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  • “风神”卫星如何避开太空撞车

        宋楠

        9月2日,欧洲空间局发布消息,公布他们对旗下的“风神”(Aeolus)卫星实施了主动变轨操作,成功规避了可能发生的与SpaceX公司一颗“星链”卫星相撞事件。这次人为干预的主动变轨,不仅避免了一场太空“车祸”的发生,也为今后可能出现的更多类似事件敲响了警钟。

        “风神”与“星链”——本无瓜葛的两颗卫星

        在介绍这次规避事件的具体过程之前,我们先来了解一下事件的主角,两颗卫星的来头都不算小。

        主角之一是欧空局于2018年8月发射的风神(Aeolus)卫星。这是一颗有些与众不同的气象卫星,它是人类第一颗研究地球高层风的科学卫星。卫星主体尺寸大约两米见方,重达1.36吨。通过先进的激光测风雷达,它可以直接测量从地球表面到平流层之间的风速和风向,并且能够实现全球数据覆盖。因为工程技术上有很大的难度,这颗卫星前后经历了20年才最终发射升空,计划在轨工作至少3年。整个卫星耗资约4亿8千万欧元。“Aeolus”这个词就是希腊神话中的风神,从欧空局对于这颗卫星的命名,也足以看出他们对风神卫星寄予厚望。

        另外一个主角是著名的SpaceX公司旗下星链计划的一颗卫星——星链44。顾名思义,“星链”就是很多颗卫星在一起组成“链条”。在率先发射了两颗试验卫星后,SpaceX公司于今年5月用它们旗下的猎鹰9号火箭一次性地将60颗星链卫星送上了太空,目前这些小家伙已经分散运行在各自的预定轨道上。其中每颗卫星重量大约为227千克,相当于风神卫星的六分之一,尺寸也小很多。

        SpaceX公司的老板是赫赫有名的科学狂人埃隆·马斯克。这家著名的商业公司希望通过组建低地球轨道卫星群,从而在全球范围内提供低成本的高速互联网接入服务。星链计划总共希望在太空密密麻麻地布置12000颗卫星以最终完全实现这一服务,整个计划预算100亿美元。而这次事件的主角星链44只不过是这一家族普通的一员。

        惊魂时刻——太空“十字路口”的紧急避让

        在潜在碰撞可能发生的一个星期前左右,根据美国军方提供的数据,欧空局发现了在9月2日他们运行的风神卫星与星链44卫星会发生潜在“接触”,也就是二者有可能相撞。欧空局空间碎片办公室的专家立即根据实时数据不断进行碰撞概率的计算。随着时间推移,碰撞概率也在不断增加。

        8月28日,欧空局团队决定联系SpaceX公司讨论应对方案。星链团队最后的电子邮件回复道“我们没有对这一事件采取措施的计划”。

        29日晚间,碰撞概率首次超过了万分之一,这是采取主动规避行动的阈值。这里需要说明的是,对于太空中运行的航天器(卫星),出于安全的考虑,加之各种不确定性,万分之一的碰撞概率其实是有很大危险存在的。欧空局工作人员准备了将风神卫星轨道高度提升350米,使得它能够从星链44上方飞过的规避方案,同时继续密切监视。但此时面对如此紧急的事件,另一边的星链团队则没有了动静。

        9月1日,也就是潜在碰撞预计发生的前一天,碰撞概率提升到了千分之一,10倍于采取规避措施的阈值,位于德国的欧空局任务控制中心向卫星发出了调整轨道的指令。9月2日早晨,指令触发了一系列推进器点火操作,这时距离潜在的碰撞发生只有半圈的轨道距离。大约在预计潜在碰撞发生的半小时后,控制中心再次收到了风神卫星发回的信号,这也意味着这次规避操作取得成功,紧张了一周的工作人员才终于安下心来,正常的气象观测得以继续进行。

        在这一惊心动魄的事件发生之后,SpaceX公司也发布了他们的相关声明。其中重点说明的是,他们公司也在调查星链团队没有及时回复最新邮件的问题。声明表示:“8月28日星链团队跟风神卫星团队最后交换了邮件,那时给出的碰撞概率在五万分之一,并没有必要采取规避措施。但是当碰撞概率增加到万分之一时,我们在线寻呼系统中的一个错误阻止了星链团队运行人员看到后续概率增加的信息。SpaceX公司仍在调查这个问题,并将采取纠正措施。如果星链团队看到了这些邮件,他们肯定会与欧空局协调,以确定最佳规避方案。”

        我们知道卫星都是在自己特定的轨道上运行,相撞的一个大前提就是它们轨道高度相近,而且在绕转过程中有了重合点。发射更早的风神卫星率先占据了高度为320公里的轨道,而星链最先上天的60颗卫星,其中绝大多数的轨道高度从440公里提升到了550公里,但星链44曾经受控降低到320公里附近,以练习主动脱轨技术。这也是导致两颗卫星存在相撞可能的重要原因。

