陳輝 | 中國北鬥衛星遇到太空威脅了嗎?——美俄衛星相撞對中國在軌衛星安全剖析

2021-02-15 察網時評

中國從「神舟五號」飛船發射以來,每次發射前,科研人員都要對空間環境做詳細分析,以確保飛行安全。中國的載人航天工程,在方案論證及設計期間,已經把空間環境中微流星以及空間碎片的預測、分析及防護作為研究的內容之一,一直對國內外最新的研究成果進行跟蹤。針對可能出現的情況,採取了一系列的防護措施,並經過了充分的地面驗證。

【本文為作者陳輝向察網的投稿】

這是一個老事件,卻是一個新話題,特別是在今年5月中國北鬥衛星導航系統將完成全球組網,更值得舊事重提。

美俄衛星相撞,是2009年2月10日上午11時55分(北京時間11日0時55分)美國1997年發射的一顆衛星(銥33),與俄羅斯一顆1993年發射的、現已報廢的Cosmos2251衛星在西伯利亞上空相撞,世界為之震驚,中國也格外關注。

美國一顆現役商用通信衛星與俄羅斯一顆已經報廢的衛星是在西伯利亞上空以25000公裡的時速迎頭相撞,這是太空中首次發生完整的在軌衛星相撞事件。

這次相撞的「銥33」衛星為美國私營銥衛星公司生產的一顆商用通信衛星,重約560公斤,發射於1997年9月14日。另一顆是俄羅斯「宇宙2251」軍用通信衛星,重約900公斤,1993年6月16日發射升空,從1995年起該衛星就已停止工作。此次撞擊事件發生在西伯利亞上空約800公裡處,屬近地軌道範圍。通常這一軌道中氣象衛星、通信衛星等較為密集。

據悉,對兩顆衛星軌道夾角和速度的測算,衛星相撞速度高達每秒鐘1.5公裡,約合5400公裡/小時。再加上兩顆衛星的重量,相撞等於1噸TNT炸藥爆炸的威力。衛星相撞事故發生後,衛星碎片已分成了兩團碎片雲,在太空飛行。美國宇航局詹森航天中心專家表示,此次事故並非只是兩顆小衛星的簡單相撞,由此太空「交通事故」引發的大問題將迫使專家們花費數十年的時間予以解決。

有關專家認為,美俄衛星太空相撞後,至少帶來三個方面的損失與威脅:一是美國的銥星通訊受到影響。銥衛星公司計劃用一顆備用衛星替代「銥33」。二是殘骸對國際空間站和太空人的威脅。相撞衛星殘骸對國際空間站和太空人都可能造成威脅,現在最擔心的是那些肉眼看不到的殘骸的威脅。三是對太空其它衛星的威脅。散布在太空的上千個相撞衛星碎片對世界的在軌衛星都形成了威脅。

600個相撞衛星碎片,中國受到多大威脅?

美俄衛星相撞後,產生的碎片多數仍聚集在事發軌道附近,形成殘骸雲團,但大約600個垃圾碎片散落在距地面約500公裡至1300公裡的地球上空,對相同軌道中的地球同步衛星和氣象衛星造成威脅。

這張歐洲航天局發布的電腦合成照片顯示的是約有12000塊太空碎片圍繞地球運轉。

俄羅斯和美國航天專家認為,美俄衛星相撞後形成的殘骸會在地球軌道上滯留10000年,且絕大多數集中在衛星數量最多的近地軌道上:距離地球800公裡的軌道是通訊衛星最集中的區域,所以這次事故對通訊衛星的威脅最大。各國的衛星在未來的一段時間裡,不得不採取玩「躲避球」的方式,來避開美俄衛星相撞產生的殘骸。

據悉,中國已經對美俄衛星相撞前的軌跡進行了詳細分析,經過測算後得出,距離相撞點100多公裡處的中國風雲三號衛星的軌道高度約在830公裡,與此次產生的碎片相撞概率非常低。但是,在相撞力的作用下,碎片高度會發生變化。因此,必須密切監視碎片的動態,一旦遇到危險,中國衛星地面測控中心可以採取變軌措施將其避開。

