張育林

太空作為人類最新的活動空間,已經(jīng)歷了超過半個世紀(jì)的開發(fā)與利用.航天技術(shù)在越來越多的方面引領(lǐng)著科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會生活的發(fā)展,太空資源成為同陸地、海洋、水和空氣一樣重要的戰(zhàn)略資源[1].

太空活動在產(chǎn)生源源不斷的政治、經(jīng)濟(jì)價值的同時,也使太空交通日趨擁擠.每次航天發(fā)射,一方面,除了將有實(shí)用價值的航天器送入太空外,往往還會伴隨著運(yùn)載火箭上面級、分離解鎖裝置等廢棄物載入太空.這些廢棄物不受控制,且難以跟蹤與觀測,有可能與后續(xù)發(fā)射的航天器發(fā)生碰撞,是航天活動的潛在危險源,被稱為空間碎片.另一方面,壽命終結(jié)失去控制能力的正常航天器最終也會成為空間碎片.截至2013年,估計(jì)地球附近由人造物體形成的空間碎片規(guī)模已達(dá)7000t,其中能被美國空間監(jiān)視網(wǎng)跟蹤編目的尺寸大于10 cm的空間物體數(shù)目為23000個,能對在軌運(yùn)行的航天器造成致命破壞的、尺寸介于1～10cm的空間碎片估計(jì)達(dá)74萬個[2].

2007年,歐洲的地球同步氣象衛(wèi)星Meteosat-8被未編目的碎片擊中,導(dǎo)致軌道改變.同年,失效的美國高層大氣研究衛(wèi)星UARS被未編目的碎片擊中,產(chǎn)生了新碎片.2009年,俄羅斯廢棄的軍用電子通信衛(wèi)星“宇宙-2251”與美國銥星-33相撞,產(chǎn)生了大量碎片.2013年,厄瓜多爾立方體衛(wèi)星飛馬座與1985年發(fā)射的蘇聯(lián)火箭S14燃料箱殘骸碎片相撞,導(dǎo)致衛(wèi)星壽命終結(jié)[3].

這些碰撞事故表明,為確保人類和平利用太空資源的可持續(xù)發(fā)展,研究并開展太空交通控制已刻不容緩.

1 太空交通安全管理與控制發(fā)展研究情況

太空交通安全管理控制的研究主要集中在對空間碎片的研究上.以空間監(jiān)測網(wǎng)跟蹤測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立了相應(yīng)的空間目標(biāo)編目數(shù)據(jù)庫和碎片模型.研究機(jī)構(gòu)在不斷努力提高跟蹤監(jiān)視能力和計(jì)算模型,且這些模型在航天發(fā)射與軌道機(jī)動碎片規(guī)避策略中已發(fā)揮了重要作用.

1.1 空間碎片演化模型

目前國際上比較常用的空間碎片工程模式主要有3個系列:美國國家航空航天局(NASA)的軌道碎片環(huán)境模型(Orbital debris engineering model,ORDEM)系列、歐空局的流星體和空間碎片環(huán)境參考(Meteoroid and space debris terrestrial environment model,MASTER)系列和俄羅斯的空間碎片預(yù)測分析模型(Space debris prediction and analysis model,SDPA)系列.從理論基礎(chǔ)上說,MASTER的小碎片分析完全從理論模型出發(fā)[4];ORDEM則是從大量數(shù)據(jù)出發(fā),以數(shù)學(xué)方法得到擬合曲線[5];SDPA則是在以往多種研究和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)學(xué)模型[6].在數(shù)據(jù)比較上,ORDEM 很好地符合了目前掌握的數(shù)據(jù),SDPA的結(jié)果與之相似,MASTER則有所欠缺[7?8].

空間碎片演化模式用以預(yù)測未來若干年內(nèi)空間碎片環(huán)境的演變.它對于評價碎片減緩技術(shù)的必要性和效能以及新的空間活動的影響十分重要.目前的演化模式主要有:歐洲航天局(ESA)的CHAINEE(Chain european extension)模型、NASA的EVOLVE模型和英國的IDES(Integrated debris evolution suite)模型.因?yàn)檫@些模型來自不同的假設(shè)和初始條件,它們的預(yù)測結(jié)果在數(shù)量上并不完全一致,但基本趨勢是一致的.

工程模式重觀測結(jié)果輕演化機(jī)制,建模過程相對簡單,短期的可信度也比較高,但其有效期比較短,必須利用碎片觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)常性的更新,故不能對中長期碎片環(huán)境進(jìn)行預(yù)報(bào).而演化模式與工程模式相反,重演化機(jī)制輕觀測結(jié)果,由于眾多子模型都需要周全地考慮,其建模過程相對復(fù)雜,短期預(yù)報(bào)效果也不如工程模式,但其有效期比較長,一旦建立了模型,可很長時間無需更新,故其效費(fèi)比高,適合于對空間碎片環(huán)境進(jìn)行中長期預(yù)報(bào).

