空间交通管理都要管些啥

文/松堂

▲ 空间碎片会带来意想不到的灾难

所谓空间交通管理，当然就是管理飞行在地球轨道上的各种物品。然而在太空环境中，什么叫物体，这不是一个很容易就能说清楚的问题。在不同的文献和法律法规当中，对于什么叫太空物体，做了不同的描述。虽然大体上是相同的，但多少也有那么一点差异。

空间交通管理的对象

广义的空间物体包括自然形成的天体和人造天体。自然天体可以认为是宇宙中各种星体的总称，包括星团、星系、星云、星际物质、恒星、行星、卫星、彗星、陨星、小行星、流星体等。当然，这其中绝大多数都不是我们要讨论的空间交通管理对象，只有近地小行星和微流星会影响空间交通。

空间交通管理的对象，是狭义的空间物体，在《关于各国探索和利用包括月球和其它天体在内外层空间活动的原则条约》中，把“空间物体”描述为射入宇宙空间的物体本身及其零件、运载工具及运载工具的零件。这个条约的名字是不是太难记了？其实，这就是如雷贯耳的《宇宙空间条约》。根据条约，各国发射到太空里的物体，都要在联合国和平利用外层空间委员会进行登记。

我国2001年发布的《空间物体登记管理办法》第二条指出：本办法所称空间物体是指进入外层空间的人造地球卫星、载人航天器、空间探测器、空间站、运载工具及其部件，以及其他人造物体。

SAIC公司为美国宇航局撰写的有关报告《轨道交通管制报告》中提出，在空间交通管理领域的“空间物体”应限于轨道垃圾和航天器，也就是说，只考虑人造物体。

但是另外一些学者并不认同这样狭义的划分，认为自然物体同样应该被考虑在“空间物体”之内。我们都知道，自然环境对于交通的影响是不可忽视的。在地球上无论航空、陆地交通还是航海，都会受到大自然的严重影响，包括天气灾害、地质灾害影响都很大。那么，太空里有没有这两种类型的灾害呢？当然也是有的，空间天气的影响要素比大气层里一点都不少。不但如此，太空也有自己的地质问题，那就是小行星和微流星。短期内，近地小行星不太可能对地球轨道上的交通造成什么破坏性的影响，但是微流星的影响却是不可忽视的。国际空间站的太阳电池已经多次遭到微流星的破坏，虽然并没有影响实际工作，但是被打出窟窿的事情就经常发生。

在国外的相关研究中，虽然提出了对于空间碰撞的担忧，但对轨道飞行安全的威胁，更多地在有关太空垃圾的话题下进行。

▲ 太空垃圾想象图

太空垃圾知多少

对于太空垃圾，不同机构的定义倒是区别不大。

联合国和平利用外层空间委员会和国际机构间空间碎片协调委员会对太空垃圾的定义是：地球轨道上在轨运行或再入大气层的无功能的人造物体及其残块和组件。由德国、瑞士、奥地利航天局和部分航天研究机构联合发布的《欧洲空间交通管制系统的实施白皮书》中给出的太空垃圾定义为：位于各种地球轨道上的、不再正常工作的人造物体，包括碎片和零部件。基于此，这份白皮书还进一步给出了“可跟踪物体”和“不可跟踪物体”的概念。“可跟踪物体”定义为可以被发现的物体，其轨道是已经得到确定和可以预测的。“可跟踪物体”包括轨道垃圾和正常的卫星。“不可跟踪物体”则无法被发现，太空态势感知系统无法感知它们。

国际宇航科学研究院的《太空交通研究》报告将轨道垃圾定义为：人类放置到轨道上的、不再具有任何功能的物体。这些物体包括废弃的火箭分级和零部件，也包括材料、垃圾、碎片，以及其他有意或无意丢弃或生成的物体。

上述定义中，多次提到所谓的“无功能”“不再正常工作”，这就需要讨论空间物体的具体行为方式了。

航天器最主要的行为就是正常的轨道飞行和正常工作。比如，通讯卫星能够正常转发网络信息，遥感卫星能够正常获取地面影像并且把它发送给地面站，导航卫星能够正常播发导航信息。而且，所有这些卫星都能够正确保持自己的轨道参数和姿态，不会偏离太多。在这个过程当中，按道理说，卫星不会和任何其他航天器发生冲撞。

第二种行为就是入轨，就是说，从运载火箭上分离之后，卫星凭借自己的动力进入工作轨道。在这个过程当中，卫星有可能要穿越其他航天器的轨道，这时候就要考虑到避免碰撞和干扰的问题。

第三种行为与之相反，就是降轨，当卫星结束工作寿命之后，需要返回大气层烧毁，免得留在轨道上成为垃圾。那么降低轨道的过程当中，卫星也有可能要穿越其他航天器的轨道，同样存在着冲撞的风险。但有些高轨卫星不需要返回大气层烧毁，它们会进入一些特别指定的墓地轨道，这个机动过程当中有同样的风险。

星链卫星威胁中国空间站，就是第二种和第三种行为。

最后一种行为就是完全失控，卫星既不能工作也不能返回大气层，更不能进入墓地轨道，只能像僵尸一样在太空里凭借惯性飞行，非常危险。早期发射的卫星没有考虑到降轨的问题，所以多数都僵尸化了。

那么，太空里到底有多少垃圾？在人类60多年的航天史中，总共向宇宙中发射了超过30000吨的物质，除进入深空和坠入地球的航天器之外，很大一部分都已经成为了空间碎片。

根据美国空间监测网数据，到2017年，美国在地球轨道已经跟踪到42000个空间物体，空间碎片总质量达到了7500吨，其中在低轨区域（LEO，轨道高度200~2000千米）的质量为2700吨。地球轨道中，尺度在10厘米以上的空间碎片数量已达23000个；尺度在1~10厘米的碎片数量大约为50万个；尺度在1~10毫米的碎片数量约为1亿个，1毫米以下的碎片数量数以百亿计。随着几个超级低轨星座卫星的不断发射，上面的数字肯定会越来越大，碎片越来越多。

空间碎片平均质量密度为每立方厘米2.7克，主要成分为铝/铝合金(占44%)、复合材料(占37%)、不锈钢(占12%)、钛合金和铜等。空间碎片主要几何形状为板状、块状、杆状、薄片状，绝大部分为不规则形状。

▲ 空间物体的分布并不均匀

空间碎片在空间的高度分布并不均匀，在低轨区域、中轨区域和高轨区域，已编目的空间碎片数量比例分别为：75.2%，8.3%，9.4%。其中，700千米~1100 千米之间的轨道上碎片最多。

由于多数航天器没有离轨手段，目前在轨退役航天器的解体和失去功能航天器间的碰撞已成为空间碎片数量增长的主要原因。早在2018年12月就有报道说，太空探索技术公司一次性部署的64颗星链卫星中，已有19颗卫星尚未识别身份，无法与地面运营商建立通讯联系。虽然随着技术进步，星链卫星的失效概率会越来越低，但考虑到发射数量巨大，失控卫星的绝对数量还是很可观的，这给宇宙空间可持续发展带来了新的挑战。

▲ 清除太空垃圾的一种技术设想

▲ 空间碎片清理捕获概念图