編者按："浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索"，為此，中科院之聲與中國科學院國家空間科學中心聯合開設“Calling太空”科普專欄，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學和航天相關的知識。
1957年10月4日人類第一顆人造衛星Sputnik-1進入太空，四年後的1961年第116顆空間目標——美國Transit-4A進入軌道77分鐘後，625公斤的THOR ABLESTAR火箭末級發生爆炸，至少解體成298個可跟蹤的碎片，60年後的今天仍有193顆在軌。爆炸一聲響，揭開了空間碎片快速增長的序幕。此後，在軌解體事件成為空間碎片的最主要來源。
1977年凱瑟勒等人預計，比起天然流星體，人為產生的碎片很快會對低地球軌道衛星產生更大的威脅。深入研究後，1990年凱瑟勒發表《碰撞級聯效應：低地球軌道碎片數量極限》一文，講述空間碎片的增長，最初由航天器的碰撞，最終是碎片間的碰撞。這種碰撞的級聯效應是無法阻止的。
編目空間目標通常是指目標尺寸大於等於10釐米，處於監測裝置探測能力範圍內，可以穩定跟蹤，並週期性軌道更新的空間目標。據美國空間監視網公佈的資料，編目的空間目標在軌數量，達到第一個1萬顆用了50年，至2007年在軌空間目標數量已達10000顆。達到第二個1萬顆僅用了10年多一點，至2020年在軌空間目標數量已超過20000顆。截至2021年11月，美國空間監視網公佈的編目目標數量已經接近24000顆。碎片多了，雪崩效應還遠嗎？
前情提要，事發始末
2021年11月15日，在一次測試中一顆衛星解體，導致300~1100km地球軌道上產生大量太空垃圾。考慮到此次突發事件潛在的碰撞威脅，國際空間站上的宇航員進入返回艙避險。
這裡我們只關心此次解體事件對空間碎片環境的影響。
母體檔案
該衛星重量約2200千克，設計壽命為6個月，雷達截面積8.45平米。解體前的近地點高度465km，遠地點高度490km。上述資訊是我們模擬計算解體特徵資訊的輸入。
解體資訊
透過解體模型估計此次解體事件產生79134顆1cm以上解體碎片，獲取了軌道模擬資料、物理特徵資料（尺寸、質量、面積質量比、數量等）。
由於解體碎片在解體瞬間獲取的速度增量、面積質量比的差異，在半個軌道週期內，解體碎片快速分散開，如下圖所示。
解體碎片軌道分佈圖
統計發現尺寸在1~10釐米之間的解體碎片數量佔比98.1%，尺寸在10釐米以上的解體碎片1495顆，佔比1.9%。
一般航天器面積質量比在1/1000上下浮動，即1平米截面積，重量1噸。但解體碎片普遍具有大面積質量比的特徵，從下面的解體特徵分佈直方圖可以看出，絕大多數解體碎片面積質量比分佈在0.1之上，這為解體碎片的快速隕落奠定了物理基礎。
解體碎片物理特徵分佈圖
解體碎片軌道壽命與環評
基於模擬獲取的解體碎片軌道、面質比資訊，結合軌道大氣密度變化，我們對尺寸1cm以上的解體碎片軌道壽命進行了計算，壽命分佈如直方圖所示。
軌道壽命分佈直方圖
此次解體事件中98.35%的解體碎片軌道壽命小於5年，僅有少量解體碎片軌道壽命超過100年。透過對軌道壽命小於5年的解體碎片壽命進行細分統計，可以發現軌道壽命在6個月以內的解體碎片佔比93.266%，壽命6~12個月的解體碎片佔比2.870%。
綜合考量，短期來看，此次解體事件產生的解體碎片，在半年內對高度400km上下的低地球軌道航天器的安全執行具有較大風險，且解體碎片多屬於“闇弱小”目標，無法準確監測預警，建議半年內空間站宇航員減少艙外活動。長期來看，此次解體事件對人類航天活動不構成根本性威脅。
來源：中國科學院國家空間科學中心