1.2 空間碎片壽命計(jì)算

現(xiàn)有的空間碎片壽命計(jì)算方法主要有:數(shù)值法、半解析法和解析法.解析法往往基于大量簡化條件的假設(shè),無法準(zhǔn)確計(jì)算碎片壽命;數(shù)值法考慮了各種攝動力的影響,精度很高,其缺點(diǎn)也很明顯,狀態(tài)變量為快變量,計(jì)算步長只能取數(shù)秒,計(jì)算時間太長,故很難用于計(jì)算碎片的壽命;半解析法是為解決數(shù)值法計(jì)算時間過長而產(chǎn)生的方法,該方法采用慢變量軌道根數(shù)替代位置和速度作為狀態(tài)變量,計(jì)算步長可大大增長.此外,在壽命計(jì)算中,只需要計(jì)算碎片半長軸和偏心率的演化.這是因?yàn)樗槠p的主要判據(jù)是其近地點(diǎn)是否進(jìn)入稠密大氣,而并不需要知道碎片的具體位置.

1.3 空間碎片碰撞危險評估

危險盒判據(jù)是一種傳統(tǒng)的碰撞判定準(zhǔn)則,通過在航天器周圍定義一個預(yù)警區(qū)域,當(dāng)有空間物體進(jìn)入這個預(yù)警區(qū)域時則發(fā)出預(yù)警.一般的,對于不同類型軌道的航天器來說,預(yù)警區(qū)域的定義是不同的.以美國的航天飛機(jī)為例,當(dāng)預(yù)報(bào)結(jié)果表明空間碎片將進(jìn)入以航天器為中心、沿軌跡方向?yàn)椤?5 km、軌道面內(nèi)垂直于軌跡方向及軌道平面的外法向上都為±10 km的空間內(nèi)(預(yù)警區(qū))時,地面監(jiān)測系統(tǒng)就會提供更詳細(xì)的軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),同時不斷更新數(shù)據(jù);當(dāng)碎片將進(jìn)入以航天器為中心、沿軌跡方向?yàn)椤? km、軌道面內(nèi)垂直于軌跡方向及軌道平面的外法向上都為±2 km 的空間內(nèi)(規(guī)避區(qū))時,航天器會進(jìn)行機(jī)動變軌來規(guī)避碎片.

在國際空間站的碰撞預(yù)警設(shè)計(jì)中使用了碰撞概率判據(jù),它采用了2個級別的預(yù)警閾值:10?5為黃色預(yù)警閾值;10?4為紅色預(yù)警閾值.當(dāng)碰撞概率小于10?5時,說明針對空間站的交會是安全的;當(dāng)碰撞概率大于10?5但小于10?4時,說明這次交會的碰撞風(fēng)險是很大的,這時需要監(jiān)測設(shè)備進(jìn)一步提供更加詳細(xì)的數(shù)據(jù),在不影響空間站主要飛行任務(wù)的同時采取規(guī)避;當(dāng)碰撞概率大于10?4時,需要空間站立即中止正在進(jìn)行的任何空間試驗(yàn)或任務(wù),根據(jù)地面指控系統(tǒng)提供的規(guī)避策略進(jìn)行機(jī)動規(guī)避,確保安全.

1.4 空間碎片碰撞規(guī)避機(jī)動

空間碎片的碰撞規(guī)避機(jī)動通常以碎片的碰撞危險評估結(jié)果為基礎(chǔ),利用在軌運(yùn)行航天器與空間碎片的碰撞概率,給出規(guī)避機(jī)動的實(shí)施準(zhǔn)則和機(jī)動有效性的判斷標(biāo)準(zhǔn),研究碰撞軌道機(jī)動的計(jì)算方法和實(shí)施策略,包括航天器機(jī)動采用推力大小、方向以及推力作用時間的選擇.碰撞規(guī)避機(jī)動策略研究中主要有以下3方面問題:燃料、機(jī)動能力限制下的最優(yōu)規(guī)避機(jī)動策略設(shè)計(jì);任務(wù)約束條件下的軌道機(jī)動方案設(shè)計(jì)以及規(guī)避機(jī)動與日常軌道維持結(jié)合[9],因此應(yīng)綜合考慮航天器運(yùn)行過程的多種約束,設(shè)計(jì)最優(yōu)的空間碎片的規(guī)避機(jī)動策略.

然而,由于觀測能力的限制,未編目碎片的數(shù)目依然是龐大的.雖然世界主要航天國家逐漸意識到了空間碎片的危害,并開始采取碎片減緩的措施,大氣阻力等因素也在一定程度上起到碎片清除作用,但是新的空間碎片總是不斷產(chǎn)生,僅僅依靠觀測和確定性模型計(jì)算、規(guī)避機(jī)動,已無法滿足未來太空交通安全的需要.

