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广袤太空也能拥堵?美国卫星两次“危险接近”中国空间站有何意味

2021-12-28 21:30:17 公众号:地球相对论 作者:田邨

简介太空无序谁之过?美国卫星两次接近,给中国空间站带来何种危险?文/田邨据联合国外层空间事务厅(UNOOSA)发布的文件,中国常驻维也纳联合国和其他国际组织代表团12月3日向联合国秘书长递交普通照会表示,美国太空探索技术公司(SpaceX)发射的星链计划卫星今年已两度接近中国空间站,“对中国空间站搭载的航天员生命健康构...

太空无序谁之过?美国卫星两次接近,给中国空间站带来何种危险?

文/田邨

据联合国外层空间事务厅(UNOOSA)发布的文件,中国常驻维也纳联合国和其他国际组织代表团12月3日向联合国秘书长递交普通照会表示,美国太空探索技术公司(SpaceX)发射的星链计划卫星今年已两度接近中国空间站,“对中国空间站搭载的航天员生命健康构成危险”。出于安全考虑,中国空间站组合体两次实施紧急避碰

目前没有证据表明中国空间站遇到的“接近”事件是SpaceX故意为之。考虑到欧洲航天器此前也遭遇过SpaceX星链计划卫星的“接近”,此事更像是太空航行中出现频率越来越高的“太空接近”事件。不过,虽然此事未必有直接的人为因素,但其责任依然在于美方,尤其是美国政府

航天领域的“接近”,和航空领域的“空中接近”是相近的概念,即两个航天器(航空器)之间的距离小于安全距离,有进一步发生碰撞的风险。对于“太空接近”的安全距离,全球尚未形成统一标准。按照美国国家航天局(NASA)和SpaceX协商的安全规则,“接近”意味着两个航天器间的距离已经小于5公里,但中国、俄罗斯、欧洲航天机构并未认可这种规则。

SpaceX星链计划已发射的卫星

卫星走向“太空拥堵”

太空那么大,为什么航天器还会如此“近距离接触”?简而言之:因为有大量的航天器会穿越其他航天器所在的轨道。本次“太空接近”事件的原因之一,就是SpaceX的星链计划卫星大多位于距地球550公里以上的轨道,但发射卫星时只将它们运送到200公里轨道,由卫星自主爬升到其需要到达的轨道。这其中,就必然会穿过中国空间站所在的400公里轨道。

此外,失效或退役的卫星会逐渐降低高度,回到大气层烧毁,一些卫星会进行降低轨道高度的试验,还有其他一些需要卫星降低轨道高度的情况,都会导致卫星穿过其他航天器的轨道。中方此次通报的第一次接近事件,就是星链计划的一颗卫星从555公里轨道下降到了382公里轨道。

在航空史上,直到1956年大峡谷空难、两架美国客机空中相撞前,人们都很难想象飞机会在广袤的天空相撞。航天史也是一样:过去,由于航天器数量少,且发射单位仅为少数几个大国的航天机构,主体之间便于协调,人们很少注意到“接近”事件,联合国的外空机构也缺乏相应的立法。但现在,仅SpaceX这个商业机构就已经发射了近1900颗卫星,该公司已获准再建造约3万颗卫星。

几万、几十万颗卫星,相比广袤的太空,并不是很大的数字。问题在于,绝大多数卫星都集中于离地球2000公里内、绕着地球飞的低地轨道,而且都在每年少数几个适宜发射卫星的窗口月份密集发射升空。简单来说,太空固然很大,但全人类的绝大多数航天器,其实都挤在一个微小的角落,而且几乎是在一瞬之间同时密集移动。再考虑到近地轨道上还分布着上亿个大大小小的太空碎片,航行安全已经是实实在在的大问题。

如何实现安全?主要航天机构都有跟踪航天器和空间物体的完善监测网络,中国空间站能够及时发现、确认和规避SpaceX的卫星,就得益于中方有发现航行安全威胁的能力。但发现只是第一步,发现之后如何避让,是更复杂的问题。不仅技术复杂,规则和协商也更复杂。

在航空领域,大中型民航飞机都会安装空中防撞系统(TCAS)。如果两架飞机的TCAS判断到两机有空中接近的风险,会发出警告,引导两机机组做出相反的拉升/下降动作,从而实现规避。但在航天领域,目前尚无这样的系统被开发出来。而且,我们还可以把那些太空碎片类比为不安装TCAS的小飞机或飞鸟,防撞系统并不能防范“撞鸟”,也不能防范那些在“大飞机”降落时冲进机场空域的“小飞机”,一如航天器很难防范那些落入自己轨道的太空垃圾。至于航天领域现有的其他技术,如击毁(事实上是撞毁)对方危险接近的航天器,只会造成更多的碎片,无助于解决航行安全问题。

