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十一年前惊天一撞,让地球轨道塞满了垃圾!未来还能发射卫星吗?

2020-07-26  星辰大海...

2009年2月10日上午11时55分在西伯利亚上空的近地轨道上,美俄两颗卫星相撞的事件,让大家认识到,广袤无垠的太空,其实已经熙熙攘攘了!今年是2020,距离上次相撞的11年中,人类又发射大量的卫星上天,这地球轨道上卫星是不是塞满了呢?未来还能向外发射飞船吗?

地球有哪些轨道?在这些轨道上的都是些什么卫星?

很多科普文章中,在说到卫星或者飞船发射是都一条近地轨道一笔带过,当然这对于了解航天的朋友发射什么任务,这近地轨道大概是多高基本都心里有数,但对于大部分朋友来说,这近地轨道就一脸懵逼了,到底是啥轨道?

在地球周围到底有多少轨道?

其实在地球周围只有一条轨道,也就是环绕地球的轨道,但为了环绕地球轨道的不同高度和功能,一般都会将它们区分成如下轨道:

  • 按高度区分可以分为低、中、高轨道;

  • 按轨道形状区分一般有圆形轨道和椭圆轨道;

  • 按倾角大小区分一般可以分成赤道轨道和极地轨道以及倾斜轨道;

  • 按星下点轨迹区分,一般有太阳同步轨道和静止轨道以及一般轨道;

其实还有很多类别,但所有轨道介绍起来实在太复杂,下面就挑个典型的轨道说明下,一般低于1000千米的轨道是侦察卫星和载人飞船和国际空间站以及新型通信卫星(比如马斯克的星链)的专用轨道,因为侦察卫星飞得越低也就看得更清楚,飞船当然还有测地卫星和地球重力场研究的卫星,也需要尽量低的轨道!

国际空间站的轨道

比如ESA在2009年发射的GOCE卫星,它的轨道低至260千米,由于此处大气分子密度仍然很高,GOCE卫星甚至有一个流线型的外形,还有离子发动机不断推进,但它仍然在2013年就草草的结束了寿命坠入大气层!

中轨道(2000千米以上,低于3.6万千米的静止轨道),大都为全球定位系统卫星的,比如GPS卫星轨道高度2.02万千米,格洛纳斯卫星则在1.91万千米,北斗卫星则在2.15万千米,伽利略卫星则是2.33万千米等,另外也有部分跨越南北极的卫星也用中轨道!

高轨道卫星一般指3.6万千米的的静止轨道卫星,当然也有非常特殊的比如运行在日地拉格朗日点上的SOHO卫星或者地月鹊桥中继通信卫星(地月系的拉格朗日点)

倾角不同,功能大相径庭的卫星

沿着地球的赤道与自转轴形成一个平面,这就是赤道平面,除了沿着赤道平面自转方向的卫星和静止轨道卫星外,其他卫星和地球赤道平面存在一个夹角,这就是卫星轨道的倾斜角度!按最节省燃料的方式发射,那么发射场地所在的位置就决定了卫星的倾角!

北斗卫星倾角示意图

当然现代火箭已经不像第一颗卫星那会那样送上去就算数,所以现在的航天器和卫星都按计算好的角度发射,如果不满意,还可以变轨嘛(一般情况下都是火箭一步到位,迫不得已才会使用卫星的燃料做轨道改变,这极度消耗卫星寿命)!

倾斜轨道的星下点是一条波浪曲线,经过的位置都不相同,极地轨道卫星则与赤道平面呈90度夹角,它的星下点通过两极,好处是它每转一圈,经过的星下点都不一样,因此用不了几天就能将地球所有位置都探测一遍!

还有一种特殊的太阳同步轨道,它的高度大约在600至800千米,轨道周期在96至100分钟,倾角大约在98度,进动和地球自转匹配,可以让它每天的同一时刻通过同一个位置,甚至一直可以围绕着晨昏线转,太阳能电池一直都能照到,研究太阳的卫星大都用这个轨道!

静止轨道

静止卫星大家都知道,在地面上看起来不动,但有一种倾斜同步轨道可能大家没听说过,这种卫星的轨道也和赤道静止卫星轨道一样高,但轨道是倾斜的,它的星下点是一个8字,比如在赤道静止轨道上的卫星在南北纬高纬度地区几乎就不可见,但倾斜同步轨道卫星可以解决这个问题,一般高纬度国家会使用这类通信卫星,比如俄罗斯!

这些轨道能被塞满吗?为什么它们又会相撞呢?

卫星的轨道实在是太多了,上文只介绍了其中很少一部分,这个轨道从200-300千米开始一直到3.6万千米不等,这些卫星的轨道资源实在是太丰富了,想怎么发射就怎么发射,只要满足要求,查一查这条轨道上有没有现有或者历史卫星,只要没有冲突的,就能在这条轨道行塞卫星!只是大家都抢好的轨道,所以才感觉没地方下脚!

但真正有一条轨道,卫星的总数是被限制了的,那就是赤道静止轨道卫星!这条轨道只有一条,距离赤道上方大约3.6万千米的位置,并且由于卫星在工作过程中会有一定程度漂移,允许范围是±0.1°,圆周总共是360°,那么很简单就计算出这条轨道上能塞进去的卫星有1800颗,看起来很多?其实有很多黄金位置,比如距离本国上空最近,而国家又很密集,那么这些定位点就成了最抢手的资源!

太空垃圾

自第一颗人造卫星上天以来,人类向太空发射的卫星已经接近7000颗,其中有一半还在太空,但大约只有1000颗左右还在正常工作!

如果这些卫星都是可控的,再不济能被追踪也可以,那么地球上卫星轨道资源确实多的不要不要的,但随着卫星失控,和卫星分离时的三级火箭,还有测试反卫星武器的碎片,以及卫星相撞的碎片,当然还有各国宇航员舱外行走时候不小心或者故意丢弃的垃圾等等,围绕着地球运转的这些人造物体中,90%以上都是垃圾,而有很多因为太小,根本就无法追踪!

不过尽管如此,仍然只是存在相撞的风险,因为地球周围的太空还是太空旷了,就像一个北京出发绕地心走,另一个人从乌鲁木齐出发绕地心走,两个人在某地相遇的可能性实在比较小!但仍然不可小觑这样的危害,因为每相撞一次,碎片就会成百上千倍增加,当然下次相撞的概率就会大增!

因此探测到可能有相遇的碎片或者卫星时,会提前变轨,避免卫星陷于险境!而2009年相撞的两颗卫星中铱星33仍然在役,而俄罗斯的宇宙-2251则发射于1993年,1995年起已是报废状态!两者在西伯利亚上空790千米处相撞!

不过NASA仍然认为,这只是一次概率极低的事件!

能将这些报废卫星回收吗?

尽管各国的机械臂以及各种变轨的上面级火箭有一个重要的功能就是收集太空垃圾,但到现在为止仍然没有见他们回收下任何一块太空垃圾!而在开发过程中的还有激光照射改变轨道回收,英国某该公司还有一种射出网状物,增加它的阻力使其提早坠入大气层回收的方法!

但没有一个是实用的,因为捕捉太空垃圾的成本实在是太高了,很简单变轨需要大量的燃料,而每千克运送成本高达上万美元,没有国家会将这种概率低到1%%%%的事件去浪费有限的宇航预算!

这是被太空尘埃高速撞击后的航天器表面铝合金蒙皮

所以到现在为止,除了能探测的垃圾避让下,对于无法探测但足以造成损伤的,基本就凭运气吧!

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