曾經，太空碎片碰撞還是科幻電影中的橋段。現在，這種危險真實存在了——2021年7月和10月，美國太空探索技術公司發射的星鏈衛星先後兩(liang) 次接近中國空間站，導致中國空間站采取緊急避碰措施。而這，並不是個(ge) 案。太空如此廣袤，為(wei) 何也會(hui) 出現這種情況？衛星不能隨便“飛”嗎？太空“交通規則”該如何建立？

　　碰撞的根源

　　太空雖然廣袤，但自然法則無法違逆，空間物體(ti) 近距離交會(hui) 無法避免

　　人類在從(cong) 地心說到銀河係的認識過程中，發現天體(ti) 普遍具有自轉的特征，牛頓無法解釋其產(chan) 生的原因，於(yu) 是說可能是“上帝之手推了它一把”。根據高中物理所學的“萬(wan) 有引力”定律，地球軌道上的空間物體(ti) ，在地心引力作用下在各自的圓或橢圓軌道上運行。在沒有外部幹擾力時，在軌空間物體(ti) 的軌道是不會(hui) 發生變化的，更不會(hui) 發生碰撞。

　　如今我們(men) 已經明白，地球並非正球形天體(ti) ，赤道半徑比極地半徑約長21公裏，且赤道麵也存在輕微隆起。可以將地球形象地比作被壓扁的籃球，並在赤道對稱位置粘貼上兩(liang) 塊“泥巴”。這兩(liang) 塊“泥巴”正是同步軌道衛星會(hui) 產(chan) 生東(dong) 西方向漂移的奧秘之一，同步軌道衛星需要定期耗費一定燃料“抵禦”幹擾，進行軌道位置保持。由於(yu) 攜帶燃料有限，所以存在軌道壽命的製約。

　　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(ti) 的作用下，繞地球運行的空間物體(ti) 軌道始終處於(yu) 緩慢變化之中。根據幹擾力的性質不同，軌道變化分為(wei) 周期性變化和長期變化。軌道緩慢變化，高度相近的空間物體(ti) 存在近似周期性的接近，稱之為(wei) “近距離交會(hui) 事件”。

　　事物總具有兩(liang) 麵性，既對立又統一。正如地球扁率攝動加以利用，可設計出太陽同步軌道，便於(yu) 遙感等衛星獲取相同光照條件下的圖像。與(yu) 此同時，幹擾力的存在給精確預報軌道帶來困難和挑戰。尤其是在太陽活動的擾動下，難以準確預計低地球軌道上的大氣密度環境，導致空間碎片預警工作中的虛警和漏警問題。所謂“虛警”，即高估了兩(liang) 空間物體(ti) 的交會(hui) 風險，引發不必要的避碰工作，既浪費航天器寶貴的燃料，又影響正常的衛星觀測任務等工作開展。“漏警”指低估了空間物體(ti) 的交會(hui) 風險，使航天器或航天員處於(yu) 極度危險之中。

　　空間碎片現狀

　　太空已經變得很擁擠，廣袤的空間一去不複返，碰撞後果不堪設想

　　機構間空間碎片協調委員會(hui) (IADC)關(guan) 於(yu) 空間碎片的定義(yi) 是：人類航天活動產(chan) 生的、在軌無效的空間物體(ti) 。自1957年10月4日人類將第一顆人造衛星Sputnik-1送入太空，時至今日，已記錄的航天發射為(wei) 5775次，共計將12803顆航天器送入太空。

　　據美國空間監視網公布數據，截至2021年12月，編目的空間物體(ti) 為(wei) 50454顆，目前仍然在軌的數量為(wei) 24687顆。在這5萬(wan) 顆空間物體(ti) 中，近4萬(wan) 顆源自碰撞、爆炸等在軌解體(ti) 事件。1977年美國航空航天局約翰遜航天中心科學家凱瑟勒等人預計，人類活動產(chan) 生的空間碎片很快會(hui) 對低地球軌道衛星產(chan) 生巨大的威脅。深入研究後，凱瑟勒在1990年發表了《碰撞級聯效應：低地球軌道碎片數量極限》一文，講述空間碎片的快速增長，終將產(chan) 生碎片間的級聯碰撞，廣袤的空間將一去不複返……

