各國(guó)發(fā)射了那么多衛(wèi)星,發(fā)射數(shù)量有沒(méi)有飽和點(diǎn)?會(huì)相撞嗎?
2009年2月10日上午11時(shí)55分在西伯利亞上空的近地軌道上,美俄兩顆衛(wèi)星相撞的事件,讓大家認(rèn)識(shí)到,廣袤無(wú)垠的太空,其實(shí)已經(jīng)熙熙攘攘了!今年是2020,距離上次相撞的11年中,人類(lèi)又發(fā)射大量的衛(wèi)星上天,這地球軌道上衛(wèi)星是不是塞滿了呢?未來(lái)還能向外發(fā)射飛船嗎?

地球有哪些軌道?在這些軌道上的都是些什么衛(wèi)星?
很多科普文章中,在說(shuō)到衛(wèi)星或者飛船發(fā)射是都一條近地軌道一筆帶過(guò),當(dāng)然這對(duì)于了解航天的朋友發(fā)射什么任務(wù),這近地軌道大概是多高基本都心里有數(shù),但對(duì)于大部分朋友來(lái)說(shuō),這近地軌道就一臉懵逼了,到底是啥軌道?

在地球周?chē)降子卸嗌佘壍溃?/p>
其實(shí)在地球周?chē)挥幸粭l軌道,也就是環(huán)繞地球的軌道,但為了環(huán)繞地球軌道的不同高度和功能,一般都會(huì)將它們區(qū)分成如下軌道:
- 按高度區(qū)分可以分為低、中、高軌道;
- 按軌道形狀區(qū)分一般有圓形軌道和橢圓軌道;
- 按傾角大小區(qū)分一般可以分成赤道軌道和極地軌道以及傾斜軌道;
- 按星下點(diǎn)軌跡區(qū)分,一般有太陽(yáng)同步軌道和靜止軌道以及一般軌道;
其實(shí)還有很多類(lèi)別,但所有軌道介紹起來(lái)實(shí)在太復(fù)雜,下面就挑個(gè)典型的軌道說(shuō)明下,一般低于1000千米的軌道是偵察衛(wèi)星和載人飛船和國(guó)際空間站以及新型通信衛(wèi)星(比如馬斯克的星鏈)的專(zhuān)用軌道,因?yàn)閭刹煨l(wèi)星飛得越低也就看得更清楚,飛船當(dāng)然還有測(cè)地衛(wèi)星和地球重力場(chǎng)研究的衛(wèi)星,也需要盡量低的軌道!

國(guó)際空間站的軌道
比如ESA在2009年發(fā)射的GOCE衛(wèi)星,它的軌道低至260千米,由于此處大氣分子密度仍然很高,GOCE衛(wèi)星甚至有一個(gè)流線型的外形,還有離子發(fā)動(dòng)機(jī)不斷推進(jìn),但它仍然在2013年就草草的結(jié)束了壽命墜入大氣層!

中軌道(2000千米以上,低于3.6萬(wàn)千米的靜止軌道),大都為全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星的,比如GPS衛(wèi)星軌道高度2.02萬(wàn)千米,格洛納斯衛(wèi)星則在1.91萬(wàn)千米,北斗衛(wèi)星則在2.15萬(wàn)千米,伽利略衛(wèi)星則是2.33萬(wàn)千米等,另外也有部分跨越南北極的衛(wèi)星也用中軌道!

高軌道衛(wèi)星一般指3.6萬(wàn)千米的的靜止軌道衛(wèi)星,當(dāng)然也有非常特殊的比如運(yùn)行在日地拉格朗日點(diǎn)上的SOHO衛(wèi)星或者地月鵲橋中繼通信衛(wèi)星(地月系的拉格朗日點(diǎn))
傾角不同,功能大相徑庭的衛(wèi)星
沿著地球的赤道與自轉(zhuǎn)軸形成一個(gè)平面,這就是赤道平面,除了沿著赤道平面自轉(zhuǎn)方向的衛(wèi)星和靜止軌道衛(wèi)星外,其他衛(wèi)星和地球赤道平面存在一個(gè)夾角,這就是衛(wèi)星軌道的傾斜角度!按最節(jié)省燃料的方式發(fā)射,那么發(fā)射場(chǎng)地所在的位置就決定了衛(wèi)星的傾角!

北斗衛(wèi)星傾角示意圖
當(dāng)然現(xiàn)代火箭已經(jīng)不像第一顆衛(wèi)星那會(huì)那樣送上去就算數(shù),所以現(xiàn)在的航天器和衛(wèi)星都按計(jì)算好的角度發(fā)射,如果不滿意,還可以變軌嘛(一般情況下都是火箭一步到位,迫不得已才會(huì)使用衛(wèi)星的燃料做軌道改變,這極度消耗衛(wèi)星壽命)!

傾斜軌道的星下點(diǎn)是一條波浪曲線,經(jīng)過(guò)的位置都不相同,極地軌道衛(wèi)星則與赤道平面呈90度夾角,它的星下點(diǎn)通過(guò)兩極,好處是它每轉(zhuǎn)一圈,經(jīng)過(guò)的星下點(diǎn)都不一樣,因此用不了幾天就能將地球所有位置都探測(cè)一遍!

