一队研究人员坐在电脑前,调出地月间的一条特殊轨道数据,模拟了一次发生在那里的碰撞——碎片四散的方向、速度和最终分布,慢慢在屏幕上浮现出来。结果让他们皱起了眉头:这些碎片并不会乖乖飘走,而是会在相当长的时间里反复穿越人类计划中未来登月飞船会频繁使用的区域。
这个场景出自中国科学院(CAS)团队近期发表的一篇论文。和我们常听到的近地轨道太空垃圾问题不同,这次他们把目光投向了更远、也更安静的地方——地球和月球之间的广阔空间,也就是“地月空间”。研究聚焦于一种叫“远距离逆行轨道”(DRO)上的物体,一旦发生碰撞解体,碎片云会如何扩散,又会给未来几年打算扎堆去月球的各路探测器、着陆器和飞船带来多大的麻烦。
这篇文章读下来,有一种很强烈的感觉:各大航天机构正忙着在月球周围“盖房子”“修路”,但似乎还没来得及认真想一想,万一这条路上出现交通事故,碎片会把整片社区搞成什么样子。中科院团队给出的答案,比很多人设想的更棘手。
在展开说这项研究之前,先得回答一个问题:月球周围到底有什么值得紧张的?曾经那里是个冷清的地方,但现在不是了。这里用了原文的一句话来概括就够了——“地月空间已经成为巨大关注和战略规划的焦点”,原因很简单,未来十年里,一大批载人和无人任务都瞄准了月球。
把这些任务名单列出来,会直观得多。美国这边,有NASA的“阿尔忒弥斯”计划,目标直指载人重返月球;中国和俄罗斯共同推进的国际月球科研站(ILRS),也是载人加基建的组合;欧洲空间局拿出了自己的“阿尔戈”月球货运计划;此外还有印度的月船二号、三号轨道器,韩国的“丹努里”轨道器,以色列的“创世纪”着陆器,日本的“白兔-R”任务,一长串。而让整个交通密度再上一个台阶的,是已经在轨验证的技术节点:NASA的CAPSTONE探测器在2022年6月发射,同年11月成功进入月球附近的近直线晕轨道,这是未来空间站选址的一种候选轨道;中国的嫦娥系列任务更是连续多次抵达月球;更早的,还有“龙江二号”这样的小型绕月卫星。
如果用一个不太恰当的比喻,这就像一片原本只有几条小路的海域,突然冒出了多条航线,而且不久后这里还要建码头、盖基地。到2030年左右,NASA和中国的航天员(或者叫“太空人”)都将踏上月面,接着就是扩建永久设施。对中方来说,这意味着国际月球科研站不只有月面部分,还可能包含轨道舱段;而对NASA来说,虽曾计划在月球轨道部署“门户”空间站,但目前的重心也转向了月表基础设施和永久性基地。可以想见,在月面和轨道之间来回运送人员和物资的着陆器和上升飞行器(LAV),其起降次数和飞行密度,将比以往任何一条地外航线都更繁忙。
这些航天器都要穿过地月空间,而这里并不像肉眼看到的那么干净。事实上,地月空间和月球轨道附近已经存在不少碎片。这些碎片有的来自任务结束后的火箭上面级,有的来自已退役或被遗弃的航天器,还有的是任务过程中的分离部件。原文提醒了一个容易被忽视的风险:这些碎片不仅会直接威胁正在执行任务的航天器,更可怕的是,一旦发生碰撞,会导致解体,产生更多碎片,再增大碰撞概率——这就是低地球轨道上被反复讨论的“凯斯勒效应”。在地月空间里,同样的事情也可能上演。
很多人对凯斯勒效应已经没有耐心细听,但请允许我用最简单的方式重述一遍:当轨道上物体密度超过某个临界值,一次碰撞产生的碎片会撞击其他物体,引发链式反应,最终让整个轨道区域遍布高速飞行的碎片,长时间无法使用。在地球低轨道,大家关心的是星链卫星和国际空间站的安全;换个场景,在地月空间,它威胁的就是我们花巨资打造的月球基地和整个探月经济。你总不希望月球轨道变成一片“雷区”,每次载人飞船起飞前,都要祈祷今天运气好、别撞上碎片。
