太空交通的安全管理与控制

张育林

太空作为人类最新的活动空间,已经历了超过半个世纪的开发与利用.航天技术在越来越多的方面引领着科学研究、经济发展、社会生活的发展,太空资源成为同陆地、海洋、水和空气一样重要的战略资源[1].

太空活动在产生源源不断的政治、经济价值的同时,也使太空交通日趋拥挤.每次航天发射,一方面,除了将有实用价值的航天器送入太空外,往往还会伴随着运载火箭上面级、分离解锁装置等废弃物载入太空.这些废弃物不受控制,且难以跟踪与观测,有可能与后续发射的航天器发生碰撞,是航天活动的潜在危险源,被称为空间碎片.另一方面,寿命终结失去控制能力的正常航天器最终也会成为空间碎片.截至2013年,估计地球附近由人造物体形成的空间碎片规模已达7000t,其中能被美国空间监视网跟踪编目的尺寸大于10 cm的空间物体数目为23000个,能对在轨运行的航天器造成致命破坏的、尺寸介于1∼10cm的空间碎片估计达74万个[2].

2007年,欧洲的地球同步气象卫星Meteosat-8被未编目的碎片击中,导致轨道改变.同年,失效的美国高层大气研究卫星UARS被未编目的碎片击中,产生了新碎片.2009年,俄罗斯废弃的军用电子通信卫星“宇宙-2251”与美国铱星-33相撞,产生了大量碎片.2013年,厄瓜多尔立方体卫星飞马座与1985年发射的苏联火箭S14燃料箱残骸碎片相撞,导致卫星寿命终结[3].

这些碰撞事故表明,为确保人类和平利用太空资源的可持续发展,研究并开展太空交通控制已刻不容缓.

1 太空交通安全管理与控制发展研究情况

太空交通安全管理控制的研究主要集中在对空间碎片的研究上.以空间监测网跟踪测量数据为基础,建立了相应的空间目标编目数据库和碎片模型.研究机构在不断努力提高跟踪监视能力和计算模型,且这些模型在航天发射与轨道机动碎片规避策略中已发挥了重要作用.

1.1 空间碎片演化模型

目前国际上比较常用的空间碎片工程模式主要有3个系列:美国国家航空航天局(NASA)的轨道碎片环境模型(Orbital debris engineering model,ORDEM)系列、欧空局的流星体和空间碎片环境参考(Meteoroid and space debris terrestrial environment model,MASTER)系列和俄罗斯的空间碎片预测分析模型(Space debris prediction and analysis model,SDPA)系列.从理论基础上说,MASTER的小碎片分析完全从理论模型出发[4];ORDEM则是从大量数据出发,以数学方法得到拟合曲线[5];SDPA则是在以往多种研究和数据的基础上构建数学模型[6].在数据比较上,ORDEM 很好地符合了目前掌握的数据,SDPA的结果与之相似,MASTER则有所欠缺[7−8].

空间碎片演化模式用以预测未来若干年内空间碎片环境的演变.它对于评价碎片减缓技术的必要性和效能以及新的空间活动的影响十分重要.目前的演化模式主要有:欧洲航天局(ESA)的CHAINEE(Chain european extension)模型、NASA的EVOLVE模型和英国的IDES(Integrated debris evolution suite)模型.因为这些模型来自不同的假设和初始条件,它们的预测结果在数量上并不完全一致,但基本趋势是一致的.

工程模式重观测结果轻演化机制,建模过程相对简单,短期的可信度也比较高,但其有效期比较短,必须利用碎片观测数据进行经常性的更新,故不能对中长期碎片环境进行预报.而演化模式与工程模式相反,重演化机制轻观测结果,由于众多子模型都需要周全地考虑,其建模过程相对复杂,短期预报效果也不如工程模式,但其有效期比较长,一旦建立了模型,可很长时间无需更新,故其效费比高,适合于对空间碎片环境进行中长期预报.

1.2 空间碎片寿命计算

现有的空间碎片寿命计算方法主要有:数值法、半解析法和解析法.解析法往往基于大量简化条件的假设,无法准确计算碎片寿命;数值法考虑了各种摄动力的影响,精度很高,其缺点也很明显,状态变量为快变量,计算步长只能取数秒,计算时间太长,故很难用于计算碎片的寿命;半解析法是为解决数值法计算时间过长而产生的方法,该方法采用慢变量轨道根数替代位置和速度作为状态变量,计算步长可大大增长.此外,在寿命计算中,只需要计算碎片半长轴和偏心率的演化.这是因为碎片衰减的主要判据是其近地点是否进入稠密大气,而并不需要知道碎片的具体位置.