超期服役的中國探月衛星嫦娥一號、神舟七號伴飛小衛星等中國空間的探測衛星由於距離相撞點較遠均未受到任何影響。

據報導,由紫金山天文臺負責的中科院觀測網,已經開始對這次衛星碰撞產生的碎片進行搜索,並將密切關注這些碎片對中國衛星的影響。

據了解,中方專門從事垃圾碎片監控的研究起步較晚,主要在紫金山天文臺進行碎片監測。目前國際組織「軌道間空間垃圾協調委員會」屬全球碎片監測機構,中國航天局於1995年參加了該機構。此外,2005年中科院空間目標碎片觀測研究中心成立,也在著手進行碎片跟蹤。

6000個太空太空飛行器,中國佔有多大比例?

自1957年蘇聯把全世界第一顆人造衛星送上太空的52年間,人類已向太空發射了6000多顆各類太空飛行器,目前在軌運行的太空飛行器有1200多顆,美國578多顆,俄羅斯近142顆,歐洲國家70多顆,日本30顆左右,印度20多顆,中國302顆。

蘇聯第一顆人造衛星

人類向太空發射的6000多顆太空飛行器,85%已成為太空垃圾在軌道上遨遊。

所謂太空垃圾,是指圍繞地球軌道的無用人造物體。它們中小的由人造衛星碎片、漆片、粉塵、螺母、螺栓以及從載人飛船上扔下的太空人排洩物構成,大的則是廢棄的太空飛行器、報廢衛星、火箭外包裝。

目前,地面上能觀測到並記錄在案的太空中的碎片約有4000多萬個,其中地面可以觀測到的最大碎片與一輛公共汽車相當,最小的與一個壘球相當,而且這些數字每年都在增加。根據美國宇航局的統計,目前地球軌道上有大約4000個運行中或報廢的人造衛星和火箭殘體,此外還有大約6000個可以看到並跟蹤的太空垃圾碎片;而直徑超過1釐米的太空垃圾,更多達20萬個。這些物體大多數都在以每小時2.8萬公裡的速度行進。它們的運行,無時無刻不威脅著太空梭以及國際空間站的安全。

據統計,50年來已有大量的太空垃圾在太空軌道中。當太空垃圾密度高到臨界點時,太空垃圾的碰撞會引起連鎖反應,造成人造衛星無法存活、地球軌道喪失功能的嚴重後果。它們就像是圍繞著地球快速奔跑的「殺手」,一旦撞到同為太空垃圾的廢舊燃料罐和電池,後果不堪設想。

太空垃圾對大氣層的飛機也造成了可怕的威脅。2007年3月,智利一架空客A340客機在飛行途中突然遭遇數塊炙熱衛星碎片「夾擊」。事後查明,這些險些擊中飛機的「火球」是俄羅斯一顆衛星的碎片。它們的墜落時間比俄方預計提早了12個小時。

歷史上,國際空間站曾6次避讓可能與之相撞的太空垃圾。美國一個專家委員會2007年2月27日曾提出,10年內國際空間站遭太空垃圾擊穿的機率為55%,由此造成災難性後果的可能性為9%。

太空垃圾,大多是美俄兩個航天大國製造的。美國太空人1965年第一次太空行走期間,「雙子星4」號飛船太空人丟失的一副手套就以時速1.75萬英裡在太空飛行。俄羅斯「和平」號空間站在運行過程中則產生了200多包垃圾。2008年11月,美國「奮進」號太空梭的太空人海德·皮珀在太空中對國際空間站進行維修時丟失了工具包,成為太空垃圾。

中國在軌的太空飛行器和報廢的太空飛行器與世界發達國家相比,數量不多,但同樣存在著衛星的太空安全,同樣肩負著維護太空安全的重任。

3000多噸太空垃圾,中國採取哪些行動?