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

　　1992年美國航天飛機亞(ya) 特蘭(lan) 蒂斯號，在505公裏高度運行了11個(ge) 月，返回後發現太陽能帆板存在2000餘(yu) 個(ge) 碰撞點，碎片在舷窗上留下撞擊孔，部分已穿透鋁製隔板。但幸運的是，並沒有造成航天飛機的災難性事件。另一些衛星就沒那麽(me) 幸運了——1996年法國Cerise衛星的重力梯度杆，被Ariane衛星爆炸產(chan) 生的碎片撞擊損壞，衛星姿態失控，最終報廢；2009年2月10日，美國銥星33和俄羅斯宇宙2251兩(liang) 衛星發生在軌碰撞事件，衛星解體(ti) 產(chan) 生10厘米以上空間碎片數量超過2000顆。

　　風險如何評估

　　在空間碎片監測的基礎上，有兩(liang) 種碰撞風險識別方法

　　那麽(me) ，這麽(me) 多的碎片如何監測？眾(zhong) 多的空間物體(ti) 在圍繞地球的軌道上運行，為(wei) 掌握它們(men) 包括軌道信息在內(nei) 的運行狀態，需要借助地麵測站、星載雷達和望遠鏡等設備對空間物體(ti) 進行跟蹤觀測，稱之為(wei) 編目工作。

　　空間物體(ti) 的編目工作，可比作公安機關(guan) 的戶口管理，每個(ge) 空間物體(ti) 從(cong) “出生”起都會(hui) 被賦予唯一的身份識別號碼。履行空間物體(ti) 管理職責的是各航天大國的空間監視部門，比如美國的空間監視網、俄羅斯的空間監視係統等等。限於(yu) 監測設備的探測能力，現階段編目工作通常僅(jin) 對尺寸大於(yu) 等於(yu) 10厘米的空間物體(ti) 進行穩定跟蹤，周期性更新其軌道數據。隨著空間物體(ti) 數量的快速增長，解體(ti) 事件和巨型星座等產(chan) 生的大量相似軌道空間物體(ti) ，給編目工作帶來了巨大挑戰，需要同步提升跟蹤探測和數據處理能力，以應對挑戰。

　　碎片監測到了，又該如何評估是否有碰撞風險呢？

　　有人提出要清除空間碎片，但從(cong) 保護空間資產(chan) 和空間軌道資源的角度，相比動輒數億(yi) 的碎片清除費用，碰撞規避是經濟有效、立竿見影的手段。航天器日常碰撞預警工作是預警規避的基礎，當識別到重要空間資產(chan) 的碰撞風險超過規避閾值時，通常采取軌道機動規避碰撞。

　　空間物體(ti) 的碰撞風險識別常會(hui) 用到“碰撞概率”和“盒子方法”兩(liang) 種方法描述。軌道預報誤差不可怕，掌握誤差分布統計學規律後，可以使用誤差球來描述空間物體(ti) 可能出現的位置，如使用3倍標準差，使空間物體(ti) 落在誤差球內(nei) 的概率會(hui) 控製在99.73%。如果預測的兩(liang) 個(ge) 空間物體(ti) 所在的誤差球，沒有發生交會(hui) ，則二者的碰撞概率為(wei) 零，如果兩(liang) 誤差球有重疊，則對重疊區域的概率密度進行積分，就會(hui) 得到碰撞概率，這就是碰撞概率的描述方法。正如對密度不均勻物體(ti) 的密度積分，得到是物體(ti) 的質量。因為(wei) 在衛星運行的沿速度、指向地心和垂直軌道麵三個(ge) 方向，作用力模型掌握的精確程度不同，相應三個(ge) 方向的預測誤差也不同，所以誤差球一般使用橢球來描述。盒子方法也正是利用預測誤差的這一規律，以航天器為(wei) 中心，在三個(ge) 方向上取不同的長度，畫出一個(ge) 長方體(ti) 的盒子表示交會(hui) 風險等級。