        虽然两个卫星运行机构在这次规避过程中沟通不畅,也有很多误会和具体问题还没有解决,但好在欧空局采取行动避免了两颗卫星在太空撞车惨剧的发生。过程虽然十分曲折惊险,但最终结果还是好的。

        新挑战——太空也需要升级版交规

        自1957年第一颗人造卫星发射以来,人类已经执行了超过5500次发射,把9000多颗卫星送入了太空,其中目前大约有2000颗仍在正常工作,它们绝大多数都在自己的轨道上安全运行,彼此相安无事。但未来五年,光是SpaceX公司的星链计划,就要发射总共12000颗小卫星,这还不包括其他公司可能冒出来的“星簇”“星团”计划等等。未来短时间内卫星数目将会迅速增加。毫无疑问,未来的太空将会更加拥挤不堪,太空交通问题会进一步凸显出来。

        欧空局指出,这次的规避行为由于规避对象的特殊性(它属于另一个机构的正常在轨卫星),很大程度上是基于特别的人为操作,而非系统自动做出。简单的一个操作指令背后,许多工程技术人员付出了巨大的努力和沟通交涉。

        “这个例子表明,在没有‘交通规则’和通信协议的情况下,规避碰撞操作完全取决于所涉及卫星运营者的实用主义。” 欧空局空间安全负责人霍尔格·克拉格解释道。“今天,这一谈判是通过交换电子邮件完成的。这一古老的方式将不再可行,因为太空卫星数量的增加意味着更多类似‘交通事故’可能发生。”他补充道。

        以往对于在轨航天器发生潜在碰撞事件,人们更多担心的是,卫星受到一些小的空间碎片或者其他已报废卫星的影响,那时只是需要单方面操作确保在轨航天器的安全即可。但是现在,随着太空中服役卫星数量越来越多,两颗正常卫星发生相撞的概率增加,而这一情况需要做出的协调和其中牵扯到的问题将复杂得多。两颗卫星所属控制机构的操作需要更加谨慎,才能避免酿出大错。必须在双方协商通畅的基础上,共同拿出一个合理的规避方案,使得在确保两颗卫星不会相撞的前提下,尽可能让卫星们变轨的后续影响降到最低。

        此外,这类事件出现频率也会增加,全部通过人为介入恐怕会令工作人员焦头烂额。所以制定出一系列可行的解决预案和规则以及相应配套的操作步骤,使得相撞时间能够提前预判,系统尽可能自动反应解决,减少人为操作,也是需要整个行业尽快考虑的问题。

        延伸阅读

        商业航天发展

        需更加谨慎

        从2008年至2018年,全球卫星产业几乎翻了一番,达到了2770亿美元,这主要来自于建造、发射和运营卫星。除了传统意义上以各国政府官方航空航天部门为主要参与者外,商业航天领域也迅猛发展。其中私营公司虽然在上世纪60年代以来就可以建造和运营卫星,但是直到上世纪80年代他们才有能力发射卫星。未来几十年,行业内私人公司将会大幅度增长。例如马斯克旗下的SpaceX公司就计划在2020至2040年间,将发射数量提升四倍。不仅国外,国内近几年商业航天领域的公司也如雨后春笋般发展起来。

        商业航天的兴起,的确推动了航天技术的进步和民用化普及,降低了很多航天器的发射和建造成本,让除了航天国家队外,有更多的公司和专业人员可以参与到航天探索和应用中来。许多公司甚至个人,只要能支付足够的金钱,就可以发射属于自己的小卫星上天。但有时这些卫星所要达到的具体科学目的和应用价值,往往考虑得不够充分。面对愈加严峻的太空环境安全问题,应该对发射商业卫星的必要性进行更加全面客观的评估,而不仅仅是为了追求第一次成功发射那么简单。

  • 树袋熊面临生死抉择

        卡麦拉

        近年来,随着树袋熊(又称考拉)栖息环境的不断丧失,科学家发现了一个新招——粪便移植,这样可以帮助它们免遭灭绝之灾。吃了其他树袋熊的“便便”,就不会饿死了……

        粪便移植的目的是增加树袋熊体内微生物群,让它们适应更广泛的食物,而不是仅仅局限于特定的桉树叶。2013年以来,树袋熊数量锐减,主要原因是饿死,澳大利亚自然资源保护主义者非常关注该事件。

        研究拯救树袋熊方法的昆士兰大学米凯拉·布莱顿博士说:“2013年树袋熊达到非常高的生存密度,从而导致它们最喜欢的食物垂枝桉树叶变得稀缺,使得70%死亡树袋熊的死因是饿死,它们的死亡过程会非常痛苦。”

