每日动态!近地轨道空间是个“大宝藏”

2022-06-20 06:11:28 来源：科普中国

不久前，神舟十四号载人飞船顺利升空后，3名航天员将在轨进行天和核心舱与“梦天”“问天”两大实验舱的对接工作，完成中国天宫空间站的全面建设任务。这不仅意味着中国人在太空中有了一个稳定的“家”，也意味着我们对太空资源，尤其是近地轨道资源的开发进入了新阶段。那么太空资源都有哪些呢？

近地轨道是人类开发强度最大和收获最多的空间资源

资源宝贵利用大

(相关资料图)

人类文明发展史就是对资源的探索开发史。石器时代、青铜时代、铁器时代、蒸汽时代直到信息时代，人类对地球资源的利用能力在快速扩展。而过去人类发展所依赖的所有资源都是有限的，都局限于地球这个小小的岩质行星上。

对于目前的太空时代来说，人类面对的资源是无限的。例如，宇宙中有至少有万亿个像太阳级别的恒星，而即便微不足道的太阳，它十亿分之一的辐射能量就造就了地球上所有的已知生命。

太阳孕育了地球生命

不过，以现有的人类航天技术去开发遥远的恒星际空间还是遥远的梦想。人类只能从眼前的第一步开始，尤其是距离地球200-2000公里的近地轨道空间。这里是地球与广袤太空的交界，既拥有太空的特点，又相对容易开发，因而成为了载人航天和绝大部分航天器的首选轨道。

一旦进入近地轨道，仅需极少推进剂即可维持稳定的绕地轨道，航天器也处于稳定的失重状态。这是在地球上几乎无法长期维持的完美实验环境。例如，水滴在太空中容易自然形成完美的球体，生物生长和运动不受重力干扰，飞船表面即使处于特殊的太空辐射环境，都能成为高科技实验的平台。

在太空中，航天器所受到的地球大气、磁场和电离层影响大幅低于地球表面。例如，当太空望远镜进入宇宙空间后，可以观察到几乎所有波段的电磁波。在地球上，受地磁场/电离层屏蔽、气象条件干扰、人类光/电磁污染等影响，大部分电磁波段都是无法抵达的。

部署在太空的望远镜几乎重塑了人类天文学

在航天时代，大放异彩的“哈勃”“施皮茨”“赫歇尔”等太空望远镜几乎重塑了人类天文学。

另外，近地轨道距离地球更近、轨道速度更快、轨道周期更短。在近地轨道部署遥感卫星不仅能获得更清晰的观测信息，还能更快遍访全球，组网后还能成为完美的“天网”，意义极大。

因此，如果说地球是人类的摇篮，那么近地轨道就是人类的第一个“学步车”。

种类丰富多样化

近地轨道是载人航天的最佳选择，如果轨道太低，稀薄空气会缓慢降低飞船、空间站运行的轨道，导致维持空间站稳定轨道的成本过高，需要自身携带的推进系统频繁工作或利用高频率的货运飞船等推高轨道。如果运行轨道太高，地球电离层和磁场庇护更少，容易受到异常宇宙辐射的威胁，且补给难度大幅提升。

近地轨道赋予了卫星广阔的空间

载人航天器通常选择运行在40-50度倾角的轨道上，也是好处较多。这里既可以保证覆盖地球中低纬度人口密集区域，也容易实现测控支持；可以更好利用地球自转的惯性，提高发射效率。例如，在中国进入空间站时代后，除了传统的酒泉卫星发射中心，由于配套设施优势继续用于载人发射外，后续的空间站建设和货运飞船任务都选择了纬度更低的文昌航天发射场。

太阳同步轨道是另一种宝贵的空间资源。地球并非完美的球体，这个椭球的扁率导致卫星轨道倾角会缓慢变化。如果通过设计轨道让倾角本身受地球引力的影响与地球围绕太阳自然进动保持一致，那航天器路过地球上某一地点时的当地时间就基本固定下来。例如，航天器每次穿过赤道某一点时，都是当地时间的下午两点钟。因而，这种轨道得名太阳同步轨道，高度为600-800公里，轨道倾角约98度。

太阳同步轨道航天器飞过某地时总是有稳定的照明环境，这对光学遥感、气象探测和资源勘探等卫星的意义极大，能够稳定反复遍访以获取最有价值的信息。如果更精细设计轨道，让航天器永远沿着地球晨昏线运动，可实现雷达干涉等非常耗费能量的对地观测，也可用于长期稳定的太阳观测。

以上两大主导轨道，占据了近地轨道资源开发的绝对优势。

此外，还有一些轨道是在此基础上的特殊应用，如极地轨道会稳定经过两极上空，在地球自转的效应下，可以实现对地球的无死角覆盖。赤道上空等低倾角的轨道能覆盖地球上人口最为稠密的区域，商业价值更高。

开发显现加速度

近地轨道，一直是人类开发强度最大和收获最多的空间资源。无论是礼炮系列、和平号、天空实验室、航天飞机、国际空间站和天宫空间站等人类重大载人航天工程，还是各类气象、遥感、地学和天文学等卫星，都将近地轨道作为首选目的地。但是，随着低轨互联网通信等卫星的大量发射，近地空间开始变得越来越拥挤。

以美国SpaceX公司在建设的星链卫星星座为例，凭借可复用猎鹰9火箭的技术和成本优势，星链卫星正在快速占据近地空间轨道资源。如果再综合考虑一网、亚马逊、空客、三星等企业推出的庞大低轨卫星星座，这意味着仅在低轨道范围，全球就将在未来10-20年内发射数万颗卫星，远远超过此前60年内的卫星积累，而这仅是卫星互联网一个领域。

表面来看，近地轨道资源几乎是无穷的，对于现有的人类航天器数量级而言，依然“空旷无比”，但太空也是充满风险的，近地轨道上的每个航天器都在以超过7公里/秒的速度运动，这几乎是高速公路120公里/小时限速的200多倍。

在这种情况下，任一物体的动能极大，破坏力惊人。因此，运行中的航天器可能存在诸多偶发风险。一旦发生航天器之间或与空间碎片碰撞，太空碎片数量更会骤然增加，如果不加以控制而放任太空垃圾随意增长，在可以想象的将来，地球将被太空垃圾所覆盖，因此，人类必须想办法保持近地轨道环境的清洁。

大量太空碎片和现役航天器挤在一起，很容易发生碰撞

最好的解决方案是治本。一方面，从一开始就杜绝卫星成为太空垃圾的可能。在卫星和火箭设计时留有一定余量，让它们携带足够的推进剂，在卫星接近寿命时，采用最后的动力脱离轨道重返大气层焚毁。另一方面，世界各国要统一制定太空交通规则，防止潜在的碰撞风险，共同和平开发太空资源。

关键词：近地轨道太阳同步轨道太空垃圾