2021年11月16日凌晨，看起來再普通不過的一天即將開始，正在地球表面420公里高空飛行的國際空間站上的警報卻突然響起。航天員被告知：一顆衛星在軌道上發生解體，產生的碎片可能會擊中國際空間站。隨後，航天員們被要求轉移到返回艙中，等待地面通知，隨時準備撤離國際空間站。
於是，美國3名航天員和1名德國航天員躲進了美國的載人龍飛船，另外1名美國航天員則與2名俄羅斯航天員擠進了俄羅斯的聯盟號載人飛船。航天員們在他們的龍飛船和聯盟飛船中忐忑地停留了大約兩個小時。
隨後，美國政府官員表示，俄羅斯在星期一（11月15日）進行了一次反衛星試驗，擊落了一顆蘇聯時代的廢棄航天器，產生了上千顆可追蹤的空間碎片。這些碎片將在軌道上停留數年甚至數十年，並且可能會威脅國際空間站上的航天員生命。
據美國太空司令部稱，此次反衛星試驗使用了一枚直接上升的導彈（DA-ASAT），摧毀了一顆名為“宇宙-1408”（Cosmos 1408）的廢棄軍事偵察衛星。此外，太空司令部在一份宣告中說，這次試驗產生了1500多塊可追蹤的太空碎片，可能會產生數十萬塊較小的軌道碎片。
俄軍方則在一份宣告中表示，國防部成功進行一項試驗，擊中自1982年以來一直在軌道上的“Tselina-D”航天器。宣告稱，有關試驗沒有帶來危險。
Part.1
事件主角“宇宙-1408”是什麼航天器？
綜合多方資料，“宇宙-1408”是一顆蘇聯的廢棄軍事偵察衛星，重量約為2200公斤，雷達反射面積約為8.63平方米。根據雷達反射面積估算，其外包絡約為5米。
顯然，這是一顆大衛星，其解體也會造成更多碎片。
在解體事件發生前，“宇宙-1408”執行在近地點高度約465公里、遠地點高度約490公里、傾角約83°的軌道上，大約94分鐘環繞地球執行一圈。
而“宇宙-1408”的軌道，正好處在載人空間站（約400公里高度）與商業衛星密集區域（約500-800公里高度）的通道中間，絕大部分商業衛星發射都會經過這個區域。
Part.2
“宇宙-1408”解體，產生了多少碎片？
就在兩個超級大國大打口水仗時，“宇宙-1408”航天器解體事件吸引了一些從事太空態勢感知的商業機構的注意力。
國外一家致力於發展商業空間碎片監測預警服務的商業航天公司LeoLabs利用部署在紐西蘭的雷達系統，對“宇宙-1408”解體事件進行了監測，並嘗試分析其可能帶來的影響。在過去一個月內，該公司的雷達系統很好地監測到了“宇宙-1408”衛星，找到了1796次雷達測量資料，形成了69組軌道狀態資料，其中位置精度優於100米。
在檢查了當天早上的監測記錄之後，發現沒有收到預期的監測資料，這證實“宇宙-1408”確實發生了某些變化。於是他們將“宇宙-1408”的觀測提升到最高優先順序，並且拓寬觀測視窗。
隨後，該公司位於紐西蘭的雷達系統成功捕獲了“宇宙-1408”的監測資料。不幸的是，發現了不止一個移動物體，而是很多個——明確證實了“宇宙-1408”已經發生解體。
截止到11月17日，LeoLabs已經獲取了約253塊獨立碎片的資料，並在繼續對監測資料進行分析。
該公司估計，這253塊碎片可能代表了“宇宙-1408”解體產生的比較大尺寸的碎片，它們仍然執行在“宇宙-1408”的原軌道附近。如果這個估計是準確的，根據經驗，還有4-9倍的碎片還沒有被追蹤到。預計可追蹤碎片的總數量在1250-2500塊之間，而不可追蹤的小尺寸碎塊只會更多。
Part.3
解體碎片都分佈在什麼軌道上？
LeoLabs對追蹤到的253顆碎片的軌道進行了分析，這些碎塊的軌道高度在200公里至800公里之間，覆蓋了從國際空間站到商業衛星密集區，其中大部分碎塊的軌道高度在400公里至600公里之間。
（圖片來源：LeoLabs ）