面對4000多萬個太空碎片造成的3000多噸快速奔跑的太空垃圾,人類無法無動於衷,特別是這次美俄衛星相撞事件,給國際社會敲響了警鐘:整治太空環境究竟迫在眉睫。

中國作為一個負責任的航天大國,早在上世紀90年代初,就組建了一支從事空間碎片研究的隊伍,成功開發出長徵四號乙火箭末級剩餘推進劑排放系統,解決了火箭入軌後第三子級「鈍化」問題,避免了因自身爆炸產生空間碎片情況的出現。

據悉,2000年以來,中國航天科技集團公司一院、五院、八院及中國科學院等各方面科技工作者通過努力,又完成了部分基礎設施的建設,使我國具備了參加國際空間碎片聯測的能力,還自主研發出空間碎片撞擊風險評估軟體包等,這些措施,能夠對空間碎片進行有效的防護。

目前,我國的運載火箭已有長徵一號、長徵二號、長徵三號和長徵四號四大系列。在成千上萬的太空碎片中,有很多都是由於末級火箭的解體造成的。火箭入軌後,由於末級裡面還有幾十公斤甚至上百公斤的剩餘推進劑,很容易發生自然解體,或稱『爆炸』。

長徵四號甲火箭

1990年,長徵四號甲火箭在成功完成星箭分離動作後33天,就發生了爆炸,產生了60多塊可觀測的碎片。當時,發射太陽同步軌道衛星的長徵四號甲火箭被認為是形成空間碎片最危險的對象。與發射地球同步軌道衛星的火箭相比,它的軌道壽命比較長。據科學家計算,900公裡圓軌道上的空間碎片,大約需要50年才能墜落到地球的大氣層。

長徵四號乙火箭

從長徵四號乙火箭開始,中國便研製出了火箭末級剩餘推進劑排放系統,實行「三放光」政策,即把儲箱裡的液體放光,把氣瓶裡的氣體放光,把電池的能量放光。這樣,箭體就「鈍化」了。除非與別的太空飛行器相撞,火箭自身不會爆炸。排光辦法也是國際上的通行做法。長徵四號乙火箭的「鈍化」措施,是中國最成功的空間碎片減緩辦法,在國際航天大國上也頗具特色。

長徵二號丙火箭

中國在長徵二號丙火箭上,已經安裝了箭體處理系統:兩級狀態採用先調姿後啟動主發動機離軌的方案;三級狀態在上面級安裝姿控發動機完成離軌。長二丙火箭完成任務後的離軌工作,從上世紀90年代中後期就開始實施了,對減少和避免太空垃圾上取得很好的效果。

專家認為,到目前為止,世界上還沒有一個國家完全避免衛星成為太空垃圾。因為要使衛星回落到大氣層,需要留很多燃料,這個不太現實。現在通行的做法是將衛星移軌。中國目前對於壽命到期的衛星,採取的主要措施是利用剩餘推進劑,從常用軌道移到不常用軌道,避免跟別的衛星相碰造成碎片,同時讓出軌道資源。

神舟五號載人飛船成功返回地面

中國從「神舟五號」飛船發射以來,每次發射前,科研人員都要對空間環境做詳細分析,以確保飛行安全。中國的載人航天工程,在方案論證及設計期間,已經把空間環境中微流星以及空間碎片的預測、分析及防護作為研究的內容之一,一直對國內外最新的研究成果進行跟蹤。針對可能出現的情況,採取了一系列的防護措施,並經過了充分的地面驗證。

中國航天專家認為,對於防止太空垃圾的危害,當務之急最有效的措施就是開展國際合作,進行全過程實時跟蹤、預報,採取主動規避的辦法。此外,建立科學的太空軌道秩序十分重要,去年10月,國際航天協會已經在羅馬就相關話題展開了研討,當時有美、歐、俄、中等國的科學家參加,呼籲各國加快航天安全促進系統的協作,增加在這一領域資源投入,以確保太空安全。

