人类发射的卫星之间会相互碰撞吗?应该如何解决?
人造卫星是人们为了通讯、气象监测、导航、侦察、测绘、农业、环保等各种不同的需求,通过火箭发射到地球不同的轨道,实现围绕地球运行的人造装备。在人们的印象中,地球上空的宇宙空间非常辽阔,应该会容纳非常多的卫星体,那么有没有一个承受最大数量的饱和点呢?答案是肯定的,因为可以围绕地球运行的外围有效轨道毕竟是有高度区间限制的。
卫星轨道
在发射卫星之前,必须要根据不同的用途,来确定卫星围绕地球运行的轨道,不同的运行轨道距离地球的高度也就会有一定的差异。国际上,通常依据距离地球不同高度区间的轨道范围,将卫星轨道划分为低轨、中轨和高轨3个大的区域。
当然,低轨也不是越低越好,因为根据万有引力公式和向心力公式:
万有引力公式:F引 = GMm/ (r*r)
向心力公式:F向 = mv*v / r
我们可以计算出卫星围绕地球能够做匀速圆周运动,所需要的最小速度:
v= ( GM/r )^(1/2)
r为距离地心的距离,可以看出,距离地面越近,则所需要的沿着轨道切线方向的最小速度就越大,而通过火箭给这个卫星的初始速度就越大,所需能量就越高,达不到这个速度卫星就会坠落回地面。同时,在距离地面100公里以下时,地球的大气层密度还是很大,虽然只为海平面上空空气密度的一百万分之一,但是对于卫星来说,在这个高度以下,卫星运行过程中表面与空气分子的摩擦依然较大。因此,在1960年第53届巴塞罗那国际航空联合大会上决定,将地表以上100公里以上的空间确定为航天空间,就是为了确保航天器最大限度地减少与空气之间摩擦带来的损耗或者损毁几率。
按照国际惯例,将120公里以上、2000公里以下的空间确定为低轨道区域;将2000公里以上、20000公里以下的空间确定为中轨道区域;将20000公里以上的轨道确定为高轨道区域。当然也不是越高越好,因为距离地面距离过高,当超过3.6万公里之后,由于运动速度会低于地球的自转速度,而且难以成像,应用意义就不大了。处于不同高度轨道的卫星,其主要用途存在着一定的差异:
低轨道卫星,分辨率较高,主要用以侦察,但是寿命较短;
中轨道卫星,分辨率中等,主要用于地球资源测量,寿命介于低轨卫星和高轨卫星之间;
高轨道卫星,分辨率较低,但覆盖区域很广,寿命也长,主要是地球同步卫星,开展同一区域连续性监测。
卫星的发射
由于不同高度的卫星,在发射过程中所需的时间有长有短,而且需要克服的地心引力所做功的大小也会不一样,因此对于三种高度的轨道卫星,在将它们送入预定轨道时,必须采用不同的能源供给方式。
对于低轨卫星来说,发射过程相对简单,一般只需要一级火箭就可以实现,当关闭一级火箭发动机时,足以能够提供卫星围绕地球运行的轨道切向线速度。
对于中轨卫星来说,所需要的能量供给比低轨卫星要多,因此从发动机加速的时间选择和节约能源的角度出发,则较多地采取前期发动机主动提供推力、发动机关闭依靠惯性滑行、然后在一定的时间节点上再次发动机点火加速3个阶段,一般通过二级火箭进行发射。
对于高轨卫星来说,所需要的能量供给更大,其前期发射阶段和中轨卫星一样,通过一、二级火箭发机动主动提供推力、惯性滑行和再次点火加速3个阶段,将卫星送入转移轨道。此后,通过精密计算调整卫星的飞行姿态和轨道参数,当卫星在预定点火圈运行到远地点时,三级火箭点火再次对卫星进行加速,同时改变运行方向,进入地球同步轨道。
卫星的饱和点
卫星在运行过程中,由于引力波动、高能粒子冲击以及其它一些因素的影响,其实际运行轨道与设计轨道之间不可避免地会产生一些细微的偏差,而且距离地球越远、运行时间越长,这种偏差就会逐渐放大,而且卫星的调整一般都带有一定的滞后性,因此国际上对于地球同步卫星的要求,需要卫星与卫星之间的距离一般要大于1000公里,漂移范围要在±0.1°之间。因此,国际上对于同步卫星的最大饱和点的设定在1800颗,目前全世界已经发射了同步卫星300多颗。
而从全部高度的轨道卫星来看,距离地面越近的轨道,所能容纳的卫星数量越少,如果以1000公里为分隔线,那么地球所以航天空间所能容纳的人造卫星数据应该在4万左右,目前全球共向太空发射人造卫星近7000颗,仍在太空中的有3600多颗,与上限还有较大的差距。但是4万这个数值仅是理论计算出来的结果,而实际上由于卫星运行轨道偏离可能具有一定的突发性,以及由于卫星发射带来太空垃圾的影响,实际上应该达不到这个数量。
在已经发射的近7000颗人造卫星之中,目前已经失效的就有5000多个(包括已经完成使命坠入地球和尚未坠入地球的),仅有1000多颗仍在运行,而留在太空中不再运行的卫星就有2000多颗,这些都已经成为“太空垃圾”,对新发射卫星以及已经发射卫星的运行带来巨大隐患。在2009年,美国一颗商用通信卫星与俄罗斯一颗已报废的通讯卫星就在空中发生了碰撞,随着人类发射卫星数量的增多,这种因不可控因素带来的卫星相撞事件估计还会上演。
总结一下
卫星围绕着地球运行,即需要稳定的轨道线速度,也需要根据不同的用途所匹配的轨道高度。在确保可用性、精准性和安全性的前提下,卫星之间必须要保持必要的安全距离和漂移角度,所以地球上空人造卫星的数量肯定存在着饱和点,初步估算这个数量在4万颗左右。而在不可控因素以及众多太空垃圾的影响下,随着人类发射卫星数量的增多,卫星相撞的现象的几率会越来越高,这也成为世界各国航空航天事业发展中必要要面对和尽量解决的重大问题。