2 太空交通安全與控制的關(guān)鍵問題

2.1 空間碎片碰撞威脅分析

空間碎片的主要來源有3類:第一類是廢棄的人造物體及其附屬物,包括廢棄的火箭箭體、螺母螺栓、用于消旋的線纜、金屬碎片、油漆、火箭廢棄的推進(jìn)系統(tǒng)及運(yùn)載火箭和航天器爆炸后的殘余物等[10],這類碎片的來源一般是可以追溯的.第二類是通過近地空間或被地球引力俘獲的流星體,主要源于彗星解體,小部分源于小行星碰撞碎裂,它們的質(zhì)量一般很小,但是速度很高.第三類是近地空間碰撞或解體事件生成的碎片.事實(shí)上,空間碎片問題引起各國關(guān)注,最早起源于1973年Delta火箭在軌爆炸事件以及隨后的連續(xù)幾起運(yùn)載火箭在軌爆炸事件.2009年,美國的“銥-33”移動通信衛(wèi)星與俄羅斯已廢棄的“宇宙-2251”軍用通信衛(wèi)星的碰撞事件產(chǎn)生了重約1.4 t的空間碎片云,導(dǎo)致近地軌道上的空間碎片數(shù)量再次劇增[11].圖1是1961年6月29日阿貝爾星(Abelstar)火箭上面級破碎所形成碎片云的加伯德圖,這次碰撞事件是美國空間監(jiān)視網(wǎng)探測到的首次空間碎片事件,產(chǎn)生了201塊空間碎片.爆炸和碰撞產(chǎn)生的碎片數(shù)量眾多,能量巨大,分布范圍廣,難以跟蹤與測量,更不可能完全通過建模手段準(zhǔn)確計(jì)算.由于不同碎片材料、質(zhì)量、面質(zhì)比的差別,它們產(chǎn)生之后的演化規(guī)律也不盡相同,這為碰撞碎片的長期分析造成了進(jìn)一步困難.更為嚴(yán)重的是,其中一些碎片可能會與其他空間物體產(chǎn)生新的碰撞,造成更多的碎片,以致在某一軌道區(qū)域引發(fā)連鎖碰撞.這種碰撞在太空物體間連續(xù)傳播的現(xiàn)象稱為軌道碎片的雪崩效應(yīng).研究雪崩效應(yīng)出現(xiàn)的機(jī)理及條件,進(jìn)而提出防止雪崩效應(yīng)發(fā)生和擴(kuò)散的控制機(jī)制,將是未來空間安全管理的重要課題.

圖1 阿貝爾星火箭上面級破碎形成的碎片云

2.2 太空交通對象的描述模型

為研究太空交通的基本規(guī)律,提出有人或無人航天器碰撞規(guī)避的安全控制策略及空間碎片減緩的措施,需要建立空間對象的描述模型.美國航空航天局(NASA)及歐洲航天局(ESA)等航天機(jī)構(gòu)根據(jù)其空間監(jiān)視網(wǎng)獲得了大量太空物體的軌道及特征參數(shù),并據(jù)此建立了龐大的在線數(shù)據(jù)庫.技術(shù)人員可通過對具體目標(biāo)的軌道計(jì)算得到空間碰撞的預(yù)測結(jié)果,并據(jù)此實(shí)施特定航天器的碰撞規(guī)避控制,對于像航天飛機(jī)、國際空間站這樣的大型目標(biāo)以及10 cm以上的軌道碎片,這種方法是有效的和可承受的.但由于這些觀測數(shù)據(jù)本質(zhì)上是離散的定量數(shù)據(jù),且只包含了尺寸較大的目標(biāo),難以得到碎片整體分布及演化的一般規(guī)律,不利于從機(jī)理上研究空間安全管理.

事實(shí)上,太空交通系統(tǒng)可以視為一個由眾多空間碎片及受控航天器構(gòu)成的復(fù)雜大系統(tǒng).由空間碎片導(dǎo)致的空間系統(tǒng)安全問題具有典型的不確定和非線性特征,呈現(xiàn)出典型的復(fù)雜系統(tǒng)的特點(diǎn),即無法準(zhǔn)確預(yù)知,也無法采用傳統(tǒng)的監(jiān)測、控制手段加以避免[12].因此,應(yīng)充分借鑒復(fù)雜系統(tǒng)的研究方法,提出有關(guān)太空交通的宏觀指標(biāo),通過太空物體分布及演化的動力學(xué)方程來描述其整體特征.通過對該模型的求解與分析,可探討系統(tǒng)穩(wěn)定性及有效控制的條件,為實(shí)現(xiàn)太空交通的整體控制奠定研究基礎(chǔ).

