空間交通管理都要管些啥

文/松堂

▲ 空間碎片會帶來意想不到的災難

所謂空間交通管理，當然就是管理飛行在地球軌道上的各種物品。然而在太空環境中，什么叫物體，這不是一個很容易就能說清楚的問題。在不同的文獻和法律法規當中，對于什么叫太空物體，做了不同的描述。雖然大體上是相同的，但多少也有那么一點差異。

空間交通管理的對象

廣義的空間物體包括自然形成的天體和人造天體。自然天體可以認為是宇宙中各種星體的總稱，包括星團、星系、星云、星際物質、恒星、行星、衛星、彗星、隕星、小行星、流星體等。當然，這其中絕大多數都不是我們要討論的空間交通管理對象，只有近地小行星和微流星會影響空間交通。

空間交通管理的對象，是狹義的空間物體，在《關于各國探索和利用包括月球和其它天體在內外層空間活動的原則條約》中，把“空間物體”描述為射入宇宙空間的物體本身及其零件、運載工具及運載工具的零件。這個條約的名字是不是太難記了？其實，這就是如雷貫耳的《宇宙空間條約》。根據條約，各國發射到太空里的物體，都要在聯合國和平利用外層空間委員會進行登記。

我國2001年發布的《空間物體登記管理辦法》第二條指出：本辦法所稱空間物體是指進入外層空間的人造地球衛星、載人航天器、空間探測器、空間站、運載工具及其部件，以及其他人造物體。

SAIC公司為美國宇航局撰寫的有關報告《軌道交通管制報告》中提出，在空間交通管理領域的“空間物體”應限于軌道垃圾和航天器，也就是說，只考慮人造物體。

但是另外一些學者并不認同這樣狹義的劃分，認為自然物體同樣應該被考慮在“空間物體”之內。我們都知道，自然環境對于交通的影響是不可忽視的。在地球上無論航空、陸地交通還是航海，都會受到大自然的嚴重影響，包括天氣災害、地質災害影響都很大。那么，太空里有沒有這兩種類型的災害呢？當然也是有的，空間天氣的影響要素比大氣層里一點都不少。不但如此，太空也有自己的地質問題，那就是小行星和微流星。短期內，近地小行星不太可能對地球軌道上的交通造成什么破壞性的影響，但是微流星的影響卻是不可忽視的。國際空間站的太陽電池已經多次遭到微流星的破壞，雖然并沒有影響實際工作，但是被打出窟窿的事情就經常發生。

在國外的相關研究中，雖然提出了對于空間碰撞的擔憂，但對軌道飛行安全的威脅，更多地在有關太空垃圾的話題下進行。

▲ 太空垃圾想象圖

太空垃圾知多少

對于太空垃圾，不同機構的定義倒是區別不大。

聯合國和平利用外層空間委員會和國際機構間空間碎片協調委員會對太空垃圾的定義是：地球軌道上在軌運行或再入大氣層的無功能的人造物體及其殘塊和組件。由德國、瑞士、奧地利航天局和部分航天研究機構聯合發布的《歐洲空間交通管制系統的實施白皮書》中給出的太空垃圾定義為：位于各種地球軌道上的、不再正常工作的人造物體，包括碎片和零部件。基于此，這份白皮書還進一步給出了“可跟蹤物體”和“不可跟蹤物體”的概念。“可跟蹤物體”定義為可以被發現的物體，其軌道是已經得到確定和可以預測的。“可跟蹤物體”包括軌道垃圾和正常的衛星。“不可跟蹤物體”則無法被發現，太空態勢感知系統無法感知它們。

國際宇航科學研究院的《太空交通研究》報告將軌道垃圾定義為：人類放置到軌道上的、不再具有任何功能的物體。這些物體包括廢棄的火箭分級和零部件，也包括材料、垃圾、碎片，以及其他有意或無意丟棄或生成的物體。

上述定義中，多次提到所謂的“無功能”“不再正常工作”，這就需要討論空間物體的具體行為方式了。

航天器最主要的行為就是正常的軌道飛行和正常工作。比如，通訊衛星能夠正常轉發網絡信息，遙感衛星能夠正常獲取地面影像并且把它發送給地面站，導航衛星能夠正常播發導航信息。而且，所有這些衛星都能夠正確保持自己的軌道參數和姿態，不會偏離太多。在這個過程當中，按道理說，衛星不會和任何其他航天器發生沖撞。

第二種行為就是入軌，就是說，從運載火箭上分離之后，衛星憑借自己的動力進入工作軌道。在這個過程當中，衛星有可能要穿越其他航天器的軌道，這時候就要考慮到避免碰撞和干擾的問題。

第三種行為與之相反，就是降軌，當衛星結束工作壽命之后，需要返回大氣層燒毀，免得留在軌道上成為垃圾。那么降低軌道的過程當中，衛星也有可能要穿越其他航天器的軌道，同樣存在著沖撞的風險。但有些高軌衛星不需要返回大氣層燒毀，它們會進入一些特別指定的墓地軌道，這個機動過程當中有同樣的風險。

星鏈衛星威脅中國空間站，就是第二種和第三種行為。

最后一種行為就是完全失控，衛星既不能工作也不能返回大氣層，更不能進入墓地軌道，只能像僵尸一樣在太空里憑借慣性飛行，非常危險。早期發射的衛星沒有考慮到降軌的問題，所以多數都僵尸化了。

那么，太空里到底有多少垃圾？在人類60多年的航天史中，總共向宇宙中發射了超過30000噸的物質，除進入深空和墜入地球的航天器之外，很大一部分都已經成為了空間碎片。

根據美國空間監測網數據，到2017年，美國在地球軌道已經跟蹤到42000個空間物體，空間碎片總質量達到了7500噸，其中在低軌區域（LEO，軌道高度200~2000千米）的質量為2700噸。地球軌道中，尺度在10厘米以上的空間碎片數量已達23000個；尺度在1~10厘米的碎片數量大約為50萬個；尺度在1~10毫米的碎片數量約為1億個，1毫米以下的碎片數量數以百億計。隨著幾個超級低軌星座衛星的不斷發射，上面的數字肯定會越來越大，碎片越來越多。

空間碎片平均質量密度為每立方厘米2.7克，主要成分為鋁/鋁合金(占44%)、復合材料(占37%)、不銹鋼(占12%)、鈦合金和銅等。空間碎片主要幾何形狀為板狀、塊狀、桿狀、薄片狀，絕大部分為不規則形狀。

▲ 空間物體的分布并不均勻

空間碎片在空間的高度分布并不均勻，在低軌區域、中軌區域和高軌區域，已編目的空間碎片數量比例分別為：75.2%，8.3%，9.4%。其中，700千米~1100 千米之間的軌道上碎片最多。

由于多數航天器沒有離軌手段，目前在軌退役航天器的解體和失去功能航天器間的碰撞已成為空間碎片數量增長的主要原因。早在2018年12月就有報道說，太空探索技術公司一次性部署的64顆星鏈衛星中，已有19顆衛星尚未識別身份，無法與地面運營商建立通訊聯系。雖然隨著技術進步，星鏈衛星的失效概率會越來越低，但考慮到發射數量巨大，失控衛星的絕對數量還是很可觀的，這給宇宙空間可持續發展帶來了新的挑戰。

▲ 清除太空垃圾的一種技術設想

▲ 空間碎片清理捕獲概念圖