您当前的位置: 首页 >  博客资讯

星链卫星恶意接近,中国空间站能用机械臂捕捉它?

2021年间美国SpaceX公司(以下称“空X”)的星链卫星多次侵入中国天宫空间站轨道,为保证空间站内工作的三名航天员生命安全,中方不得不调整轨道高度,紧急避碰。

星链卫星到底是怎么接近中国空间站的?相遇时它们的相对速度是多少?如果二者发生碰撞会产生什么后果?

马斯克有一个“雄心勃勃”的计划,他要向太空发射42000颗卫星,用这些卫星组成覆盖全球的高速互联网,这就是“星链计划”(Starlink)。截至2021年底,在轨运行的星链卫星共有1775颗,另有169颗坠毁。

星链是马斯克的太空之网

2020年1月7日,空X公司向550公里高的近地轨道发射了60颗星链卫星(V1.0-L2批),很快,这批卫星中的12颗陆续“出现问题”。好在星链卫星都自带小发动机,可以自行调整轨道,为了不让报废的卫星占用宝贵的轨道资源,空X操控这些卫星陆续下降轨道,坠入大气层。

第L2批卫星中的S-1095号下降轨迹

有意思的是,V1.0-L2批中的几颗卫星向下穿过400公里国际空间站轨道后,在下方375公里高度做了短暂“停留”,这个高度刚好是中国空间站轨道,其中S-1095号卫星更是在这个高度两次向上机动,危险接近天宫空间站。为了避免与S-1095发生碰撞,天宫空间站被迫在7月1号做出轨道调整。

有朋友说,既然星链卫星跟空间站处在同一样轨道高度,说明它们的速度都是7.68公里/秒,就好比高速公路上并排前行的两辆汽车,大家都是100公里/小时,各行各的道,怎么会相撞?

星链运动轨迹

卫星绕着地球飞,它跟地面的汽车不是一个概念。根据任务不同,每一种航天器都有特定的轨道高度,同时还有自己的轨道倾角――航天器大多是斜着绕地球飞行的。中国空间站的轨道倾角是41.58°,而星链卫星的倾角则是53°,这样,当星链卫星下降到空间站高度时,由于飞行角度不同,它们之间会有一个相互接近的撞击速度。

天宫空间站与星链卫星存在两种撞击可能

我们看神舟飞船、天舟货运飞船与天宫空间站交会对接,画面中两个航天器靠得非常近、速度非常慢。这是因为飞船在发射时就选择了与空间站几乎相同的轨道面,通过精确变轨,它们的接近角度极小,这样才能保证相互之间接近的速度非常小。

因为大家的飞行速度都是7.68公里/秒,但轨道倾角不同,当星链卫星与天宫空间站同向以11.42°角相遇时(上图左),它们会以1.44公里/秒的速度发生碰撞;而当星链卫星是从另一个方向与天宫相遇(上图右),二者的撞击角度为94.58°,撞击速度达到11.27公里/秒(33倍音速)!

AK47步枪子弹出膛的速度大约是710米/秒,即使星链卫星以小角度与天宫空间站接近,它们之间的相对速度也超过步枪子弹的两倍!

不说33倍音速了,你能想象用机械手抓住一颗以4倍音速飞过来的子弹吗?

天宫空间站配备的机械臂非常神奇,它的长度大约10米,能抓住并移动25吨重的物体。航天员出舱活动时还能站在机械臂上进行大范围快速移动,这极大提高了舱外工作效率。曾经有外国影片描绘中国空间站移动到美国卫星旁边,用机械臂“剪掉”卫星的太阳能帆板,于是快乐的网友们误以为咱们天宫空间站真有一双“剪刀手”,可以抓住外国卫星修理一番再扔掉。

空间站的“剪刀手”

到目前为止,所有机械臂都没有“手”,它两端安装的叫“末端执行器”,通过扭转三根钢丝来卡住飞船“目标适配器”上的钉梢往回拉,最后用卡爪锁紧,从而达到“抓”的效果。

末端执行器通过钢丝来“抓”目标

为了被机械臂“抓住”,飞船或卫星上需要安装特定的“目标适配器”,否则你纵使有三头六臂也无可奈何。

我们空间站天和号核心舱外边就安装了若干个目标适配器,机械臂能通过这些适配器实现自主“爬行”,同时,在天舟二号货运飞船外边也有一个适配器,它会被用来做转位对接实验。“问天”和“梦天”号实验舱外边同样也会安装适配器,以方便机械臂全站到达。

飞船上需要有这个装置才能被“抓”

现在你应该知道了:并不是你有机械臂就什么都可以“抓”,还得人家装了一个与你相对应的装置,这样才能握得住、抓得牢。

太空抓卫星的另一个条件是相对静止,至少机械臂与目标之间的相对速度很小,这样才方便瞄准。要是彼此之间的相对速度很快,机械臂不可能对准目标适配器中心的钉梢,很容易造成飞行器损坏。

国际空间站机械臂抓取货运飞船(快放)

星链卫星在设计时就没打算让国际空间站抓取,所以它的表面没有安装目标适配器。即便我们用机械臂强行去抓它,它的冲击能量也会瞬间折断机械臂甚至摧毁航天器。

一颗星链卫星的质量为260千克,按照动能定理,当它以1.44千米/秒的速度撞击,所产生的撞击能量达270兆焦耳;而当撞击速度为11.27千米/秒,它将释放出16512兆焦耳的能量。这是个什么概念呢?我们假设一辆2吨重的轿车以100公里/小时的速度撞墙,计算出它释放的能量大约是0.77兆焦耳,星链卫星的撞击能量分别是汽车事故的350倍和21389倍!

现在你应该了解到星链卫星在太空中接近中国空间站是多么可怕了吧,即使两个航天器以最小的角度相撞,空间站都不可避免地被完全摧毁,航天员不可能有逃生的时间。由于相对速度太快,那种“用太空机械手捕捉”卫星的想法无疑是浪漫且不切合实际的。