“墨子号”卫星空间安全评估

蒋虎,邓雷,余金培

(1.中国科学院微小卫星创新研究院,上海201203;2.上海微小卫星工程中心,上海 201203)

0 引 言

量子科学实验卫星(简称“墨子号”卫星),于北京时间2016年8月16日1时40分,在酒泉用长征二号丁运载火箭成功发射升空．2017年1月18日,中国发射的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”卫星圆满完成了4个月的在轨测试任务,正式交付用户单位使用[1]．2017年8月10日,“墨子号”卫星圆满完成三大科学实验任务:量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态．这些成果分别在《科学》、《自然》上发表[2-4]．量子卫星团队与奥地利科学院Anton Zeilinger研究组合作,利用“墨子号”卫星量子科学实验卫星,在中国和奥地利之间首次实现距离达7 600 km的洲际量子密钥分发,并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信．相关成果以封面论文的形式发表在2018年1月19日出版的《物理评论快报》上[5]．量子卫星团队与美国加州理工学院、澳大利亚昆士兰大学等单位的人员合作,利用“墨子号”卫星量子科学实验卫星对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型进行了实验检验．2019年9月19日,《科学》杂志以“First Release”形式在线发布了该重要研究成果[6]．“墨子号”卫星量子科学实验卫星洲际量子密钥分发成果入选美国物理学会2018年度国际物理学十大进展．2019年1月31日, “墨子号”卫星量子科学实验卫星科研团队被美国科学促进会授予2018年度克利夫兰奖(Newcomb Cleveland Prize),以表彰该团队通过实现千千米级星地双向量子纠缠分发推动大尺度量子通信实验研究做出的卓越贡献[7]．2020年,“墨子号”卫星已经超过了设计寿命(在轨交付后2年),进入了超期服役的第二年．“墨子号”卫星依然在进行一些拓展实验,包括与国际科研机构的联合实验等．因此,“墨子号”卫星的空间安全问题是值得量子卫星团队十分关注的方面之一．本文就该卫星与空间碎片或空间目标的遭遇概率进行了评估分析,以供国内卫星运行相关方参考．

1 空间碎片安全性相关重要参数仿真

基于国际公开网站提供的空间碎片或空间目标数据库[8],利用“墨子号”卫星的轨道数据,对2020年3月17日-3月24日,“墨子号”最可能遭遇的空间碎片进行了仿真计算分析．“墨子号”卫星最可能遭遇的空间碎片或空间目标识别结果如表1所示．

表1 最可能与“墨子号”卫星遭遇的空间碎片或空间目标识别情况

图1 “墨子号”卫星与空间碎片/空间目标碰撞概率

从仿真数据看,如图1所示，序号1～10的空间碎片或目标与“墨子号”卫星发生碰撞的概率分别为:1.3×10-6、6.18×10-7、5.64×10-7、4.82×10-7、4.76×10-7、2.84×10-7、2.69×10-7、2.53×10-7、2.32×10-7、1.34×10-7．这些最接近“墨子号”卫星的空间碎片或空间目标与卫星发生碰撞的概率不超过百万分之二．

图2 “墨子号”卫星与空间碎片/空间目标 相互接近的距离

从相互接近的相对距离仿真数据看,如图2所示，序号1～10的空间碎片或目标与“墨子号”卫星最接近的距离范围为:1.197 ～3.732 km．对空间飞行器而言,这个范围内的接近距离已经属于十分危险的遭遇距离了．

图3 “墨子号”卫星与空间碎片/空间目标 相互接近的相对速度

从相互接近的相对速度仿真数据看,如图3所示，序号1～10的空间碎片或目标与“墨子号”卫星最接近的距离范围为:11.017 ～14.866 km/s．空间碎片或空间目标以超过第一宇宙速度(7.9 km/s)的相对速度向“墨子号”卫星靠近,这对“墨子号”卫星而言是一个极大的空间安全隐患．

2 结 论

“墨子号”卫星与空间碎片/空间目标的空间安全评估分析情况来看,“墨子号”卫星与空间碎片/空间目标发生相互碰撞的概率不超过2×10-6．可见,“墨子号”卫星在空间运行仍然是相对安全的,不至于影响“墨子号”卫星继续开展延寿期的拓展实验活动．不过,随着近年来空间碎片/空间目标有加速增加的趋势,这为空间飞行器安全运行构成了显著的现实威胁,需要加强国内外航天领域顶层设计机构之间的有效协调．