卫星不能飞吗？如何在空间建立“交通规则”？

太空碰撞，危险如何规避？

曾经，太空碎片的碰撞是科幻电影中的一座桥梁。现在，这种危险确实存在。2021年7月和10月，美国太空探索技术公司发射的卫星链两次接近中国空间站，导致中国空间站采取紧急避碰措施。这不是一个案例。空间这么大为什么会这样？卫星就不能“飞”吗？如何在空间建立“交通规则”？

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

在人类从地心到银河系的认知过程中，发现天体普遍具有自转的特性，而牛顿无法解释其原因，所以他说可能是“上帝之手推了它”。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引力的作用下，在各自的圆形或椭圆形轨道上运动。在没有外界干扰力的情况下，在轨物体的轨道不会发生变化，更不会发生碰撞。

现在我们知道地球不是球形天体，赤道半径比极半径长21公里左右，赤道面上有轻微的凸起。地球可以形象地比喻成一个被压扁的篮球，在赤道对称的位置贴上两块“泥”。这两块“泥巴”只是地球同步轨道卫星将东西方向漂移的谜团之一。地球同步轨道卫星需要定期花费一定的燃料来“抵抗”干扰，保持轨道位置。由于运载的燃料有限，轨道寿命受到限制。

但是，没有“但是”——。在地球非球面性、海洋潮汐、大气阻尼、太阳和月球等天体的作用下，绕地球运行的空间物体的轨道总是在缓慢变化。根据干扰力的不同性质，轨道变化可分为周期变化和长期变化。轨道变化缓慢、高度相近的空间物体近似周期性地相互靠近，称为“近距离相遇事件”。

事物总是有两面性，既对立又统一。正如可以利用地球扁率的摄动，可以设计太阳同步轨道，方便遥感等卫星在相同光照条件下获取图像。同时，干扰力的存在给精确预测轨道带来了困难和挑战。特别是在太阳活动的扰动下，低地球轨道大气密度环境难以准确预测，导致空间碎片预警存在虚警和漏警问题。所谓“虚惊一场”，就是高估两个空间物体的交会风险，造成不必要的避碰，浪费航天器宝贵的燃料，影响正常的卫星观测任务。“失警”是指低估空间物体的交会风险，将航天器或宇航员置于极度危险的境地。

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)将空间碎片定义为：人类空间活动在轨道上产生的无效空间物体。自1957年10月4日以来，第一颗人造卫星Sputnik-1被送入太空。到目前为止，已经记录了5775次太空发射，12803艘宇宙飞船被送入太空。

根据美国空间监视网发布的数据，截至2021年12月，已编目的空间物体有50454个，仍在轨道上的有24687个。在这5万个空间物体中，近4万个来自碰撞和爆炸等在轨解体事件。1977年，美国宇航局约翰逊航天中心科学家凯斯勒等人预测，人类活动产生的空间碎片将很快对低地球轨道卫星构成巨大威胁。经过深入研究，凯斯勒在1990年发表了文章《碰撞级联效应：低地球轨道碎片数量极限》，讲述了空间碎片的快速增长最终会导致碎片之间的级联碰撞，浩瀚的太空将永无归途.

日益增多的空间碎片使地球轨道资源拥挤不堪，威胁着航天器在轨的安全运行。厘米及以上大小的空间碎片的撞击会导致航天器穿孔甚至解体，直至完全损坏。厘米及以下大小的空间碎片撞击会导致航天器部分功能损坏或失效，关键部件的损坏也可能导致整颗卫星的失效。

1992年，美国亚特兰蒂斯号航天飞机在505公里的高空运行了11个月。返回后发现有2000多个太阳能电池板碰撞点，碎片在舷窗上留下撞击孔，部分碎片已经穿透铝隔板。幸运的是，它没有引起航天飞机的灾难性事件。其他卫星就没这么幸运了。1996年，法国Cerise卫星的重力梯度极被阿丽亚娜卫星爆炸产生的碎片损坏，卫星姿态失控，最终报废。2009年2月10日，美国的铱星33号和俄罗斯的宇宙2251号两颗卫星在轨道上相撞。卫星的解体造成了2000多块超过10厘米的空间碎片。

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，如何监测这么多碎片呢？许多太空物体都在绕地球运行。为了了解它们的运行状态，包括轨道信息，需要借助地面站、星载雷达和望远镜对空间物体进行跟踪观测，这就是编目。

空间物体的编目可以比照公安机关的户籍管理。每一个空间物体从出生起就将被赋予一个唯一的识别号。履行空间物体管理职责的是主要空间大国的空间监视部门，如美国的空间监视网络、俄罗斯的空间监视系统等等。由于监测设备的探测能力，现阶段编目工作通常只稳定跟踪尺寸大于或等于10厘米的空间物体，并定期更新其轨道数据。随着空间物体数量的快速增长，由解体事件和巨型星座产生的大量类似轨道空间物体给编目工作带来了巨大挑战，需要同时提高跟踪、探测和数据处理能力以应对挑战。