1.3 空间碎片碰撞危险评估

危险盒判据是一种传统的碰撞判定准则,通过在航天器周围定义一个预警区域,当有空间物体进入这个预警区域时则发出预警.一般的,对于不同类型轨道的航天器来说,预警区域的定义是不同的.以美国的航天飞机为例,当预报结果表明空间碎片将进入以航天器为中心、沿轨迹方向为±25 km、轨道面内垂直于轨迹方向及轨道平面的外法向上都为±10 km的空间内(预警区)时,地面监测系统就会提供更详细的轨道预报数据,同时不断更新数据;当碎片将进入以航天器为中心、沿轨迹方向为±5 km、轨道面内垂直于轨迹方向及轨道平面的外法向上都为±2 km 的空间内(规避区)时,航天器会进行机动变轨来规避碎片.

在国际空间站的碰撞预警设计中使用了碰撞概率判据,它采用了2个级别的预警阈值:10−5为黄色预警阈值;10−4为红色预警阈值.当碰撞概率小于10−5时,说明针对空间站的交会是安全的;当碰撞概率大于10−5但小于10−4时,说明这次交会的碰撞风险是很大的,这时需要监测设备进一步提供更加详细的数据,在不影响空间站主要飞行任务的同时采取规避;当碰撞概率大于10−4时,需要空间站立即中止正在进行的任何空间试验或任务,根据地面指控系统提供的规避策略进行机动规避,确保安全.

1.4 空间碎片碰撞规避机动

空间碎片的碰撞规避机动通常以碎片的碰撞危险评估结果为基础,利用在轨运行航天器与空间碎片的碰撞概率,给出规避机动的实施准则和机动有效性的判断标准,研究碰撞轨道机动的计算方法和实施策略,包括航天器机动采用推力大小、方向以及推力作用时间的选择.碰撞规避机动策略研究中主要有以下3方面问题:燃料、机动能力限制下的最优规避机动策略设计;任务约束条件下的轨道机动方案设计以及规避机动与日常轨道维持结合[9],因此应综合考虑航天器运行过程的多种约束,设计最优的空间碎片的规避机动策略.

然而,由于观测能力的限制,未编目碎片的数目依然是庞大的.虽然世界主要航天国家逐渐意识到了空间碎片的危害,并开始采取碎片减缓的措施,大气阻力等因素也在一定程度上起到碎片清除作用,但是新的空间碎片总是不断产生,仅仅依靠观测和确定性模型计算、规避机动,已无法满足未来太空交通安全的需要.

2 太空交通安全与控制的关键问题

2.1 空间碎片碰撞威胁分析

空间碎片的主要来源有3类:第一类是废弃的人造物体及其附属物,包括废弃的火箭箭体、螺母螺栓、用于消旋的线缆、金属碎片、油漆、火箭废弃的推进系统及运载火箭和航天器爆炸后的残余物等[10],这类碎片的来源一般是可以追溯的.第二类是通过近地空间或被地球引力俘获的流星体,主要源于彗星解体,小部分源于小行星碰撞碎裂,它们的质量一般很小,但是速度很高.第三类是近地空间碰撞或解体事件生成的碎片.事实上,空间碎片问题引起各国关注,最早起源于1973年Delta火箭在轨爆炸事件以及随后的连续几起运载火箭在轨爆炸事件.2009年,美国的“铱-33”移动通信卫星与俄罗斯已废弃的“宇宙-2251”军用通信卫星的碰撞事件产生了重约1.4 t的空间碎片云,导致近地轨道上的空间碎片数量再次剧增[11].图1是1961年6月29日阿贝尔星(Abelstar)火箭上面级破碎所形成碎片云的加伯德图,这次碰撞事件是美国空间监视网探测到的首次空间碎片事件,产生了201块空间碎片.爆炸和碰撞产生的碎片数量众多,能量巨大,分布范围广,难以跟踪与测量,更不可能完全通过建模手段准确计算.由于不同碎片材料、质量、面质比的差别,它们产生之后的演化规律也不尽相同,这为碰撞碎片的长期分析造成了进一步困难.更为严重的是,其中一些碎片可能会与其他空间物体产生新的碰撞,造成更多的碎片,以致在某一轨道区域引发连锁碰撞.这种碰撞在太空物体间连续传播的现象称为轨道碎片的雪崩效应.研究雪崩效应出现的机理及条件,进而提出防止雪崩效应发生和扩散的控制机制,将是未来空间安全管理的重要课题.

