卫星解体的影响有多大？丨Calling太空

　　编者按：＂浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索＂，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设＂Calling太空＂科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。
　　1957年10月4日人类第一颗人造卫星Sputnik-1进入太空，四年后的1961年第116颗空间目标——美国Transit-4A进入轨道77分钟后，625公斤的THOR ABLESTAR火箭末级发生爆炸，至少解体成298个可跟踪的碎片，60年后的今天仍有193颗在轨。爆炸一声响，揭开了空间碎片快速增长的序幕。此后，在轨解体事件成为空间碎片的最主要来源。
　　1977年凯瑟勒等人预计，比起天然流星体，人为产生的碎片很快会对低地球轨道卫星产生更大的威胁。深入研究后，1990年凯瑟勒发表《碰撞级联效应：低地球轨道碎片数量极限》一文，讲述空间碎片的增长，最初由航天器的碰撞，最终是碎片间的碰撞。这种碰撞的级联效应是无法阻止的。
　　编目空间目标通常是指目标尺寸大于等于10厘米，处于监测设备探测能力范围内，可以稳定跟踪，并周期性轨道更新的空间目标。据美国空间监视网公布的数据，编目的空间目标在轨数量，达到第一个1万颗用了50年，至2007年在轨空间目标数量已达10000颗。达到第二个1万颗仅用了10年多一点，至2020年在轨空间目标数量已超过20000颗。截至2021年11月，美国空间监视网公布的编目目标数量已经接近24000颗。碎片多了，雪崩效应还远吗？
　　前情提要，事发始末
　　2021年11月15日，在一次测试中一颗卫星解体，导致300~1100km地球轨道上产生大量太空垃圾。考虑到此次突发事件潜在的碰撞威胁，国际空间站上的宇航员进入返回舱避险。
　　这里我们只关心此次解体事件对空间碎片环境的影响。
　　母体档案
　　该卫星重量约2200千克，设计寿命为6个月，雷达截面积8.45平米。解体前的近地点高度465km，远地点高度490km。上述信息是我们仿真计算解体特征信息的输入。
　　解体信息
　　通过解体模型估计此次解体事件产生79134颗1cm以上解体碎片，获取了轨道仿真数据、物理特征数据（尺寸、质量、面积质量比、数量等）。
　　由于解体碎片在解体瞬间获取的速度增量、面积质量比的差异，在半个轨道周期内，解体碎片快速分散开，如下图所示。
　　解体碎片轨道分布图
　　统计发现尺寸在1~10厘米之间的解体碎片数量占比98.1%，尺寸在10厘米以上的解体碎片1495颗，占比1.9%。
　　一般航天器面积质量比在1/1000上下浮动，即1平米截面积，重量1吨。但解体碎片普遍具有大面积质量比的特征，从下面的解体特征分布直方图可以看出，绝大多数解体碎片面积质量比分布在0.1之上，这为解体碎片的快速陨落奠定了物理基础。
　　解体碎片物理特征分布图
　　解体碎片轨道寿命与环评
　　基于仿真获取的解体碎片轨道、面质比信息，结合轨道大气密度变化，我们对尺寸1cm以上的解体碎片轨道寿命进行了计算，寿命分布如直方图所示。
　　轨道寿命分布直方图
　　此次解体事件中98.35%的解体碎片轨道寿命小于5年，仅有少量解体碎片轨道寿命超过100年。通过对轨道寿命小于5年的解体碎片寿命进行细分统计，可以发现轨道寿命在6个月以内的解体碎片占比93.266%，寿命6~12个月的解体碎片占比2.870%。
　　综合考量，短期来看，此次解体事件产生的解体碎片，在半年内对高度400km上下的低地球轨道航天器的安全运行具有较大风险，且解体碎片多属于＂暗弱小＂目标，无法准确监测预警，建议半年内空间站宇航员减少舱外活动。长期来看，此次解体事件对人类航天活动不构成根本性威胁。