是俄罗斯的军用卫星，美军一定早就在跟踪它，对它的轨道情况一定有足够了解，完全可以预测这次“车祸”。然而笔者从任何渠道都没有发现美军发出过警报，事后他们宣布自己是因为忙不过来才没发预报。这个解释相当牵强，难道是美军出现了疏漏？最近几年，美国空军一再向国会兜售“空间控制”、“空间态势感知”、“防御性太空对抗”等概念，这次碰撞事件至少可以拿来当作改善空间监视能力的理由。那么，难道美国空军其实希望看到这次“车祸”发生？这目前还只是笔者的猜测。 　　　　空间交通管制　还是太空“大扫除”？ 　　这次碰撞事件的发生，又引起了学术界关于“空间交通管制”的讨论。在大气层以内，人类早就部署并运行了“空中交通管制”系统，目的就是防止航空器以及正在飞越大气层的航天器之间发生碰撞。那么，太空中需要这种东西么？ 　　航天专家称，美国太空监视网目前持续跟踪的空间物体中，大约有10000个是尺寸超过10厘米的太空垃圾，只有大约700个是在役航天器。尺寸在10厘米以下的太空垃圾就更多了。如果所有的太空垃圾忽然消失，那么浩瀚的太空对几百颗卫星来说是非常宽敞的，读者可以想象一下夜深人静时到高速公路上开车，哪里需要什么疏导？因此，对现今的空间交通来说，天空中不是“堵车”了，而是障碍物太多了。 　　20多年来，国际宇航界中有一批科学家一直在研究如何清除太空垃圾。不过目前为止，他们还没有发现一种技术、经济上都可行的方法。他们提出了几个点子，期望技术的发展能让这些点子成为现实。 　　其中一种点子是发射一个直径达1.6千米的碰撞球，由泡沫材料制成，当太空垃圾穿过这个泡沫球时就会损失一部分能量（动能或势能），从而很快坠向稠密大气层。这个点子非常简洁，不过存在着技术问题：碰撞球本身的体积很大、密度很小，因此即使在外空的极稀薄大气中也会迅速损失能量，进而坠毁；而且这个球无法分辨太空垃圾和运行中的卫星，如果遇到正在工作的卫星也会把后者“击落”。因此这个点子不算什么好注意。 　　还有一种方法是从地面发射激光，干扰太空垃圾的轨道运行，推动它们降低高度，使它们更快地坠入大气。不过激光装置的建造和运行都非常昂贵，而且只能对付那些它们可以照射到的目标。 　　“垃圾收集器”飞行器可以同大块太空垃圾交汇、对接，然后把它们拖到其他轨道上。如果太空垃圾的轨道较低，就把它们直接拖进低轨道，让其加速坠落；如果太空垃圾的轨道较高，就把它们拖到更高的、没有其他卫星运行的“墓地轨道”中。 　　留在轨道上的运载火箭上面级一般体积较大，有人因此考虑发射一个推进系统与之对接，然后把它们加速推向再入大气层的轨道烧毁，这个推进系统称为“拖带增加”装置。提出概念的人认为，这个装置可以先和一个废弃卫星或火箭上面级对接，然后拖着它机动到另一个废弃卫星或火箭上面级上再次对接，把多个太空垃圾一起拖进大气层。不过“垃圾收集器”这个概念的缺点是技术复杂、费用高昂，可能比发射好几颗卫星甚至载人航天器的费用还高。 　　还有人提出“锁链”概念，就是在卫星发射前就系上一根很长、很细的绳子，卫星报废后就把它拉回大气层。不过目前为止，“锁链”还只是个纸上的概念，连演示验证都没有进行过。 　　　　后果分析 　　这次“车祸”造成了大量空间碎片，其数量和尺寸尚未统计出来。不过空间碎片的破坏力很大。国外专家称，其威胁可能持续1万年。事情有这么严重吗？ 　　2007年中国进行反卫星试验后，美国一再指责中国造成了大量碎片，会如何威胁其他卫星和空间站，云云。这次是两颗卫星撞了个结实，造成的碎片数量恐怕是空前的，其威胁也是空前的。 　　两星相撞后，其轨道高度没有发生什么变化，只是碎片云的质心轨道倾角相比原来的卫星有所偏移。也就是说，这些碎片的高度和其他“铱”星相同，那么剩下的“铱”星会遭到撞击吗，会象科幻灾难片中那样发生连续碰撞吗。专家解释说，这是不会发生的。碎片云和其他“铱”星的位置关系基本没有发生变化，其同一轨道面的先后飞行次序还和撞击发生前相同，不会发生“追尾”。 　　前文说到，800千米高度的稀薄空气阻力会导致卫星轨道逐渐降低，对于碎片来说也是一样的。这些碎片会在今后几十年甚至上百年的时间里逐渐下降，横扫800千米以下的整个地外空间，把遇到的每个物体撞出坑或者钻个洞。除了比较厚实的载人航天器以外，卫星都是相当脆弱的东西，其“抗撞”能力恐怕还不如笔记本电脑；而航天员的舱外航天服也没有能力抵挡飞行速度达到每秒数千米的尖利碎片。因此，这个前景听起来是相当恐怖的。 　　不过航天专家表示，空间碎片的密度实际上很稀疏，数百立方千米的宇宙空间里也不过有几片而已。所以美国空军才能对它们一一跟踪登记，如果空间碎片多到了经常相撞的程度，如何登记得过来？因此这次撞击造成的碎片会一直在自己的轨道上运行，很长时间里都不会撞到其他卫星。当然碎片也会因为大气阻力而逐渐下降，可能威胁到其他卫星，这种情况的概率有多大，还需要进一步观测。不过对于运行在300千米左右高度的国际空间站和我国神舟飞船来说，这些碎片数百年内都不会到达他们现在的轨道，完全不需要担心。 　　来源：中国公众科技网

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