图1 阿贝尔星火箭上面级破碎形成的碎片云

2.2 太空交通对象的描述模型

为研究太空交通的基本规律,提出有人或无人航天器碰撞规避的安全控制策略及空间碎片减缓的措施,需要建立空间对象的描述模型.美国航空航天局(NASA)及欧洲航天局(ESA)等航天机构根据其空间监视网获得了大量太空物体的轨道及特征参数,并据此建立了庞大的在线数据库.技术人员可通过对具体目标的轨道计算得到空间碰撞的预测结果,并据此实施特定航天器的碰撞规避控制,对于像航天飞机、国际空间站这样的大型目标以及10 cm以上的轨道碎片,这种方法是有效的和可承受的.但由于这些观测数据本质上是离散的定量数据,且只包含了尺寸较大的目标,难以得到碎片整体分布及演化的一般规律,不利于从机理上研究空间安全管理.

事实上,太空交通系统可以视为一个由众多空间碎片及受控航天器构成的复杂大系统.由空间碎片导致的空间系统安全问题具有典型的不确定和非线性特征,呈现出典型的复杂系统的特点,即无法准确预知,也无法采用传统的监测、控制手段加以避免[12].因此,应充分借鉴复杂系统的研究方法,提出有关太空交通的宏观指标,通过太空物体分布及演化的动力学方程来描述其整体特征.通过对该模型的求解与分析,可探讨系统稳定性及有效控制的条件,为实现太空交通的整体控制奠定研究基础.

2.3 太空交通的演化分析

太空交通系统是一个开放的、动态的复杂系统,通过对太空交通系统进行演化分析,获取太空物体运动的内在机理与整体指标,是实现太空安全管理与控制的前提条件和必要基础.对太空交通系统的演化分析可采用两种方法:第一种是基于整体模型的解析方法,通过对太空物体分布及演化动力学方程的求解和分析,得到太空交通系统的宏观指标变化规律及其影响因素,获得特殊解,如用于寻找坟墓轨道、产生雪崩效应的条件等;第二种方法是基于个体动力学的演化计算法,通过在微观的时空尺度下对所有太空物体进行动力学计算,模拟太空物体的碰撞运动,进而通过统计量获取太空交通系统的宏观指标.在演化计算中,单个太空物体的准确轨迹并不重要,实际上也是无法得到的,得到太空物体的宏观、整体指标,才是研究关心的焦点问题.演化计算法的优点在于可以充分继承和利用成熟的航天动力学模型.它可与解析法的结论相互印证,也可用于太空交通安全管理策略的计算实验,将是太空交通安全研究的重要手段.

2.4 太空交通安全管理与控制策略

太空交通安全管理与控制的根本目的在于避免灾害性事故的发生,确保人类和平可持续利用太空资源.对于大型航天器发射、变轨及载人航天等重要航天活动,基于空间目标监测编目数据及其精确推演计算结果,进行发射弹道、机动轨道的规划,仍是确保太空交通安全的基本手段.

但对于太空交通系统这样一个规模庞大的复杂系统,仅仅依靠集中控制方法是远远不够的,其代价也是无法承受的.在一定时期内,由于商业秘密、国家安全等原因,建设一个全球统一的太空交通安全管理机构在技术上也没有可行性.对于太空交通参与者而言,可编目的太空物体只是环境的一小部分,在这一部分物体中还存在不受本国控制、无法进行有效信息沟通的别国航天器,它们的异常机动是环境中不可忽视的不确定因素,而大量的非编目物体能够形成的危害甚至可能更大.解决这样的问题,除了进一步发展航天器探测预警手段外,还必须研究系统的自组织控制方法,通过太空交通规则和个体行为控制策略的设计,从整体上减小太空交通安全事故的概率.

太空交通安全管理与控制规则的研究将作为航天器设计、航天器轨道控制的重要准则,并为国际太空法规的制定提供技术依据.

3 太空交通安全的可持续发展道路

考虑到人类太空活动的可持续性发展,在确保所有国家平等利用太空资源权利的条件下,可以按照协商一致的原则制定全球统一的太空活动规范,出台有利于太空交通安全的航天发射、运行与管理的行为规范,从而有效控制空间碎片、提升轨道飞行器的运行安全,并最终实现文明有序的太空交通.

为实现太空交通的安全管理与控制,可从3个方面入手:一是加强太空目标观测,有效建立并完善空间碎片数据库,通过改进现有技术,提高空间碎片运行轨迹的预报能力,实现空间安全态势感知与预警;二是通过开发新的轨道碎片清除技术,通过回收或轨道转移技术将现有碎片及解体航天器推离现有工作轨道,实现太空交通的有序性、安全性;三是规范空间飞行器运行行为,实现太空交通的有序化,严格控制碎片的进一步增长,有效避免太空交通安全事故的发生.