不久前,在華盛頓參加一個論壇時,美參聯會副主席卡特懷特上將先是承認「這次衛星相撞確實有美國粗心大意之處」,但他同時表示,應該建立一個全球性質的衛星或者太空飛行器防撞網,拉中國、俄羅斯、法國、英國和其他有能力利用太空的各方參加。卡特懷特上將說:「目前太空沒有一個『交通管制系統』,我們應該建立這樣的機制,以確定所有衛星的方位,防止其發生碰撞。」 

【陳輝,新華社原北京軍區支社社長,高級記者,大校軍銜,獲新華社「十佳記者」榮譽。撰寫出版了《世界王牌敗兵錄》《沙場淘金百戰歸》(上下冊)《軍旗下的鐵甲雄師》、《軍旅歲月拾零》(一至五集)等9部專著,在國內外發表新聞作品2000餘篇。新聞和文學作品先後獲得國家「五個一」工程獎、第一屆中國人民解放軍新聞獎一等獎、第三屆中國報告文學大獎賽一等獎、伊拉克戰爭報導獎、國家抗震救災報導獎等50餘個獎項,新聞作品收入國家語文課文。先後立二等功3次,三等功4次,獲國防服役金質獎章;簡歷被收入《中國專家大辭典》和《二十一世紀人才庫》;作品被收入《中華文庫收藏作品名典》。】