對於近地點高度較低的碎塊，在大氣阻力的作用下，軌道會較快衰減，預計會在數年之內進入大氣層。當然，下降過程會途經載人空間站所在區域。
而在較高軌道的碎塊，所受到的大氣阻力作用沒有那麼明顯，甚至可能在軌道上執行超過10年。不過碎片軌道壽命預測本身非常複雜，需要綜合考慮碎片本身特性和太陽活動、磁暴等空間天氣活動，而這兩者都有比較大的不確定性。
總的來說，“宇宙-1408”解體會使得軌道上單位體積內的碎片數量明顯提升。以400公里軌道高度為例，在10立方米空間內，解體前平均有0.3個碎片，而解體後則增加至1個碎片。
（圖片來源：LeoLabs ）
目前，這些碎塊還執行在“宇宙-1408”軌道附近，但隨著地球形狀攝動等因素影響，這些碎塊最終會散佈到不同的軌道面上。
Part.4
太空中的解體碎片，會威脅航天員生命嗎？
想必大家都十分關心，衛星解體後產生的碎片會不會對正在空間站的航天員們產生什麼影響。
別急，我們慢慢分析。
一般來說，衛星解體後的大尺寸空間碎片可能會貫穿空間站艙體，對空間站造成永久性破壞。但好在，大尺寸空間碎塊是可以提前發現預警，進而躲避的。
當空間碎片撞擊空間站的機率超過一定閾值時（比如萬分之一），地面指揮中心會指揮空間站實施軌道規避機動，躲開空間碎片。1999年以來，國際空間站已經執行了25次碎片規避機動。
當然，等威脅碎片飛過去後，空間站仍然還要返回原來的軌道。代價是消耗空間站上寶貴的燃料，還有測控資源。
而對於小尺寸空間碎片，載人空間站都有防護結構，也就是所謂的“硬扛”。之前就在國際空間站結構上檢查到了很多空間碎片的撞擊痕跡。
（圖片來源：newsweek.com ）
如果航天員在艙內，一般是比較安全的。但如果航天員在出艙時，可能會遇到另一種不可預測的危險——毫米級空間碎片，這種碎片可能會穿透航天員的宇航服，對航天員的生命造成威脅。由於毫米級碎片難以觀測，理論上，碎片危及航天員生命的可能性是不能排除的。因此，當判斷有這類空間碎片威脅的時候，航天員們會盡量減少出艙活動，規避風險。
Part.5
衛星解體事件，或將影響未來人類商業發射
毫無疑問，“宇宙-1408”解體事件會導致軌道環境變得更加複雜。大量微小碎片是難以直接主動清理的，特別是碎片軌道位於載人空間站與商業衛星密集區域的中間通道上，對未來人類商業發射可能都會存在一定的影響。
例如，該事件可能會對埃隆·馬斯克（Elon Musk）的“星鏈”（Starlink）衛星網際網路專案造成影響。Starlink星座的軌道高度在550公里、1110公里和340公里，而其中的550公里軌道正處於這次解體碎片影響最嚴重的區域之一。
而Starlink採用一箭多星發射，衛星從低軌靠電推進緩慢爬升進入目標軌道的模式，也決定了Starlink星座從發射到爬升到目標軌道全過程都會受到這次解體事件的影響。
“宇宙-1408”衛星的解體已成定局，其帶來的影響我們必須正視面對。或許在未來的某一天，我們可以擁有更高效的空間碎片防護、減緩和清除的方法，給航天員的探索工作提供更加安全的環境。
參考文獻：
[1]Leolabs，Analysis of the Cosmos1408 Breakup，（https：//leolabs-space.medium.com/analysis-of-the-cosmos-1408-breakup-71b32de5641f）；
[2]“國際航天愛好者”微信公眾號，“俄羅斯進行反衛試驗，產生上萬空間碎片，空間站紅色預警”（https：//mp.weixin.qq.com/s/DqpqIsBeCPDznFIegdm-Zg）。
出品：科普中國
製作：李明濤（中國科學院國家空間科學中心）
監製：中國科學院計算機網路資訊中心
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