近日，SpaceX公司向美国联邦通信委员会提交报告，2022年12月1日～2023年5月31日期间，星链卫星被迫改变方向25299次，以避免危险接近其他航天器和空间碎片。这引发了人们对卫星长期可持续运行的担忧。
太空碰撞几率急剧增加
此次SpaceX公司如此引人注目的原因在于，与上一个报告区间，即2022年6～11月相比，“星链”避撞机动次数几乎翻了一倍。报告表明，机动次数正呈指数级增长，大约每6个月翻一番。这说明太空碰撞的几率正在急剧增加，很可能已经趋近于科学家们一直担忧的指数增长曲线。
“星链”在轨运行示意图
说到这个预言，不得不提到美国宇航局的科学家唐纳德·凯斯勒。他在上世纪70年代，就预见性地提出了“凯斯勒效应”的概念。
1978年，美国宇航局约翰逊航天中心以凯斯勒为首的一些科学家提出了几点关于未来空间碎片演化的预测，其中包括：在不远的将来，很可能在2000年以前，卫星碰撞解体将成为卫星碎片的新来源；在碰撞解体持续发生的情况下，即使人类不再向太空发射人造物体，从长期来看，空间碎片数量也会随时间推移呈指数增长；卫星碰撞将产生更多数量的空间碎片，每个空间碎片都会增加未来碰撞的概率，最终形成环绕地球的碎片环带。
简单来说，就是当人类向太空中发射的空间物体达到一定的数量和密度时，随着物体间随机碰撞的发生，碰撞产生的碎片数量将大于人类发射进入空间物体的数量，这将成为新空间碎片的主要来源。
在极端情况下，人造空间物体之间自发的碰撞就如同原子弹裂变一样，发展成为不断增强的连锁反应，逐渐包围地球，最终使得新进入空间的卫星无法在这样的空间碎片环境下生存，航天发射无利可图，航天产业不再存在。
那么目前地球轨道的空间碎片环境状况到底是怎样的呢？自从1957年苏联发射“斯普特尼克一号”开始，越来越多的人造物体被送入太空。据统计，目前被空间碎片监测网络定期跟踪、编目的碎片超过28000个，近地轨道人造物体的总质量超过了9200吨。欧空局发布的空间环境报告显示，截至2021年1月，空间物体（在轨卫星+各类太空垃圾）数量达上亿个。
从轨道分布来讲，这些空间碎片主要密集分布在地球周边的3个轨道：距离地面2000公里以下的近地轨道区域、20000公里的中高轨区域、36000公里的地球同步轨道区域。自2010年以来，由于大型互联网卫星星座的部署，以及立方体卫星的大量发射，近地轨道的空间物体数量激增。
如此巨大的人造空间物体存量和增量，使得空间碎片问题愈加严峻。人们对凯斯勒效应的质疑逐渐被现实所说服。截至目前，由于航天器爆炸或相互碰撞产生的解体碎片已经占到了空间碎片总数的大约一半。
空间碎片危害多
看了上面的数据，也许有人认为，对于空旷浩渺的宇宙来说，这点空间碎片不过如同尘埃一般，值得大家如此关注吗？
实际上，目前对于人类来说，最具利用价值的空间资源是极其有限的，仅仅是环绕地球的一些狭窄轨道区间。由于空间碎片速度比较快，各种尺寸的碎片都会对航天器造成危害，较大碎片撞击会使航天器破裂、爆炸、结构解体，微小碎片累积效应会改变元器件的性能，导致航天器性能下降或功能失效。
空间碎片平均撞击速度可以达到10公里/秒，厘米级空间碎片产生的动能就相当于一辆小轿车以五六十公里的时速撞上卫星，撞上即可导致航天器彻底损坏。
1996年7月24日，一个欧空局阿里安火箭的碎片就以14.8公里/秒的相对速度撞断了法国正在工作的樱桃电子侦察卫星的重力梯度稳定杆，使得后者姿态失去控制。国际空间站在服役的20多年间，也曾多次紧急调整轨道，躲避袭来的碎片。
另外还要警惕空间碎片陨落的威胁。位于近地轨道的空间物体结构坚固，失效后受大气阻力作用，轨道高度逐步降低，最后重返大气层。由于质量和体积较大，大型空间物体在大气层中不能完全燃烧，最后会有部分残骸陨落到地表，并有可能对陨落区域居民的生命和财产安全造成损害，同时有可能对陨落区域的自然环境造成污染。
陨落事件几乎每天都会发生。历史上造成重大影响的空间碎片陨落事件包括：苏联的宇宙系列核动力卫星曾失控落在加拿大，造成了一定的核污染；哥伦比亚号航天飞机在再入过程中失事，一些耐高温的部件也完整地掉到了地面。
缓解空间碎片危机
目前世界多国和许多国际机构都对空间碎片问题保持关注，采取以下方面措施减缓空间碎片带来的影响。
一是控制增量。这方面的措施主要是针对设计、制造过程中的航天器，尽量减少工作过程中操作性碎片的释放，比如分离机构、镜头保护盖等。另外还要求航天器在寿命结束前进行钝化处理，即耗尽器内残存的推进剂、电池电量，释放舱内压力，以免这些能量物质在未来导致退役航天器发生在轨爆炸解体。
二是减少存量。这主要针对已经进入环绕地球轨道的航天器。目前国际社会最主要的一条要求，就是要低轨卫星在工作寿命结束后25年内再入大气陨落。如果卫星的轨道较高，达不到25年内自然陨落的要求，卫星需要采取适当的离轨措施，降低轨道达到限期要求。对于地球静止轨道卫星，建议工作寿命结束后抬高轨道至坟墓轨道，保证被弃置的卫星不再穿越正常的静止轨道。除此之外，近年来随着在轨服务技术的发展，发射专用航天器，通过机械臂抓捕、飞网捕捉、鱼叉捕捉等方式擒获较大尺寸的碎片，将其带离轨道的主动清除技术也开始崭露头角。
三是体系防控。这主要是利用部署在地面的各种空间态势感知传感器，对运行在地球轨道上的空间物体进行不断观测并编目；利用观测数据，根据轨道动力学原理，对空间物体在未来一段时间内的运行轨迹进行预测；结合所有空间物体的轨道预测数据，进行空间物体交会分析；筛选出在轨交会碰撞概率大于门限值的事件，对相关方进行预警。相关方接到预警后再次核实，若情况属实，就指挥自己的在轨卫星进行主动碰撞规避机动。
本次SpaceX公司在报告中提到的大量星链卫星机动即属于这种情形。据报道，自2019年发射首颗星链卫星以来，SpaceX公司的卫星已经被迫机动了5万多次，以防止碰撞。数据如此惊人的原因，一方面是因为SpaceX公司采取了更为严苛的十万分之一碰撞概率门限，而国际社会一般采用万分之一的碰撞概率门限。
另一方面，SpaceX公司在星链卫星上采用了自主避让系统，通过卫星之间的通信和协调，实现卫星轨道的实时调整。当系统检测到两颗卫星轨道有可能相交时，会自动调整其中一颗卫星的轨道，以避免碰撞的发生。这种自动化的措施，再加上星链卫星的庞大数量，可能进一步放大了避碰机动的次数。（作者：于远航 把关专家：中国航天科技集团科技委副主任 江帆）
来源: 中国航天报