相關焦點

  • 太空暗戰已爆發?中美兩顆衛星相繼爆炸,這是星球大戰的前奏嗎?
    在3月10日,美國空軍第18航天控制中隊報告,隸屬於美國海洋大氣管理局的一顆NOAA-17退役氣象衛星在太空發生爆炸,一共產生了16塊碎片。美軍聲稱沒有跡象表明該衛星曾與另一物體碰撞。8天後,3月18日7時41分,中國一顆在軌服役的氣象衛星雲海一號02星在軌道上發生碎裂,已經形成了21塊碎片。美方的NOAA17衛星是一顆退役衛星,而中方的雲海一號02衛星還在服役。
  • 太空武器化及中國太空安全構建
    單方面發展並在世界各地部署戰略反導系統的非建設性行為,對國際和地區戰略平衡與安全穩定帶來消極影響」。[10](二)引發太空軍備競賽組建反導系統,提升反導能力,肯定離不開衛星、尤其是軍用衛星的幫助。根據美國憂思科學家聯盟提供的數據,目前太空在軌衛星2 062顆,包括432顆軍事衛星,其中美國衛星總數與軍事衛星分別為901顆和176顆,俄羅斯為153顆和93顆,中國則為299顆和99顆。[11] 更重要的是,一些國家正在研發反衛星的衛星。正如前述,美國一直猜測中俄擁有共軌式反衛星的衛星。
  • 木質衛星,太空探索新思路(科技大觀)
    科學家稱,如果這一嘗試取得成功,未來衛星製造的材料將有更多選擇。目前,人造衛星的首選材料大都是堅固耐用的輕型合金。這些材料雖然有效保護了衛星,但也產生了大量太空垃圾。太空垃圾是在宇宙空間中除正在運行的太空飛行器之外的各類人造廢棄物體及其衍生物,主要包括火箭發射、運行過程中產生的碎片、報廢太空飛行器等。
  • 北約:為應對中俄衛星威脅,在德國設立太空中心
    (拉姆施泰因空軍基地,由美國空軍設立,位於德國西南部)顯然,北約的威脅來自於東邊,在位於第二線的中歐德國建立太空中心能夠十分有效地協調北約各盟國的太空活動,利用衛星的定位、成像技術來提供作戰支持。同時德國的位置不在北約東部前線,在監視、分享來自東邊潛在威脅信息的同時,也能最大程度確保自身安全。值得一提的是,北約長期以來都奉行著"太空和平化"政策,北約秘書長斯託爾滕貝格不止一次提到北約對"太空軍事化"沒有太大興趣,但是這次的視頻會議時,斯託爾滕貝格又指出"北約盟國的衛星和太空系統正在受到威脅,北約有必要發展太空力量",觀點正好完全相反。
  • 天宮一號墜落,東方紅一號衛星48年後卻仍在軌安全飛行
    在天宮一號墜落的同時,有航天愛好者放出了一副在軌太空飛行器的軌道圖,其中1970年發射升空的中國第一顆衛星東方紅一號赫然在軌!而天宮一號還和東方紅一號擦肩而過!圖片:中國第一枚人造衛星——「東方紅一號」。圖片:與天宮一號擦肩而過的東方紅一號衛星在軌位置。
  • 驚爆 太空垃圾撞傷國際空間站,是時候管管「太空交通」了!
    還記得2009年2月11日,美國銥星33商用通信衛星與俄羅斯報廢軍用通信衛星在西伯利亞上空相撞嗎?其產生的大量碎片,成為了永久的太空垃圾。
  • 美國傑森2號衛星退役卻未遵守太空垃圾準則 將在軌漂浮1000年
    ,儘管在軌飛行的11年來成果滿滿,有效提高了海洋大氣的觀測能力,並幫助美國提升了颶風的預報能力,但遺憾的是,退役後的傑森2號卻未能遵守國際上通行的「減少太空碎片準則」,無法主動進入軌道返回大氣層,在未來1000年左右,他都將成為低空軌道上一顆遊弋的太空殺手傑森2號海洋衛星
  • 【轉載】太空垃圾撞傷國際空間站,是時候管管「太空交通」了!
    > 編輯發布:韓大洋還記得2009年2月11日,美國銥星33商用通信衛星與俄羅斯報廢軍用通信衛星在西伯利亞上空相撞嗎
  • 美國派「太空戰機」、日本建「宇宙戰隊」,連俄羅斯衛星也主動「學習」……太空裡的火藥味又重了
    稍早前,美國X-37B空天飛機在佛羅裡達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空,開始執行其第六次在軌飛行任務。X-37B可謂美國天軍最為神秘的裝備之一,被全球許多專家懷疑為「太空戰機」的雛形。雖然美軍此前一直對這款裝備的任務三緘其口,保密程度極高,但此次罕見披露了其部分試驗任務。 X-37B空天飛機這是美方為提振士氣嗎?
  • 中國衛星解析度0.1米,導航精度3釐米,美國還有太空優勢嗎?
    現在,我們也有中國版的「鎖眼」了。在今年的9月7日,我國在太原衛星發射中心,用長徵四號乙運載火箭將一枚高分十一號遙感衛星02星送入太空。相比在2018年7月31日發射的高分十一號衛星,02星是一顆高解析度光學遙感衛星,採用橢圓軌道,遠距離地面像元解析度可達亞米級,近距離解析度可到分米級,準確來說就是0.1米。
