事实证明,太空正变得越来越不像广袤空旷的虚空,而更像黑色星期五疯狂大甩卖时的宇宙停车场。低地球轨道(LEO)上人类和机器人活动的迅速扩张,使得实施有效的空间交通管理(STM)变得至关重要——这是21世纪的领导者们要么吹嘘自己解决了、要么归咎于前任政府的工程和政策挑战之一。
庞大的通信星座、在轨数据中心、有人空间站,以及不断增长的太空碎片云,已将轨道拥堵变成了一个真正的问题。关键概念是为STM找到一种“平衡状态”——一个动态稳定的轨道环境,其中发射、运行寿命、碎片产生和处置速率达到平衡,以最大限度地降低碰撞概率和长期轨道退化。换句话说,我们不能再把地球轨道当成带火箭发动机的垃圾场了。
地球轨道是一种有限的自然资源,受轨道力学定律支配,而这些定律以毫不留情著称。卫星以超过每秒七公里的速度飞行,这意味着即使是一块油漆碎片也能造成灾难性破坏。为全球宽带设计的大型通信星座已经涉及数千颗卫星,集中在狭窄的高度带上。拟议中的在轨数据中心,拥有巨大的太阳能电池板和更长的寿命,只会加剧拥堵。有人空间站则增加了一层全新的风险:人类安全直接依赖于维持稳定的轨道环境,而当你意识到上面已经有多少垃圾时,这可不是什么好事。
把轨道环境想象成一个“源-汇”系统。源包括卫星发射、碎裂事件、反卫星试验和意外碰撞。汇包括受控离轨、轨道衰减和主动碎片清除。当增加危险物体的速率等于清除它们的速率时,就达到了平衡。如果碎片产生超过清除,轨道不稳定性会逐步恶化——就像囤积癖者的公寓,但爆炸更多。
碎片产生的一个主要来源是太阳同步轨道(SSO)中大量活跃和退役的卫星。60多年来,这些轨道上挤满了地球观测、侦察和环境监测航天器。SSO之所以有吸引力,是因为它们能让卫星在一致的当地太阳时飞越地球,为成像提供均匀光照。因此,政府和商业航天器高度集中在约500至900公里之间。不幸的是,这些区域也含有高浓度的长寿命碎片,因为大气阻力在该高度可以忽略不计。失效和不活跃的卫星可能会在轨道上停留数十年,成为永久性危险——相当于轨道版的湖中废弃购物车。
如果监管不力,将数据中心等大型轨道基础设施引入SSO和其他轨道将进一步破坏环境稳定。未来的STM系统必须包含实时轨道密度监测、自主碰撞规避、强制性任务后处置要求以及主动碎片清除。空间平衡的概念类似于生态系统的环境控制:森林、河流或渔场只能承受一定量的活动,否则退化将不可逆转。轨道壳层包含有限的物理体积、有限的机动余量和有限的碰撞规避能力。超过极限,交会事件增加,碰撞概率上升,碎片产生加速。
据信,轨道上已经存在超过一亿个碎片,其中只有一小部分大到可以被持续跟踪。即使毫米级碎片也足以造成严重损坏。