宇宙1408航天器解体，会威胁正在太空中的人类吗？

　　出品：科普中国
　　制作：李明涛（中国科学院国家空间科学中心）
　　监制：中国科学院计算机网络信息中心
　　2021年11月16日凌晨，看起来再普通不过的一天即将开始，正在地球表面420公里高空飞行的国际空间站上的警报却突然响起。
　　航天员被告知：一颗卫星在轨道上发生解体，产生的碎片可能会击中国际空间站。
　　随后，航天员们被要求转移到返回舱中，等待地面通知，随时准备撤离国际空间站。
　　于是，美国3名航天员和1名德国航天员躲进了美国的载人龙飞船，另外1名美国航天员则与2名俄罗斯航天员挤进了俄罗斯的联盟号载人飞船。航天员们在他们的龙飞船和联盟飞船中忐忑地停留了大约两个小时。
　　随后，美国政府官员表示，俄罗斯在星期一（11月15日）进行了一次反卫星试验，击落了一颗苏联时代的废弃航天器，产生了上千颗可追踪的空间碎片。这些碎片将在轨道上停留数年甚至数十年，并且可能会威胁国际空间站上的航天员生命。
　　据美国太空司令部称，此次反卫星试验使用了一枚直接上升的导弹(DA-ASAT) ，摧毁了一颗名为＂宇宙-1408＂(Cosmos 1408)的废弃军事侦察卫星。此外，太空司令部在一份声明中说，这次试验产生了1500多块可追踪的太空碎片，可能会产生数十万块较小的轨道碎片。
　　俄军方则在一份声明中表示，国防部成功进行一项试验，击中自1982年以来一直在轨道上的＂Tselina-D＂航天器。声明称，有关试验没有带来危险。
　　事件主角＂宇宙-1408＂是什么航天器？
　　综合多方资料，＂宇宙-1408＂是一颗苏联的废弃军事侦察卫星，重量约为2200公斤，雷达反射面积约为8.63平方米。根据雷达反射面积估算，其外包络约为5米。
　　显然，这是一颗大卫星，其解体也会造成更多碎片。
　　图1 ＂宇宙-1408＂可能的构型（图片来源：Yuzhnoye）
　　在解体事件发生前，＂宇宙-1408＂运行在近地点高度约465公里、远地点高度约490公里、倾角约83 的轨道上，大约94分钟环绕地球运行一圈。
　　图2 ＂宇宙-1408＂轨道（图片来源：LeoLabs）
　　而＂宇宙-1408＂的轨道，正好处在载人空间站（约400公里高度）与商业卫星密集区域（约500-800公里高度）的通道中间，绝大部分商业卫星发射都会经过这个区域。
　　＂宇宙-1408＂解体，产生了多少碎片？
　　就在两个超级大国大打口水仗时，＂宇宙-1408＂航天器解体事件吸引了一些从事太空态势感知的商业机构的注意力。
　　国外一家致力于发展商业空间碎片监测预警服务的商业航天公司LeoLabs利用部署在新西兰的雷达系统，对＂宇宙-1408＂解体事件进行了监测，并尝试分析其可能带来的影响。在过去一个月内，该公司的雷达系统很好地监测到了＂宇宙-1408＂卫星，找到了1796次雷达测量数据，形成了69组轨道状态数据，其中位置精度优于100米。
　　在检查了当天早上的监测记录之后，发现没有收到预期的监测数据，这证实＂宇宙-1408＂确实发生了某些变化。于是他们将＂宇宙-1408＂的观测提升到最高优先级，并且拓宽观测窗口。
　　随后，该公司位于新西兰的雷达系统成功捕获了＂宇宙-1408＂的监测数据。不幸的是，发现了不止一个移动物体，而是很多个——明确证实了＂宇宙-1408＂已经发生解体。
　　截止到11月17日，LeoLabs已经获取了约253块独立碎片的数据，并在继续对监测数据进行分析。
　　图3 雷达监测数据 （图片来源：LeoLabs ）
　　该公司估计，这253块碎片可能代表了＂宇宙-1408＂解体产生的比较大尺寸的碎片，它们仍然运行在＂宇宙-1408＂的原轨道附近。如果这个估计是准确的，根据经验，还有4-9倍的碎片还没有被追踪到。预计可追踪碎片的总数量在1250-2500块之间，而不可追踪的小尺寸碎块只会更多。
　　解体碎片都分布在什么轨道上？
　　LeoLabs对追踪到的253颗碎片的轨道进行了分析，这些碎块的轨道高度在200公里至800公里之间，覆盖了从国际空间站到商业卫星密集区，其中大部分碎块的轨道高度在400公里至600公里之间。
