“风神”卫星如何避开太空撞车

2019.09.12 , 浏览次数: 112

风神卫星和星链44可能发生碰撞的轨道示意图

9月2日,欧洲空间局发布消息,公布他们对旗下的“风神”(Aeolus)卫星实施了主动变轨操作,成功规避了可能发生的与SpaceX公司一颗“星链”卫星相撞事件。这次人为干预的主动变轨,不仅避免了一场太空“车祸”的发生,也为今后可能出现的更多类似事件敲响了警钟。

 

“风神”与“星链”——本无瓜葛的两颗卫星

在介绍这次规避事件的具体过程之前,我们先来了解一下事件的主角,两颗卫星的来头都不算小。

主角之一是欧空局于2018年8月发射的风神(Aeolus)卫星。这是一颗有些与众不同的气象卫星,它是人类第一颗研究地球高层风的科学卫星。卫星主体尺寸大约两米见方,重达1.36吨。通过先进的激光测风雷达,它可以直接测量从地球表面到平流层之间的风速和风向,并且能够实现全球数据覆盖。因为工程技术上有很大的难度,这颗卫星前后经历了20年才最终发射升空,计划在轨工作至少3年。整个卫星耗资约4亿8千万欧元。“Aeolus”这个词就是希腊神话中的风神,从欧空局对于这颗卫星的命名,也足以看出他们对风神卫星寄予厚望。

另外一个主角是著名的SpaceX公司旗下星链计划的一颗卫星——星链44。顾名思义,“星链”就是很多颗卫星在一起组成“链条”。在率先发射了两颗试验卫星后,SpaceX公司于今年5月用它们旗下的猎鹰9号火箭一次性地将60颗星链卫星送上了太空,目前这些小家伙已经分散运行在各自的预定轨道上。其中每颗卫星重量大约为227千克,相当于风神卫星的六分之一,尺寸也小很多。

SpaceX公司的老板是赫赫有名的科学狂人埃隆·马斯克。这家著名的商业公司希望通过组建低地球轨道卫星群,从而在全球范围内提供低成本的高速互联网接入服务。星链计划总共希望在太空密密麻麻地布置12000颗卫星以最终完全实现这一服务,整个计划预算100亿美元。而这次事件的主角星链44只不过是这一家族普通的一员。

 

惊魂时刻——太空“十字路口”的紧急避让

在潜在碰撞可能发生的一个星期前左右,根据美国军方提供的数据,欧空局发现了在9月2日他们运行的风神卫星与星链44卫星会发生潜在“接触”,也就是二者有可能相撞。欧空局空间碎片办公室的专家立即根据实时数据不断进行碰撞概率的计算。随着时间推移,碰撞概率也在不断增加。

8月28日,欧空局团队决定联系SpaceX公司讨论应对方案。星链团队最后的电子邮件回复道“我们没有对这一事件采取措施的计划”。

29日晚间,碰撞概率首次超过了万分之一,这是采取主动规避行动的阈值。这里需要说明的是,对于太空中运行的航天器(卫星),出于安全的考虑,加之各种不确定性,万分之一的碰撞概率其实是有很大危险存在的。欧空局工作人员准备了将风神卫星轨道高度提升350米,使得它能够从星链44上方飞过的规避方案,同时继续密切监视。但此时面对如此紧急的事件,另一边的星链团队则没有了动静。

9月1日,也就是潜在碰撞预计发生的前一天,碰撞概率提升到了千分之一,10倍于采取规避措施的阈值,位于德国的欧空局任务控制中心向卫星发出了调整轨道的指令。9月2日早晨,指令触发了一系列推进器点火操作,这时距离潜在的碰撞发生只有半圈的轨道距离。大约在预计潜在碰撞发生的半小时后,控制中心再次收到了风神卫星发回的信号,这也意味着这次规避操作取得成功,紧张了一周的工作人员才终于安下心来,正常的气象观测得以继续进行。

在这一惊心动魄的事件发生之后,SpaceX公司也发布了他们的相关声明。其中重点说明的是,他们公司也在调查星链团队没有及时回复最新邮件的问题。声明表示:“8月28日星链团队跟风神卫星团队最后交换了邮件,那时给出的碰撞概率在五万分之一,并没有必要采取规避措施。但是当碰撞概率增加到万分之一时,我们在线寻呼系统中的一个错误阻止了星链团队运行人员看到后续概率增加的信息。SpaceX公司仍在调查这个问题,并将采取纠正措施。如果星链团队看到了这些邮件,他们肯定会与欧空局协调,以确定最佳规避方案。”

我们知道卫星都是在自己特定的轨道上运行,相撞的一个大前提就是它们轨道高度相近,而且在绕转过程中有了重合点。发射更早的风神卫星率先占据了高度为320公里的轨道,而星链最先上天的60颗卫星,其中绝大多数的轨道高度从440公里提升到了550公里,但星链44曾经受控降低到320公里附近,以练习主动脱轨技术。这也是导致两颗卫星存在相撞可能的重要原因。

虽然两个卫星运行机构在这次规避过程中沟通不畅,也有很多误会和具体问题还没有解决,但好在欧空局采取行动避免了两颗卫星在太空撞车惨剧的发生。过程虽然十分曲折惊险,但最终结果还是好的。

 

新挑战——太空也需要升级版交规

自1957年第一颗人造卫星发射以来,人类已经执行了超过5500次发射,把9000多颗卫星送入了太空,其中目前大约有2000颗仍在正常工作,它们绝大多数都在自己的轨道上安全运行,彼此相安无事。但未来五年,光是SpaceX公司的星链计划,就要发射总共12000颗小卫星,这还不包括其他公司可能冒出来的“星簇”“星团”计划等等。未来短时间内卫星数目将会迅速增加。毫无疑问,未来的太空将会更加拥挤不堪,太空交通问题会进一步凸显出来。

欧空局指出,这次的规避行为由于规避对象的特殊性(它属于另一个机构的正常在轨卫星),很大程度上是基于特别的人为操作,而非系统自动做出。简单的一个操作指令背后,许多工程技术人员付出了巨大的努力和沟通交涉。

“这个例子表明,在没有‘交通规则’和通信协议的情况下,规避碰撞操作完全取决于所涉及卫星运营者的实用主义。” 欧空局空间安全负责人霍尔格·克拉格解释道。“今天,这一谈判是通过交换电子邮件完成的。这一古老的方式将不再可行,因为太空卫星数量的增加意味着更多类似‘交通事故’可能发生。”他补充道。

以往对于在轨航天器发生潜在碰撞事件,人们更多担心的是,卫星受到一些小的空间碎片或者其他已报废卫星的影响,那时只是需要单方面操作确保在轨航天器的安全即可。但是现在,随着太空中服役卫星数量越来越多,两颗正常卫星发生相撞的概率增加,而这一情况需要做出的协调和其中牵扯到的问题将复杂得多。两颗卫星所属控制机构的操作需要更加谨慎,才能避免酿出大错。必须在双方协商通畅的基础上,共同拿出一个合理的规避方案,使得在确保两颗卫星不会相撞的前提下,尽可能让卫星们变轨的后续影响降到最低。

此外,这类事件出现频率也会增加,全部通过人为介入恐怕会令工作人员焦头烂额。所以制定出一系列可行的解决预案和规则以及相应配套的操作步骤,使得相撞时间能够提前预判,系统尽可能自动反应解决,减少人为操作,也是需要整个行业尽快考虑的问题。

( 来源:北京日报)