“墨子號(hào)”衛(wèi)星空間安全評(píng)估

蔣虎,鄧?yán)?余金培

(1.中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,上海201203;2.上海微小衛(wèi)星工程中心,上海 201203)

0 引 言

量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星(簡稱“墨子號(hào)”衛(wèi)星),于北京時(shí)間2016年8月16日1時(shí)40分,在酒泉用長征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功發(fā)射升空．2017年1月18日,中國發(fā)射的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”衛(wèi)星圓滿完成了4個(gè)月的在軌測試任務(wù),正式交付用戶單位使用[1]．2017年8月10日,“墨子號(hào)”衛(wèi)星圓滿完成三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù):量子糾纏分發(fā)、量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)．這些成果分別在《科學(xué)》、《自然》上發(fā)表[2-4]．量子衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)與奧地利科學(xué)院Anton Zeilinger研究組合作,利用“墨子號(hào)”衛(wèi)星量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,在中國和奧地利之間首次實(shí)現(xiàn)距離達(dá)7 600 km的洲際量子密鑰分發(fā),并利用共享密鑰實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信．相關(guān)成果以封面論文的形式發(fā)表在2018年1月19日出版的《物理評(píng)論快報(bào)》上[5]．量子衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)與美國加州理工學(xué)院、澳大利亞昆士蘭大學(xué)等單位的人員合作,利用“墨子號(hào)”衛(wèi)星量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星對(duì)一類預(yù)言引力場導(dǎo)致量子退相干的理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)．2019年9月19日,《科學(xué)》雜志以“First Release”形式在線發(fā)布了該重要研究成果[6]．“墨子號(hào)”衛(wèi)星量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星洲際量子密鑰分發(fā)成果入選美國物理學(xué)會(huì)2018年度國際物理學(xué)十大進(jìn)展．2019年1月31日, “墨子號(hào)”衛(wèi)星量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科研團(tuán)隊(duì)被美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)授予2018年度克利夫蘭獎(jiǎng)(Newcomb Cleveland Prize),以表彰該團(tuán)隊(duì)通過實(shí)現(xiàn)千千米級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)推動(dòng)大尺度量子通信實(shí)驗(yàn)研究做出的卓越貢獻(xiàn)[7]．2020年,“墨子號(hào)”衛(wèi)星已經(jīng)超過了設(shè)計(jì)壽命(在軌交付后2年),進(jìn)入了超期服役的第二年．“墨子號(hào)”衛(wèi)星依然在進(jìn)行一些拓展實(shí)驗(yàn),包括與國際科研機(jī)構(gòu)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)等．因此,“墨子號(hào)”衛(wèi)星的空間安全問題是值得量子衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)十分關(guān)注的方面之一．本文就該衛(wèi)星與空間碎片或空間目標(biāo)的遭遇概率進(jìn)行了評(píng)估分析,以供國內(nèi)衛(wèi)星運(yùn)行相關(guān)方參考．

1 空間碎片安全性相關(guān)重要參數(shù)仿真

基于國際公開網(wǎng)站提供的空間碎片或空間目標(biāo)數(shù)據(jù)庫[8],利用“墨子號(hào)”衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù),對(duì)2020年3月17日-3月24日,“墨子號(hào)”最可能遭遇的空間碎片進(jìn)行了仿真計(jì)算分析．“墨子號(hào)”衛(wèi)星最可能遭遇的空間碎片或空間目標(biāo)識(shí)別結(jié)果如表1所示．

表1 最可能與“墨子號(hào)”衛(wèi)星遭遇的空間碎片或空間目標(biāo)識(shí)別情況

圖1 “墨子號(hào)”衛(wèi)星與空間碎片/空間目標(biāo)碰撞概率

從仿真數(shù)據(jù)看,如圖1所示，序號(hào)1～10的空間碎片或目標(biāo)與“墨子號(hào)”衛(wèi)星發(fā)生碰撞的概率分別為:1.3×10-6、6.18×10-7、5.64×10-7、4.82×10-7、4.76×10-7、2.84×10-7、2.69×10-7、2.53×10-7、2.32×10-7、1.34×10-7．這些最接近“墨子號(hào)”衛(wèi)星的空間碎片或空間目標(biāo)與衛(wèi)星發(fā)生碰撞的概率不超過百萬分之二．

圖2 “墨子號(hào)”衛(wèi)星與空間碎片/空間目標(biāo) 相互接近的距離

從相互接近的相對(duì)距離仿真數(shù)據(jù)看,如圖2所示，序號(hào)1～10的空間碎片或目標(biāo)與“墨子號(hào)”衛(wèi)星最接近的距離范圍為:1.197 ～3.732 km．對(duì)空間飛行器而言,這個(gè)范圍內(nèi)的接近距離已經(jīng)屬于十分危險(xiǎn)的遭遇距離了．

圖3 “墨子號(hào)”衛(wèi)星與空間碎片/空間目標(biāo) 相互接近的相對(duì)速度

從相互接近的相對(duì)速度仿真數(shù)據(jù)看,如圖3所示，序號(hào)1～10的空間碎片或目標(biāo)與“墨子號(hào)”衛(wèi)星最接近的距離范圍為:11.017 ～14.866 km/s．空間碎片或空間目標(biāo)以超過第一宇宙速度(7.9 km/s)的相對(duì)速度向“墨子號(hào)”衛(wèi)星靠近,這對(duì)“墨子號(hào)”衛(wèi)星而言是一個(gè)極大的空間安全隱患．

2 結(jié) 論

“墨子號(hào)”衛(wèi)星與空間碎片/空間目標(biāo)的空間安全評(píng)估分析情況來看,“墨子號(hào)”衛(wèi)星與空間碎片/空間目標(biāo)發(fā)生相互碰撞的概率不超過2×10-6．可見,“墨子號(hào)”衛(wèi)星在空間運(yùn)行仍然是相對(duì)安全的,不至于影響“墨子號(hào)”衛(wèi)星繼續(xù)開展延壽期的拓展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)．不過,隨著近年來空間碎片/空間目標(biāo)有加速增加的趨勢,這為空間飛行器安全運(yùn)行構(gòu)成了顯著的現(xiàn)實(shí)威脅,需要加強(qiáng)國內(nèi)外航天領(lǐng)域頂層設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)之間的有效協(xié)調(diào)．