近地轨道卫星分布的示意图

太空航行无序,主要责任在美国政府

相比预防、规避“太空接近”的技术产品,更重要的问题是设定相关避让规则。如前所述,现在世界主要航天大国都可以充分监测全球航天器并预测轨道。那么,如果形成一套切实可行的避让规则,比如穿轨航天器必须主动避让在轨航天器,又比如商业航天器必须避让政府航天器,则可以大大降低“太空接近”事件发生的概率。

航空领域血的教训是,技术永远不能替代规则,且规则必须覆盖所有可能发生的情况,无论概率有多低。TCAS系统发明后,没有人想到需要制订一条规则,去规定当TCAS系统和空管发出相反指令时,机组应该听从谁的命令。

2002年的乌伯林根空难中,一架图154客机和一架波音757客机驶入冲突航线,TCAS系统向图154、波音757机组分别发出拉升和下降的动作指令,但空管却选择向图154发出下降指令。图154机组选择听从空管,导致两机同时下降相撞,71人遇难。自此之后,国际民航组织和各国航空公司才制订规则,要求机组在遇到这种矛盾情况时优先听从TCAS指令。

如果航天安全想避免这种“血的教训”,就意味着世界各国要制订极其细致的太空航行安全规则。否则即使再发生当前的情况,即使中方再次指出美国政府应履行《外空条约》第6条的义务承担国际责任,美方也可以用“并无特定避让规则”、“SpaceX涉事航天器保持的安全距离符合NASA的规定”等理由搪塞。

此外,正如航空安全需要空管、机组之间直接沟通,航天安全也需要行为主体之间的沟通顺畅。本次事件暴露的一个关键问题是,SpaceX只和NASA签订了太空航行安全的协议,而没有和中国、俄罗斯、欧洲的航天主管机构进行协调,其与NASA约定的所谓5公里“行动阈值”(与其他航天器的安全距离),也未曾得到其他主要航天大国的认同

当然,这一责任主要还是在于美国政府:作为美国企业,SpaceX不被允许绕开NASA单独和外国航天机构就太空航行安全达成协议。但NASA和外国航天机构的信息渠道就通畅吗?协商规则意味着大量信息和技术共享,但2011年美国国会通过限制中美航天技术交流的沃尔夫条款后,NASA与中方伙伴机构的所有接触事实上都受到国会的严格限制和监控。

当前,针对火星探测器航行安全等具体的个案,NASA有意、也能获得国会许可和中方机构进行双边的安全合作。但2022年美国中期选举后,共和党很可能进一步控制国会参众两院,与民主党领导的联邦政府唱“对台戏”。NASA很难在此时展开大规模的对华接触合作。

而且,不可回避的是,未来会有越来越多的商业主体及中小国家政府加入太空探索事业。一方面,主要航天机构不能绕开其他“小”机构和商业机构制订规则,否则新加入的国家政府可能以主权理由不遵守既定国际规则。

另一方面,如果多数航天机构都像NASA这样倾向于通过一堆双边协议,单独与其他机构界定所谓安全距离,最终的结果,要么是NASA这样强势的机构通过大量双边协议造成“既定事实”,迫使其他机构都同意它的安全规则;要么是各方形成多个不同版本的规则,各行其是,进一步造成太空秩序的混乱

总之,随着航天器和太空垃圾越来越多,参与太空探索的主体越来越多元,国际大环境越来越复杂,“太空接近”事件只会越来越多,更严重的情况也很可能发生。

在这种背景下,中国需要做什么?中国早在1983年就加入了联合国《外空条约》,近年来一直是外层空间国际立法的活跃国家。中方及时向联合国及《外空条约》各缔约国通报美国卫星的危险接近,本身也是推动国际社会共同制订外空领域航行安全规则的有益一步。

这次“太空接近”事件背后的外空规则问题,本质上是一个国际法问题。近年来,除了外空法,中国还积极参与国际海底管理局及北极、南极国际立法的工作,在网络空间的国际立法上明确反对欧美国家制订的网络战“塔林手册”。这些为看似“遥远”的事情立法的工作,有些人觉得缺乏实际意义,有些人觉得“西方的标准也挺好”,但其关键不仅在于话语权,也在于集合全世界的智慧,为人类的未来确立良好的规则。

航空领域绝大多数规则制订的时候,中国都缺席了讨论、谈判,其结果就是今天世界各国在航空领域都必须遵守事实上由欧美少数国家确定的规则,然后在一次“血的教训”中不断完善。在中国、俄罗斯、欧洲和世界许多航天业者看来,当前NASA自己确定的航天安全规则有诸多漏洞,且其协商方式也缺乏国际参与。因而,中国积极通报“太空接近”事件,在相关事务上积极参与国际立法、与NASA进行充分的对话协商,不仅是为了中国的利益,也是为了人类共同的未来

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