　　图4 碎片轨道高度：蓝色为远地点高度，红色为近地点高度（图片来源：LeoLabs ）
　　对于近地点高度较低的碎块，在大气阻力的作用下，轨道会较快衰减，预计会在数年之内进入大气层。当然，下降过程会途经载人空间站所在区域。
　　而在较高轨道的碎块，所受到的大气阻力作用没有那么明显，甚至可能在轨道上运行超过10年。不过碎片轨道寿命预测本身非常复杂，需要综合考虑碎片本身特性和太阳活动、磁暴等空间天气活动，而这两者都有比较大的不确定性。
　　总的来说，＂宇宙-1408＂解体会使得轨道上单位体积内的碎片数量明显提升。以400公里轨道高度为例，在10立方米空间内，解体前平均有0.3个碎片，而解体后则增加至1个碎片。
　　图5 碎片密度变化：黑色为解体前，红色为解体后（图片来源：LeoLabs ）
　　目前，这些碎块还运行在＂宇宙-1408＂轨道附近，但随着地球形状摄动等因素影响，这些碎块最终会散布到不同的轨道面上。
　　太空中的解体碎片，会威胁航天员生命吗？
　　想必大家都十分关心，卫星解体后产生的碎片会不会对正在空间站的航天员们产生什么影响。
　　别急，我们慢慢分析。
　　一般来说，卫星解体后的大尺寸空间碎片可能会贯穿空间站舱体，对空间站造成永久性破坏。但好在，大尺寸空间碎块是可以提前发现预警，进而躲避的。
　　当空间碎片撞击空间站的概率超过一定阈值时（比如万分之一），地面指挥中心会指挥空间站实施轨道规避机动，躲开空间碎片。1999年以来，国际空间站已经执行了25次碎片规避机动。
　　当然，等威胁碎片飞过去后，空间站仍然还要返回原来的轨道。代价是消耗空间站上宝贵的燃料，还有测控资源。
　　而对于小尺寸空间碎片，载人空间站都有防护结构，也就是所谓的＂硬扛＂。之前就在国际空间站结构上检查到了很多空间碎片的撞击痕迹。
　　图6 国际空间站机械臂受碎片撞击（图片来源：newsweek.com ）
　　如果航天员在舱内，一般是比较安全的。但如果航天员在出舱时，可能会遇到另一种不可预测的危险——毫米级空间碎片，这种碎片可能会穿透航天员的宇航服，对航天员的生命造成威胁。由于毫米级碎片难以观测，理论上，碎片危及航天员生命的可能性是不能排除的。因此，当判断有这类空间碎片威胁的时候，航天员们会尽量减少出舱活动，规避风险。
　　卫星解体事件，或将影响未来人类商业发射
　　毫无疑问，＂宇宙-1408＂解体事件对导致轨道环境变得更加复杂。大量微小碎片是难以直接主动清理的，特别是碎片轨道位于载人空间站与商业卫星密集区域的中间通道上，对未来人类商业发射可能都会存在一定的影响。
　　例如，该事件可能会对埃隆·马斯克（Elon Musk）的＂星链＂（Starlink）卫星互联网项目造成影响。Starlink星座的轨道高度在550公里、1110公里和340公里，而其中的550公里轨道正处于这次解体碎片影响最严重的区域之一。
　　而Starlink采用一箭多星发射，卫星从低轨靠电推进缓慢爬升进入目标轨道的模式，也决定了Starlink星座从发射到爬升到目标轨道全过程都会受到这次解体事件的影响。
　　图7 Starlink星座计划（图片来源：SpaceX）
　　＂宇宙-1408＂卫星的解体已成定局，其带来的影响我们必须正视面对。或许在未来的某一天，我们可以拥有更高效的空间碎片防护、减缓和清除的方法，给航天员的探索工作提供更加安全的环境。
　　参考文献：
　　[1]Leolabs，Analysis of the Cosmos 1408 Breakup，（https://leolabs-space.medium.com/analysis-of-the-cosmos-1408-breakup-71b32de5641f）；
　　[2]＂国际航天爱好者＂微信公众号，＂俄罗斯进行反卫试验，产生上万空间碎片，空间站红色预警＂（https://mp.weixin.qq.com/s/DqpqIsBeCPDznFIegdm-Zg）。