当检测到碎片时，我们如何评估是否存在碰撞风险？

有些人提议清除空间碎片，但从保护空间资产和空白空间。

间轨道资源的角度，相比动辄数亿的碎片清除费用，碰撞规避是经济有效、立竿见影的手段。航天器日常碰撞预警工作是预警规避的基础，当识别到重要空间资产的碰撞风险超过规避阈值时，通常采取轨道机动规避碰撞。

空间物体的碰撞风险识别常会用到“碰撞概率”和“盒子方法”两种方法描述。轨道预报误差不可怕，掌握误差分布统计学规律后，可以使用误差球来描述空间物体可能出现的位置，如使用3倍标准差，使空间物体落在误差球内的概率会控制在99.73%。如果预测的两个空间物体所在的误差球，没有发生交会，则二者的碰撞概率为零，如果两误差球有重叠，则对重叠区域的概率密度进行积分，就会得到碰撞概率，这就是碰撞概率的描述方法。正如对密度不均匀物体的密度积分，得到是物体的质量。因为在卫星运行的沿速度、指向地心和垂直轨道面三个方向，作用力模型掌握的精确程度不同，相应三个方向的预测误差也不同，所以误差球一般使用椭球来描述。盒子方法也正是利用预测误差的这一规律，以航天器为中心，在三个方向上取不同的长度，画出一个长方体的盒子表示交会风险等级。

未来面临的挑战

碰撞警报频现，太空无序“跑马圈地”会害人害己

空间的发展需要有序规划、遵守秩序。动辄数万颗的巨型星座规划是否必要？太空中的跑马圈地是否应当被限制呢？

以规划4.2万颗卫星的星链卫星星座和4.8万颗的一网星座为例，下面，我们来概述其带来的风险与挑战。至2021年12月底星链开始实施以来，已先后发射了35批次，共计将1942颗卫星送入地球轨道，目前仍在轨1794颗。星链卫星主要分布在倾角53度，运行高度覆盖200~550公里的空间区域内。一网卫星星座开始实施以来，已发射11批次，共计将358颗一网卫星送入地球轨道，目前仍在轨358颗。这些卫星主要分布在倾角88度，高度600/900/1200公里的空间区域内。为提高运载效率，节省成本，钢铁侠埃隆·马斯克的星链卫星通常采用一箭60星的方式，批量送至约300公里高度的轨道，大约需要两个多月的时间，爬升到550公里的运行高度。

轨道爬升期间，要穿越空间站运行的近圆形轨道区域，下面，我们随机选取2021年一个月内，与天和空间站的近距离接近事件进行统计。结果显示，交会距离在10、30、50、70和100公里以内的总交会次数分别为28次、468次、1452次、2680次、6034次，与星链卫星交会次数分别为4次、134次、428次、722次、1232次。

可以看出，近距离交会事件中，星链卫星占比最高接近31%。更令人担心的是，星链卫星爬轨过程处于电推进工作模式。在不掌握机动策略和机动模型的情况下，具有小推力或变推力持续机动目标的轨道预报误差难以估计。预报误差可达数十公里级或百公里量级，由预测时长来确定，并且此误差概率密度分布不符合统计学规律，难以精确评估碰撞概率。要保护重要空间资产“万无一失”，只能放大误差球半径，识别潜在的碰撞风险。但是，放大误差球同样具有负面效应，那就是虚警次数增加，造成推进剂损耗。同时，避碰机动过程会破坏空间站实验舱的零重力环境，影响科学实验的开展。

地球上行进需要交通规则，太空中也是如此，科学技术研究、特别是在太空等公共区域的探索也应该在一定的规则框架内进行。古语讲“无规矩不成方圆”，太空交通也有相应的“规矩”。联合国已经制定了外层空间行为的国际法，例如1967年10月10日生效的《关于各国探索和利用外层空间包括月球与其他天体活动所应遵守原则的条约》，简称《外空条约》；1976年9月15日生效的《关于登记射入外层空间物体的公约》，简称《登记公约》等。条约中规定：本条约各缔约国如发现在包括月球与其他天体在内的外层空间有对航天员的生命或健康可能构成危险的任何现象，应立即通知本条约其他缔约国或联合国秘书长。很显然，美国太空探索技术公司并没有遵守这一法规。

我们希望随着太空技术的迅猛发展，能够修订和完善联合国层面的太空探索法律法规，让大家都能有法可依。也希望各个国家都能在国际法框架下进行科学研究和空间活动，否则将会害人害己。探索太空、利用太空是人类共同的事业，需要我们携起手来，共同前行。