2.3 太空交通的演化分析

太空交通系統(tǒng)是一個開放的、動態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng),通過對太空交通系統(tǒng)進(jìn)行演化分析,獲取太空物體運(yùn)動的內(nèi)在機(jī)理與整體指標(biāo),是實(shí)現(xiàn)太空安全管理與控制的前提條件和必要基礎(chǔ).對太空交通系統(tǒng)的演化分析可采用兩種方法:第一種是基于整體模型的解析方法,通過對太空物體分布及演化動力學(xué)方程的求解和分析,得到太空交通系統(tǒng)的宏觀指標(biāo)變化規(guī)律及其影響因素,獲得特殊解,如用于尋找墳?zāi)管壍馈a(chǎn)生雪崩效應(yīng)的條件等;第二種方法是基于個體動力學(xué)的演化計(jì)算法,通過在微觀的時空尺度下對所有太空物體進(jìn)行動力學(xué)計(jì)算,模擬太空物體的碰撞運(yùn)動,進(jìn)而通過統(tǒng)計(jì)量獲取太空交通系統(tǒng)的宏觀指標(biāo).在演化計(jì)算中,單個太空物體的準(zhǔn)確軌跡并不重要,實(shí)際上也是無法得到的,得到太空物體的宏觀、整體指標(biāo),才是研究關(guān)心的焦點(diǎn)問題.演化計(jì)算法的優(yōu)點(diǎn)在于可以充分繼承和利用成熟的航天動力學(xué)模型.它可與解析法的結(jié)論相互印證,也可用于太空交通安全管理策略的計(jì)算實(shí)驗(yàn),將是太空交通安全研究的重要手段.

2.4 太空交通安全管理與控制策略

太空交通安全管理與控制的根本目的在于避免災(zāi)害性事故的發(fā)生,確保人類和平可持續(xù)利用太空資源.對于大型航天器發(fā)射、變軌及載人航天等重要航天活動,基于空間目標(biāo)監(jiān)測編目數(shù)據(jù)及其精確推演計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行發(fā)射彈道、機(jī)動軌道的規(guī)劃,仍是確保太空交通安全的基本手段.

但對于太空交通系統(tǒng)這樣一個規(guī)模龐大的復(fù)雜系統(tǒng),僅僅依靠集中控制方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,其代價也是無法承受的.在一定時期內(nèi),由于商業(yè)秘密、國家安全等原因,建設(shè)一個全球統(tǒng)一的太空交通安全管理機(jī)構(gòu)在技術(shù)上也沒有可行性.對于太空交通參與者而言,可編目的太空物體只是環(huán)境的一小部分,在這一部分物體中還存在不受本國控制、無法進(jìn)行有效信息溝通的別國航天器,它們的異常機(jī)動是環(huán)境中不可忽視的不確定因素,而大量的非編目物體能夠形成的危害甚至可能更大.解決這樣的問題,除了進(jìn)一步發(fā)展航天器探測預(yù)警手段外,還必須研究系統(tǒng)的自組織控制方法,通過太空交通規(guī)則和個體行為控制策略的設(shè)計(jì),從整體上減小太空交通安全事故的概率.

太空交通安全管理與控制規(guī)則的研究將作為航天器設(shè)計(jì)、航天器軌道控制的重要準(zhǔn)則,并為國際太空法規(guī)的制定提供技術(shù)依據(jù).

3 太空交通安全的可持續(xù)發(fā)展道路

考慮到人類太空活動的可持續(xù)性發(fā)展,在確保所有國家平等利用太空資源權(quán)利的條件下,可以按照協(xié)商一致的原則制定全球統(tǒng)一的太空活動規(guī)范,出臺有利于太空交通安全的航天發(fā)射、運(yùn)行與管理的行為規(guī)范,從而有效控制空間碎片、提升軌道飛行器的運(yùn)行安全,并最終實(shí)現(xiàn)文明有序的太空交通.

為實(shí)現(xiàn)太空交通的安全管理與控制,可從3個方面入手:一是加強(qiáng)太空目標(biāo)觀測,有效建立并完善空間碎片數(shù)據(jù)庫,通過改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù),提高空間碎片運(yùn)行軌跡的預(yù)報(bào)能力,實(shí)現(xiàn)空間安全態(tài)勢感知與預(yù)警;二是通過開發(fā)新的軌道碎片清除技術(shù),通過回收或軌道轉(zhuǎn)移技術(shù)將現(xiàn)有碎片及解體航天器推離現(xiàn)有工作軌道,實(shí)現(xiàn)太空交通的有序性、安全性;三是規(guī)范空間飛行器運(yùn)行行為,實(shí)現(xiàn)太空交通的有序化,嚴(yán)格控制碎片的進(jìn)一步增長,有效避免太空交通安全事故的發(fā)生.