  • 美國稱中國在研發「殺手衛星」和「定向能武器」以挑戰美國太空
    作為警告的一部分,埃斯珀表示,中國正在利用先進的技術將太空轉變為「戰場」,以取得優於美國的太空優勢。他說:「他們通過殺手衛星、定向能武器等為太空提供了武器,以利用我們的系統並將我們的軍事優勢瓦解。」太空已成為軍方感興趣的領域。隨著數以千計的衛星繼續發射,它們已成為目標和武器。
  • 國防部長埃斯珀:中國和俄羅斯在太空中擁有「殺手級衛星
    武器化」太空,聲稱兩國現在都在使用「殺手級衛星」。「這類事情–很難想像僅通過動力學手段來處理群發攻擊–因此,這就是我認為我們面臨的未來威脅之一。」但是,蜂群攻擊和飛彈似乎並不是俄羅斯和中國投入太空的定向能源武器的目的。更確切地說,它們被認為可以取出其他衛星。7月23日,美國太空司令部(SPACECOM)發表聲明說,俄羅斯已在軌道上測試了反衛星武器。
  • 曝中國太空武器清單 反衛星飛彈裝核彈頭
    反衛星飛彈、雷射致盲衛星技術、高超音速飛行器……這些都是美國近年炒作的種種「中國太空軍事威脅」,嚴重依賴太空優勢的美軍已對可能的空間威脅「草木皆兵」。近日出爐的一份美報告更渲染中國反衛星飛彈的「威脅」,稱解放軍或利用核彈低軌爆炸「對付衛星」。中國專家對此表示,中國反對太空軍事化的態度並沒有改變,近年來不斷提出各種太空武器構想的不是別國,恰恰是美國自己。
  • 衛星恰好拍到返回地面的中國太空飛機?美媒分析其從太空返航細節
    美國The Drive網站《戰爭地帶》專欄9月8日發表文章稱,中國的秘密太空飛機可能降落在偏遠的基地中,該基地擁有龐大的跑道。文章稱,這架太空飛機被設計為能夠降落在傳統的跑道上,在返回地面前似乎向軌道釋放了一個小型載荷。美國政府還為太空中新出現的中國飛行物編了號,這個飛行物可能是小型衛星。文章利用衛星照片進行了詳細的分析。
  • 美國太空部隊控制的軍用衛星星座
    由於太空部隊所部署太空資產的機密屬性,列出其具體能力水平是一項極具挑戰的工作,更不用說評估部隊執行任務的能力了。毫無疑問的是,美國目前的情報、監視和偵察(ISR)、導航和通信衛星系統是任何其他國家都無法匹敵的。這一系列的裝備使得美國太空部隊和它的姊妹軍種能夠發現、解決和鎖定來自地球表面任何陸地或海上的威脅。
  • 衛星網際網路布局競爭升溫,中國電信開啟太空通信新時代
    衛星網際網路建設提速。近日,銀河航天完成新一輪融資,成為中國衛星網際網路領域第一隻獨角獸,馬斯克SpaceX衛星網際網路服務Starlink,終於面向普通用戶開放小範圍測試,與此同時,中國電信運營的天通一號02星成功發射升空,成為天通一號衛星移動通信系統的重要組成部分。
  • 中國太空武器已超越美俄?「天舟一號」釋放的那顆10釐米「立方星」,是什麼星?
    「中國第一次!」、「中國成功釋放10釐米立方星,美專家坦言中國太空武器已超越美俄」.對中國乃至世界而言,成功釋放立方星,可是一件非常轟動且意義重大的事件。然而,小夥伴們,立方星這麼牛,你知道它是什麼,它是怎麼工作的嗎?不知道的趕緊收下知力君的這份強勢科普吧!
  • 【國際】中國北鬥衛星系統發力 美國頓感不安
    美軍戰略司令部司令塞西爾·哈尼3月24日稱,中國試射了一枚專門設計用於打擊低地軌道衛星的飛彈,此舉突顯了美國面臨的越來越嚴重的太空武器系統威脅。哈尼還表示非常擔心俄羅斯和中國的戰略核力量,並稱作為美國戰略司令部司令,他必需假定朝鮮所言非虛,其已經成功實現了核彈頭的小型化。
  • 3%Starlink衛星成太空垃圾,馬斯克4.2萬顆「太空網際網路」計劃遭質疑,或將引發太空碎片危機?
    據了解,兩個失效衛星相撞即可爆炸成數十萬個碎片,那麼,1260顆失效衛星對太空安全無疑又是一次沉重的負擔。如McDowell所說,在如此龐大的星座中,即時屬於正常範疇的失效率也將對太空安全產生足夠的威脅。既然如此,馬斯克為何要開展星鏈計劃,星鏈衛星是什麼?馬斯克在2015年1月正式宣布啟動衛星網際網路服務計劃,即星鏈計劃(Starlink)。
  • 航天大國的必修課:中國「太空擺渡車」發射成功
    昨天(3月30日),新一代上面級遠徵一號即將以「太空擺渡車」的使命迎來首次太空之旅。「上面級」是什麼?「遠徵一號」未來又將擔負什麼樣的太空發射任務?它的出現將帶給中國航天哪些深刻的變化呢?或許可以從遠徵一號這個名稱中看到一些端倪。