還有一種特殊的太陽(yáng)同步軌道,它的高度大約在600至800千米,軌道周期在96至100分鐘,傾角大約在98度,進(jìn)動(dòng)和地球自轉(zhuǎn)匹配,可以讓它每天的同一時(shí)刻通過(guò)同一個(gè)位置,甚至一直可以圍繞著晨昏線轉(zhuǎn),太陽(yáng)能電池一直都能照到,研究太陽(yáng)的衛(wèi)星大都用這個(gè)軌道!

靜止軌道
靜止衛(wèi)星大家都知道,在地面上看起來(lái)不動(dòng),但有一種傾斜同步軌道可能大家沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò),這種衛(wèi)星的軌道也和赤道靜止衛(wèi)星軌道一樣高,但軌道是傾斜的,它的星下點(diǎn)是一個(gè)8字,比如在赤道靜止軌道上的衛(wèi)星在南北緯高緯度地區(qū)幾乎就不可見(jiàn),但傾斜同步軌道衛(wèi)星可以解決這個(gè)問(wèn)題,一般高緯度國(guó)家會(huì)使用這類(lèi)通信衛(wèi)星,比如俄羅斯!

這些軌道能被塞滿嗎?為什么它們又會(huì)相撞呢?
衛(wèi)星的軌道實(shí)在是太多了,上文只介紹了其中很少一部分,這個(gè)軌道從200-300千米開(kāi)始一直到3.6萬(wàn)千米不等,這些衛(wèi)星的軌道資源實(shí)在是太豐富了,想怎么發(fā)射就怎么發(fā)射,只要滿足要求,查一查這條軌道上有沒(méi)有現(xiàn)有或者歷史衛(wèi)星,只要沒(méi)有沖突的,就能在這條軌道行塞衛(wèi)星!只是大家都搶好的軌道,所以才感覺(jué)沒(méi)地方下腳!

但真正有一條軌道,衛(wèi)星的總數(shù)是被限制了的,那就是赤道靜止軌道衛(wèi)星!這條軌道只有一條,距離赤道上方大約3.6萬(wàn)千米的位置,并且由于衛(wèi)星在工作過(guò)程中會(huì)有一定程度漂移,允許范圍是±0.1°,圓周總共是360°,那么很簡(jiǎn)單就計(jì)算出這條軌道上能塞進(jìn)去的衛(wèi)星有1800顆,看起來(lái)很多?其實(shí)有很多黃金位置,比如距離本國(guó)上空最近,而國(guó)家又很密集,那么這些定位點(diǎn)就成了最搶手的資源!

太空垃圾
自第一顆人造衛(wèi)星上天以來(lái),人類(lèi)向太空發(fā)射的衛(wèi)星已經(jīng)接近7000顆,其中有一半還在太空,但大約只有1000顆左右還在正常工作!

如果這些衛(wèi)星都是可控的,再不濟(jì)能被追蹤也可以,那么地球上衛(wèi)星軌道資源確實(shí)多的不要不要的,但隨著衛(wèi)星失控,和衛(wèi)星分離時(shí)的三級(jí)火箭,還有測(cè)試反衛(wèi)星武器的碎片,以及衛(wèi)星相撞的碎片,當(dāng)然還有各國(guó)宇航員艙外行走時(shí)候不小心或者故意丟棄的垃圾等等,圍繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)的這些人造物體中,90%以上都是垃圾,而有很多因?yàn)樘。揪蜔o(wú)法追蹤!

不過(guò)盡管如此,仍然只是存在相撞的風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)榈厍蛑車(chē)奶者€是太空曠了,就像一個(gè)北京出發(fā)繞地心走,另一個(gè)人從烏魯木齊出發(fā)繞地心走,兩個(gè)人在某地相遇的可能性實(shí)在比較??!但仍然不可小覷這樣的危害,因?yàn)槊肯嘧惨淮?,碎片就?huì)成百上千倍增加,當(dāng)然下次相撞的概率就會(huì)大增!

因此探測(cè)到可能有相遇的碎片或者衛(wèi)星時(shí),會(huì)提前變軌,避免衛(wèi)星陷于險(xiǎn)境!而2009年相撞的兩顆衛(wèi)星中銥星33仍然在役,而俄羅斯的宇宙-2251則發(fā)射于1993年,1995年起已是報(bào)廢狀態(tài)!兩者在西伯利亞上空790千米處相撞!

不過(guò)NASA仍然認(rèn)為,這只是一次概率極低的事件!
能將這些報(bào)廢衛(wèi)星回收嗎?
盡管各國(guó)的機(jī)械臂以及各種變軌的上面級(jí)火箭有一個(gè)重要的功能就是收集太空垃圾,但到現(xiàn)在為止仍然沒(méi)有見(jiàn)他們回收下任何一塊太空垃圾!而在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的還有激光照射改變軌道回收,英國(guó)某該公司還有一種射出網(wǎng)狀物,增加它的阻力使其提早墜入大氣層回收的方法!

但沒(méi)有一個(gè)是實(shí)用的,因?yàn)椴蹲教绽某杀緦?shí)在是太高了,很簡(jiǎn)單變軌需要大量的燃料,而每千克運(yùn)送成本高達(dá)上萬(wàn)美元,沒(méi)有國(guó)家會(huì)將這種概率低到1%%%%的事件去浪費(fèi)有限的宇航預(yù)算!

這是被太空塵埃高速撞擊后的航天器表面鋁合金蒙皮
所以到現(xiàn)在為止,除了能探測(cè)的垃圾避讓下,對(duì)于無(wú)法探測(cè)但足以造成損傷的,基本就憑運(yùn)氣吧!