文|翎谕

编辑|翎谕

随着太空科技的迅速发展和商业太空探索的兴起，大型星座（Large Constellations，LC）已经成为近地轨道（Low Earth Orbit，LEO）中的一种常见现象。

这些庞大的卫星网络对通信、导航和遥感等领域提供了巨大的便利，但同时也带来了一系列复杂的问题，其中之一就是 LC 爆炸对近地轨道环境的潜在影响。

在这篇文章中，我们将深入探讨大型星座爆炸对近地轨道环境的影响以及可能的预防措施。通过利用近地轨道空间碎片环境演化模型（NEODEEM），我们能够对这一问题进行深入研究和分析。

大型星座爆炸对近地轨道环境的影响及预防措施

由于其庞大的卫星数量，大型星座（LC）极大地影响了LEO中的其他物体，多项研究揭示了LC在LEO任务中在不同操作场景下的影响。

本研究利用近地轨道空间碎片环境演化模型（NEODEEM）评估了LC爆炸对短期和长期环境的影响。

虽然在LC模拟中设定任务场景和分析条件很重要，但由于组合繁多，很难考虑所有操作场景。

本研究重点评估了LC爆炸的影响，集中考虑了爆炸的数量、轨道高度和爆炸的比例因子。

本研究使用了由九州大学和JAXA开发的近地轨道碎片环境演化模型（NEODEEM），以预测近地轨道中的环境变化。

NEODEEM传播了所有大于10厘米的轨道物体，并考虑了诸如重力势（四阶和四阶）、太阳和月球的引力、太阳辐射压力以及大气阻力等扰动因素。

它通过考虑每个物体的误差球来计算两个物体的碰撞概率，当误差球重叠时，可能发生碰撞。

当两个物体直径分别为d1和d2时，在计算碰撞概率后，随机数生成器决定是否会发生碰撞，当发生碰撞时，NEODEEM根据NASA标准破裂模型计算碰撞碎片。

对于NEODEEM每年评估爆炸现象，假设当随机数小于每个航天器爆炸概率时发生爆炸，根据NASA标准破裂模型，生成大于10厘米的碎片。

爆炸概率设定为0.001，由于NEODEEM使用随机数生成器，进行了100次蒙特卡洛模拟的平均值。

近地轨道卫星星座爆炸对环境的长期影响模拟与分析

在这项研究中，已经部署在轨道上的LCs，已经被排除在初始人口之外，本模拟假定PMD成功率为90％，偶然碰撞，并重复最近8年的发射。

未来未假定背景物体发生爆炸，尽管近年来发生了几次爆炸。即使在这种乐观的假设下，由于物体之间的相互碰撞和低大气阻力，特别是在900公里以上的高度，总物体数量仍将增加。

对于每个高度带中的累积碰撞概率，累积碰撞概率是通过对每个高度带内每对物体之间的碰撞概率进行积分计算的。

由于在2021年，在海拔700-800公里和800-900公里的高度附近发生了多次碰撞和爆炸，因此这两个高度带内的物体数量和碰撞概率较高。

对LC的爆炸评估，本研究评估了LC的爆炸对环境的影响，假设在LC任务期间会持续发生爆炸，并讨论了爆炸卫星数量、高度和爆炸因子的扩展程度对环境的影响。

本研究假设操作星座卫星在避碰和PMD成功方面具有100%的可靠性，即它们在解轨之前不会与其他物体碰撞。

模拟中每年爆炸的卫星数量设定为1、4和8。如果爆炸的概率为0.001，卫星的寿命为五年，则操作星座卫星的数量分别对应5000、20000和40000。

最后显示了LEO中大于10厘米的总有效物体数量，爆炸发生在950公里的高度，缩放因子固定为1，碎片数量的增加与爆炸数量成正比。

由于在星座的任务期间每年都会发生爆炸，碎片从2021年到2030年逐渐增多，然而由于大气阻力的作用，碎片数量在2030年后开始减少。

经过100年，与爆炸相关的碎片中大约有60%仍然留在轨道上，显示了每个高度带中大于10厘米的相对有效物体数量。

碎片主要分布在900-1000公里的高度带，尽管有些碎片分散到相邻的高度，在100年内，有40%的碎片衰变了，而具有较小面积质量比的碎片仍然停留在轨道上。

从2030年到2080年，在600公里以下的大于10厘米的相对有效物体数量将与爆炸数量成比例增加。

这是因为来自950公里高度星座卫星爆炸产生的碎片在衰变时经过了这个区域，然而在2080年后，无论在哪种情况下，600公里以下的大于10厘米的相对有效物体数量都会稳定在1.5倍左右。

