航天活動的挑戰:太空碎片和軌道碰撞
由于碎片碰撞、電源爆炸、反衛星武器試驗、世界范圍內航天發射量迅速增長,造成太空碎片驟增,近地軌道大量廢棄物體碰撞的可能性也越來越大,至少到2030年這種可能性還將持續提升。所有國家的民用、商用、政府衛星都有碰撞風險。航天運行安全難度增加,保障太空環境的整體穩定越來越困難。
在軌碎片(Debris in Orbit)。物體之間的碰撞和大量廢棄武器的爆炸,肯定會增加太空在軌碎片數量。2022年1月,地球軌道內跟蹤并記錄超過25000個達到10厘米以上的物體,其中包括在軌正常運行的航天器。在軌運行的航天器主要風險來自未被記錄的無法跟蹤的致命碎片(lethal nontrackable debris (LNT)),這些碎片尺寸在5-10厘米之間。據估計,近地球軌道內約有60萬-90萬個未記錄的致命且無法跟蹤的危險碎片。
2007年之前,多數太空碎片來自運載火箭的幾級分離爆炸碎片。如今,約有一半的可記錄的碎片來自三個途徑:2007年中國摧毀的 一顆失效氣象衛星;2009年美國一顆通信衛星與一個失效俄羅斯衛星發生碰撞事故;2021年俄羅斯的“努多爾”(Nudol)反衛星試驗。
大型物體碰撞威脅(Threats of Massive Object Collision)。在可記錄的物體中,近地軌道約有1300個大型物體,尺寸和重量均比手機大的廢棄物品可對近地軌道上的航天活動構成威脅。這些物體每天以5公里以內的速度接近,有些物體一個月內以15公里/秒的速度在1公里之內擦肩而過。
兩個物體一次碰撞幾乎可以產生3500-15000個可記載的太空碎片以及約55000-225000個無法跟蹤的致命碎片。通常一個典型的衛星解體產生約250片可跟蹤的太空碎片。1500公里處大規模的廢棄物體群(derelict objects cluster)每年的碰撞幾率是1/5000 , 850公里高度廢棄物體群的碰撞概率是1/800。850公里高度的廢棄物體群發生一次碰撞可能使近地軌道在軌廢棄物體數量增加一倍(比如,產生15000個可跟蹤碎片),1500公里高度碰撞所產生的碎片可能在軌停留數千年。
太空碎片造成的威脅(Threats Posed by Debris)。太空碎片可能對衛星和載人飛船造成損壞甚至摧毀設備。為避免這種威脅,如果為航天器增加額外的防護罩抵御小碎片的碰撞,或使用燃料頻繁避讓機動,這都將增加航天成本。任何機動都會增加燃料的使用,提高操控的復雜度,縮短航天器的生命周期,為達到同樣的能力還需要發射更多數量的航天器保持同樣高度。1998年到2022年期間,為躲避太空碎片的碰撞,近地軌道的國際空間站至少機動了30次。隨著衛星星座規模增大、太空碎片增多,衛星碰撞的可能性越來越大,尤其是近地軌道的衛星。
太空碎片的在軌壽命(Orbital Lifetime of Debris)。太空碎片在軌的時間主要由其體積大小和軌道高度決定,在軌物體體積越小、軌道越高,它們留軌時間越長。爆炸、碰撞產生的碎片可能更小,出現在更低一些的軌道,相比于廢棄的載荷或火箭箭體,在軌時間更短。大氣阻力就像一個天然的清潔員,使絕大多數在低軌道的碎片逐步進入地球大氣層并燒盡。500公里高度物體在軌時間可以長達10年。高度接近1500公里的廢棄物和碎片可存留超過1萬年。
軌道碰撞往往是在較高的速度下發生(比如,近地軌道每小時超過25000英里,并將碎片分散到更多不同軌道高度)。975公里軌道高度處的兩個物體,每年發生碰撞的幾率為1/120,將留下很多碎片,在軌時間將超過1000年。