2009年2月10日上午11時55分在西伯利亞上空的近地軌道上,美俄兩顆衛星相撞的事件,讓大家認識到,廣袤無垠的太空,其實已經熙熙攘攘了!今年是2020,距離上次相撞的11年中,人類又發射大量的衛星上天,這地球軌道上衛星是不是塞滿了呢?未來還能向外發射飛船嗎?
地球有哪些軌道?在這些軌道上的都是些什麼衛星?
很多科普文章中,在說到衛星或者飛船發射是都一條近地軌道一筆帶過,當然這對於了解航天的朋友發射什麼任務,這近地軌道大概是多高基本都心裡有數,但對於大部分朋友來說,這近地軌道就一臉懵逼了,到底是啥軌道?
在地球周圍到底有多少軌道?
其實在地球周圍只有一條軌道,也就是環繞地球的軌道,但為了環繞地球軌道的不同高度和功能,一般都會將它們區分成如下軌道:
按高度區分可以分為低、中、高軌道;按軌道形狀區分一般有圓形軌道和橢圓軌道;按傾角大小區分一般可以分成赤道軌道和極地軌道以及傾斜軌道;按星下點軌跡區分,一般有太陽同步軌道和靜止軌道以及一般軌道;其實還有很多類別,但所有軌道介紹起來實在太複雜,下面就挑個典型的軌道說明下,一般低於1000千米的軌道是偵察衛星和載人飛船和國際空間站以及新型通信衛星(比如馬斯克的星鏈)的專用軌道,因為偵察衛星飛得越低也就看得更清楚,飛船當然還有測地衛星和地球重力場研究的衛星,也需要儘量低的軌道!
國際空間站的軌道
比如ESA在2009年發射的GOCE衛星,它的軌道低至260千米,由於此處大氣分子密度仍然很高,GOCE衛星甚至有一個流線型的外形,還有離子發動機不斷推進,但它仍然在2013年就草草的結束了壽命墜入大氣層!
中軌道(2000千米以上,低於3.6萬千米的靜止軌道),大都為全球定位系統衛星的,比如GPS衛星軌道高度2.02萬千米,格洛納斯衛星則在1.91萬千米,北鬥衛星則在2.15萬千米,伽利略衛星則是2.33萬千米等,另外也有部分跨越南北極的衛星也用中軌道!
高軌道衛星一般指3.6萬千米的的靜止軌道衛星,當然也有非常特殊的比如運行在日地拉格朗日點上的SOHO衛星或者地月鵲橋中繼通信衛星(地月系的拉格朗日點)
傾角不同,功能大相逕庭的衛星
沿著地球的赤道與自轉軸形成一個平面,這就是赤道平面,除了沿著赤道平面自轉方向的衛星和靜止軌道衛星外,其他衛星和地球赤道平面存在一個夾角,這就是衛星軌道的傾斜角度!按最節省燃料的方式發射,那麼發射場地所在的位置就決定了衛星的傾角!
北鬥衛星傾角示意圖
當然現代火箭已經不像第一顆衛星那會那樣送上去就算數,所以現在的太空飛行器和衛星都按計算好的角度發射,如果不滿意,還可以變軌嘛(一般情況下都是火箭一步到位,迫不得已才會使用衛星的燃料做軌道改變,這極度消耗衛星壽命)!
傾斜軌道的星下點是一條波浪曲線,經過的位置都不相同,極地軌道衛星則與赤道平面呈90度夾角,它的星下點通過兩極,好處是它每轉一圈,經過的星下點都不一樣,因此用不了幾天就能將地球所有位置都探測一遍!
還有一種特殊的太陽同步軌道,它的高度大約在600至800千米,軌道周期在96至100分鐘,傾角大約在98度,進動和地球自轉匹配,可以讓它每天的同一時刻通過同一個位置,甚至一直可以圍繞著晨昏線轉,太陽能電池一直都能照到,研究太陽的衛星大都用這個軌道!
靜止軌道
靜止衛星大家都知道,在地面上看起來不動,但有一種傾斜同步軌道可能大家沒聽說過,這種衛星的軌道也和赤道靜止衛星軌道一樣高,但軌道是傾斜的,它的星下點是一個8字,比如在赤道靜止軌道上的衛星在南北緯高緯度地區幾乎就不可見,但傾斜同步軌道衛星可以解決這個問題,一般高緯度國家會使用這類通信衛星,比如俄羅斯!
這些軌道能被塞滿嗎?為什麼它們又會相撞呢?
衛星的軌道實在是太多了,上文只介紹了其中很少一部分,這個軌道從200-300千米開始一直到3.6萬千米不等,這些衛星的軌道資源實在是太豐富了,想怎麼發射就怎麼發射,只要滿足要求,查一查這條軌道上有沒有現有或者歷史衛星,只要沒有衝突的,就能在這條軌道行塞衛星!只是大家都搶好的軌道,所以才感覺沒地方下腳!
但真正有一條軌道,衛星的總數是被限制了的,那就是赤道靜止軌道衛星!這條軌道只有一條,距離赤道上方大約3.6萬千米的位置,並且由於衛星在工作過程中會有一定程度漂移,允許範圍是±0.1°,圓周總共是360°,那麼很簡單就計算出這條軌道上能塞進去的衛星有1800顆,看起來很多?其實有很多黃金位置,比如距離本國上空最近,而國家又很密集,那麼這些定位點就成了最搶手的資源!
太空垃圾
自第一顆人造衛星上天以來,人類向太空發射的衛星已經接近7000顆,其中有一半還在太空,但大約只有1000顆左右還在正常工作!
如果這些衛星都是可控的,再不濟能被追蹤也可以,那麼地球上衛星軌道資源確實多的不要不要的,但隨著衛星失控,和衛星分離時的三級火箭,還有測試反衛星武器的碎片,以及衛星相撞的碎片,當然還有各國太空人艙外行走時候不小心或者故意丟棄的垃圾等等,圍繞著地球運轉的這些人造物體中,90%以上都是垃圾,而有很多因為太小,根本就無法追蹤!
不過儘管如此,仍然只是存在相撞的風險,因為地球周圍的太空還是太空曠了,就像一個北京出發繞地心走,另一個人從烏魯木齊出發繞地心走,兩個人在某地相遇的可能性實在比較小!但仍然不可小覷這樣的危害,因為每相撞一次,碎片就會成百上千倍增加,當然下次相撞的概率就會大增!
因此探測到可能有相遇的碎片或者衛星時,會提前變軌,避免衛星陷於險境!而2009年相撞的兩顆衛星中銥星33仍然在役,而俄羅斯的宇宙-2251則發射於1993年,1995年起已是報廢狀態!兩者在西伯利亞上空790千米處相撞!
不過NASA仍然認為,這只是一次概率極低的事件!
能將這些報廢衛星回收嗎?
儘管各國的機械臂以及各種變軌的上面級火箭有一個重要的功能就是收集太空垃圾,但到現在為止仍然沒有見他們回收下任何一塊太空垃圾!而在開發過程中的還有雷射照射改變軌道回收,英國某該公司還有一種射出網狀物,增加它的阻力使其提早墜入大氣層回收的方法!
但沒有一個是實用的,因為捕捉太空垃圾的成本實在是太高了,很簡單變軌需要大量的燃料,而每千克運送成本高達上萬美元,沒有國家會將這種概率低到1%%%%的事件去浪費有限的宇航預算!
這是被太空塵埃高速撞擊後的太空飛行器表面鋁合金蒙皮
所以到現在為止,除了能探測的垃圾避讓下,對於無法探測但足以造成損傷的,基本就憑運氣吧!