由于高于600公里的轨道上的物体会因大气阻力而继续离开轨道，所以在400-600公里高度的物体数量（不包括LC爆炸的碎片）将增长50%。

在900-1000公里高度范围内，大于10厘米的相对有效物体数量与400-600公里高度范围内的相同，然而它们的影响并不可忽视。

对于每年发生一次爆炸的相对共轨数量，LEO中的总共轨数量将比2021年多1.4倍，相对于共轨数量的增长/减少率。

共轨数量的最大增长出现在500-600公里高度范围，到2121年将增加17%，然而900-1000公里高度范围的增长与500-600公里的增长非常接近，到2121年将增加16%。

即使爆炸数量很少，碰撞风险也会增加，每年发生一次爆炸的相对共轨数量，总线表示LEO中的共轨数量相对于2021年的变化情况。

太空中卫星星座爆炸对近地轨道环境的影响分析

太空中每年爆炸的卫星数量为8，从2026年起，在所有情况下，增长率将会增加，这是由于太阳活动的影响。

随着太阳活动减弱，大气密度降低，使得轨道物体更难衰减，这在550公里爆炸案例中非常显著。爆炸高度越高，轨道中累积的碎片就越多。

当在1250公里高度连续爆炸时，爆炸产生的碎片中超过90%在100年后仍然保持在轨道上，然而，当爆炸发生在550公里时，大多数碎片在10多年内衰减。

这取决于大气阻力的大小，爆炸高度分别为1250公里和550公里的大于10厘米物体的相对有效数量。

在这个高度范围内，物体数量本来就很少，所以这个高度的物体数量的相对增加是非常快的，在这个高度，大气阻力不会进行自我清理，所以爆炸的影响将会持续100多年。

在低于1000公里高度的物体中，大于10厘米物体的相对有效数量没有显示出明显的变化，这个结果表明，高度较高的爆炸不会影响较低的高度。

当爆炸发生在550公里时，对轨道没有明显的长期影响，然而一些碎片在轨道上保持了100多年，因为这些碎片的轨道由于爆炸时的轨道速度增加而产生了高离心率。

短期内，围绕爆炸高度的物体数量急剧增加，即使低轨道中的碎片很快衰减，碰撞风险的增加也不可忽视。

本研究使用了碎片演化模型来评估LC的爆炸对环境的影响，通过改变爆炸卫星的数量、高度和缩放因子，研究了短期和长期效应。

对于LC来说，仅满足爆炸概率小于0.001的要求是不够的，如果由成千上万颗卫星组成的LC具有这样的爆炸概率，那么在LC运行期间可能每年都会发生几次爆炸，而且这种情况将持续下去。

这种连续爆炸将增加爆炸高度周围的碰撞风险，其影响将与爆炸数量成正比，当每年有八颗卫星在海拔950公里处爆炸时，大于10厘米的有效物体数量和900-1000公里处的碰撞概率最多会比2021年大八倍。

即使100年后，它们仍将比2021年多四倍，邻近高度的碰撞风险也会增加约两倍，即使在连续爆炸的情况下，每年只有一次爆炸也会对LEO环境产生长期影响。

在较低的高度，由于大气阻力的自洁作用，没有显著的长期影响，然而一些碎片由于在爆炸发生时轨道速度增加，其离心率较高，因此在轨道上保持了100多年。

短期内，与大于10厘米的物体碰撞的风险增加，如果每年有八颗位于550公里高度的卫星爆炸，那么400-600公里范围内的碰撞概率和交会次数将比2021年多三倍。

即使影响是短期的，增加的运行负荷，如避碰，也是一个重要的影响因素，有潜力终止任务的小型碎片也是一个重要问题。

在较高的高度，由于碎片的积累，星座爆炸的影响是长期的，截至2021年，1000公里以上高度区域的人口并不多。

由于现有物体之间的相互碰撞和低大气阻力，预计在没有星座的情况下，大于10厘米的有效物体数量将增加。

对于防止人口急剧增加，LC的宽松爆炸概率是不可接受的，爆炸的概率应该通过一系列基于LC的卫星数量和运行轨道的模拟来仔细确定。

近地轨道环境的可持续性对于太空探索至关重要，而大型星座的存在和操作对这一环境产生了显著的影响。

本研究结果强调了管理LC的卫星爆炸概率的重要性，以确保环境的稳定性，我们必须采取预防措施，改进卫星设计和操作，以减少意外爆炸的概率，并密切监测碎片。