中科院团队做的,正是评估这种风险在地月系统的特定轨道上会如何演变。他们选定的“远距离逆行轨道”(DRO),值得多解释两句。这个名字听起来有点拗口,但它的特点其实很讨巧:当一个物体处于DRO上时,从月球上看,它是在绕月球逆行(和月球绕地球的方向相反),而且距离足够远,轨道非常稳定。正是因为这种稳定性,DRO被很多任务设计师看中,计划用它来部署中转站、燃料库或者轨道设施。中科院团队并非空想,这种轨道上本来就有物体运行,因此碰撞不是纯假设。
研究团队模型化的场景是:如果DRO上的两个物体发生碰撞,产生的碎片云会怎样随着时间扩散。他们追踪了碎片群在地球和月球引力共同作用下的分布规律。结果发现,这些碎片并不会老老实实待在DRO附近,而是会渐渐弥散到整个地月空间,其中相当一部分会侵入其它常规任务轨道,比如那些通向月面的转移轨道、绕月极轨道等。通俗点说,原本可能只局限在一条“郊区公路”上的事故,散落的零件却滚进了城市主干道,还赖在路面上很久不消失。
这个“很久”不是十天半月,而是以年甚至几十年来计。地月空间缺乏地球低轨那种稀薄大气拖曳使碎片轨道衰减的机制,碎片清理几乎只能被动等待引力的缓慢作用。这才是真正让人后背发凉的地方——即便我们从明天起停止一切月球任务,已经在那里的碎片也会在未来数十年里持续构成威胁。更何况,我们还打算在接下来几年里再往那边送上几十上百个航天器。
若细品原文中一系列已有和计划中的任务名单,便不难看出一种潜在的结构性矛盾:一边是各国争相登月,一边是地月空间交通管理几乎是空白。国际空间站有碎片规避机动流程,卫星运营商之间有联合碰撞预警数据共享,但在月球周围,这种协调机制还在襁褓中。中科院团队的研究正是朝着填补这个缺口的方向努力:他们希望通过对碎片演化规律的定量分析,为未来的任务制定安全指南和减缓措施提供依据。
用原文里克制而准确的表述来收住这段话:这项研究“提供了地月系统内碎片演化的见解,可能导致未来前往月球的飞行任务的安全指南和减缓策略”。这恰恰是科学家说话的典型方式——不夸张,却说出了事情的紧迫性。因为如果你不现在开始弄明白碎片会怎么跑,等到一趟趟载人航班真正开通了,再临时抱佛脚,代价可就太大了。
那么,这件事对我们普通人意味着什么?也许最直接的感受是,月球探索并没有想象中那样浪漫和秩序井然。一群人兴奋地画着月球基地的图纸,另一群人却不得不像清理办公室火灾隐患一样,计算碎片的轨道、提醒大家注意避障。这两拨人之间的信息鸿沟,某种意义上比技术难题本身更值得警惕。好在,现在这方面的研究正在浮出水面,至少让“清理”和“预防”这两个词能出现在任务规划的早期阶段,而不是在出事后才想起来。
当然,这项研究也有它的边界。原文没有给出具体的碎片数量或碰撞概率数值,因此我们也不必编造“百分之多少的风险”去吓人。它也没有预测必定发生碰撞,而是在告诉我们:如果发生了,后果的波及范围可能比过去设想的更广、持续时间更长。这就足够让人认真对待了。
最后不妨用一个生活化的小类比来收尾:准备在地月之间搭建一个大型国际交通枢纽,但大家好像都对枢纽附近遗落的一堆零件视而不见。中科院的研究人员拿着测速仪和轨迹分析软件站在旁边,喊了一声:“哎,这些东西会滑到航站楼门口去,先想好怎么收拾吧。” 这句话的音量也许不大,但所有准备买票登船的人,最好都该听见。
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