　　未來麵臨(lin) 的挑戰

　　碰撞警報頻現，太空無序“跑馬圈地”會(hui) 害人害己

　　空間的發展需要有序規劃、遵守秩序。動輒數萬(wan) 顆的巨型星座規劃是否必要？太空中的跑馬圈地是否應當被限製呢？

　　以規劃4.2萬(wan) 顆衛星的星鏈衛星星座和4.8萬(wan) 顆的一網星座為(wei) 例，下麵，我們(men) 來概述其帶來的風險與(yu) 挑戰。至2021年12月底星鏈開始實施以來，已先後發射了35批次，共計將1942顆衛星送入地球軌道，目前仍在軌1794顆。星鏈衛星主要分布在傾(qing) 角53度，運行高度覆蓋200~550公裏的空間區域內(nei) 。一網衛星星座開始實施以來，已發射11批次，共計將358顆一網衛星送入地球軌道，目前仍在軌358顆。這些衛星主要分布在傾(qing) 角88度，高度600/900/1200公裏的空間區域內(nei) 。為(wei) 提高運載效率，節省成本，鋼鐵俠(xia) 埃隆·馬斯克的星鏈衛星通常采用一箭60星的方式，批量送至約300公裏高度的軌道，大約需要兩(liang) 個(ge) 多月的時間，爬升到550公裏的運行高度。

　　軌道爬升期間，要穿越空間站運行的近圓形軌道區域，下麵，我們(men) 隨機選取2021年一個(ge) 月內(nei) ，與(yu) 天和空間站的近距離接近事件進行統計。結果顯示，交會(hui) 距離在10、30、50、70和100公裏以內(nei) 的總交會(hui) 次數分別為(wei) 28次、468次、1452次、2680次、6034次，與(yu) 星鏈衛星交會(hui) 次數分別為(wei) 4次、134次、428次、722次、1232次。

　　可以看出，近距離交會(hui) 事件中，星鏈衛星占比最高接近31%。更令人擔心的是，星鏈衛星爬軌過程處於(yu) 電推進工作模式。在不掌握機動策略和機動模型的情況下，具有小推力或變推力持續機動目標的軌道預報誤差難以估計。預報誤差可達數十公裏級或百公裏量級，由預測時長來確定，並且此誤差概率密度分布不符合統計學規律，難以精確評估碰撞概率。要保護重要空間資產(chan) “萬(wan) 無一失”，隻能放大誤差球半徑，識別潛在的碰撞風險。但是，放大誤差球同樣具有負麵效應，那就是虛警次數增加，造成推進劑損耗。同時，避碰機動過程會(hui) 破壞空間站實驗艙的零重力環境，影響科學實驗的開展。

　　地球上行進需要交通規則，太空中也是如此，科學技術研究、特別是在太空等公共區域的探索也應該在一定的規則框架內(nei) 進行。古語講“無規矩不成方圓”，太空交通也有相應的“規矩”。聯合國已經製定了外層空間行為(wei) 的國際法，例如1967年10月10日生效的《關(guan) 於(yu) 各國探索和利用外層空間包括月球與(yu) 其他天體(ti) 活動所應遵守原則的條約》，簡稱《外空條約》；1976年9月15日生效的《關(guan) 於(yu) 登記射入外層空間物體(ti) 的公約》，簡稱《登記公約》等。條約中規定：本條約各締約國如發現在包括月球與(yu) 其他天體(ti) 在內(nei) 的外層空間有對航天員的生命或健康可能構成危險的任何現象，應立即通知本條約其他締約國或聯合國秘書(shu) 長。很顯然，美國太空探索技術公司並沒有遵守這一法規。

　　我們(men) 希望隨著太空技術的迅猛發展，能夠修訂和完善聯合國層麵的太空探索法律法規，讓大家都能有法可依。也希望各個(ge) 國家都能在國際法框架下進行科學研究和空間活動，否則將會(hui) 害人害己。探索太空、利用太空是人類共同的事業(ye) ，需要我們(men) 攜起手來，共同前行。

　　(作者：劉衛，係中國科學院國家空間科學中心副研究員)