        布莱顿发现一个问题,树袋熊宁愿饿死,也不适应食用斜叶桉树叶,尽管树袋熊非常饥饿,但它们一般不会食用“陌生”的桉树叶。

        然而,也有部分树袋熊专门食用斜叶桉树叶。研究小组捕获了仅吃垂枝桉树叶的野生树袋熊,并将它们暂时圈养在奥特维角野生保护中心,将吃斜叶桉树叶的野生树袋熊粪便样本制作成耐酸性胶囊,里面填充了粪便中重要的微生物。

        之后他们对其他树袋熊进行粪便移植——服用这种特制粪便胶囊,观察服用之后饮食习惯是否发生变化,经过为期18天的观察分析,同时与普通树袋熊进行对比。研究人员发现粪便移植改变了树袋熊体内微生物群,之前仅吃垂枝桉树叶的树袋熊开始吃斜叶桉树叶,从而扩大了它们的食物范围。

        布莱顿博士说:“这可能影响树袋熊生态学的各个方面,其中包括:食物营养、栖息地的选择和资源利用,当树袋熊的食物被过度食用或者它们转移至一个新的地方,可能很难适应变化后的环境,尤其是对变化后的食物十分挑剔。这项最新研究证实使用粪便移植,可在树袋熊肠道中引入新微生物群。”

        事实上,粪便移植有重新平衡胃部微生物种群的先例。早在两千多年前,中药就有使用健康者新鲜粪便或者发酵粪水中的物质治病,粪便入药就是粪便移植的一种方式,1000多年前有一剂中药“黄龙汤”;1958年,美国医生曾使用粪水挽救感染疾病垂死患者。从医学角度来看,粪便移植可以像益生菌一样补充人体微生物种群平衡,粪便样本中通常包含1000多种微生物。

  • 美航天局计划从月壤中提取氧气

        周舟

        美国航天局肯尼迪航天中心日前发布消息说,计划开发一种将月壤熔化并转变为氧气的设备,未来利用这一资源支持可持续的月球和火星探索。

        科研人员准备将月壤加热到1649摄氏度以上,然后让电流通过熔化物质从而产生化学反应,将月壤分解成氧气和金属。月壤或月表风化层是覆盖在月球表面上的一层细小粒子,由氧化铁、氧化硅和氧化铝等金属氧化物组成。

        尽管月球没有大气,但氧元素以金属氧化物粉末的形式存在,因此有望通过电解获得可以使用的氧气。但在月球上电解存在两大挑战。第一,高温和月壤中的铁会导致极端腐蚀性的条件;第二,月球上的电解设备必须适应极端条件,且能够自动运行。

  • 石墨稀衣物能防蚊子叮咬

        王信强

        据《美国科学院报》最近报道,新的研究发现,带有石墨稀内衬的服装,可以阻止蚊虫叮咬。 美国布朗大学罗伯特·赫特教授研究发现,石墨稀不仅能够有效阻止有毒化学物质,而且阻遏蚊虫叮咬效果也不错。石墨稀是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的新型纳米材料。它只有单原子厚度,比钢结实200倍,比铜更为导电,比橡胶还要耐磨。

        新的研究发现,带有石墨稀内衬的服装非常结实,蚊子根本无法咬透。原先认为石墨稀材料仅是阻止蚊子叮咬的物理屏障,但这次试验发现,它同时也是一道化学屏障,可以阻断有关人体汗的化学信息,让蚊子感觉不到人就在附近。吸血蚊子往往是循着汗的气味去叮人的。

        石墨稀材质不足之处是只有在干的时候才起作用,浸湿后则失去效果。研究人员正在采取措施,稳定石墨稀氧化膜的性能,使其湿了以后照样发挥作用,做到既舒适透气,又能保护皮肤。

  • “机器蠕虫”清除大脑血栓

        王斌

        全球权威学术期刊《科学·机器人》近日报道,美国麻省理工学院研究人员发明了一种“机器蠕虫”,能在宛如迷宫的大脑血管网中蜿蜒而行,帮助清除血栓。

        目前,中风后疏通血管的手术完全靠人工操作。通常在腹股沟动脉插入一根细丝,通过荧光镜引导,把细丝一直插入大脑,消除阻塞,疏通血管。这种手术等于在大脑中穿针引线,如被卡住,导致摩擦,血管就会受到损坏。

        麻省理工学院研究人员发明了一种超细线,像蠕虫一样在大脑血管网中慢慢爬行,发现问题,采取措施,故名“机器蠕虫”。“机器蠕虫”采用磁驱动材料,外面包有一层水凝胶,移动起来非常润滑,无摩擦。导丝由软质镍钛合金制成,也称镍钛诺,直径仅为0.6毫米,具有记忆功能。

        麻省理工学院研究人员已在真人比例大小的大脑血管复制品上进行了测试,发现由水凝胶包裹的导丝,可轻松地穿越血管,效果远佳于常规的细丝。

        本版部分图片/视觉中国、欧空局网站