实践卫星的"碰撞"：一次空间交汇对接技术验证

今年6月15日，我国在酒泉发射中心使用长征二号丁运载火箭成功发射了实践十二号（SJ-12）试验卫星。实践系列卫星在历史上一直承担着空间科学试验和卫星新技术试验的任务。对于实践十二号卫星的用途，新华社在发射成功后报道，“实践十二号卫星是由中国航天科技集团公司所属上海航天技术研究院为主研制。卫星主要用于开展空间环境探测、星间测量和通信等科学与技术实验。”无独有偶，当天还有一次航天发射，俄罗斯第聂伯运载火箭将用于低成本编队飞行与交会技术验证的瑞典Prisma卫星发射升空。
俄航天爱好者发现两颗中国卫星发生“碰撞”
众所周知，我国在航天方面的信息公开不多，虽然航天发射已经全面公开，但是在轨卫星的情况，很多时候都要靠外国媒体来了解。实践十二号卫星发射后，从北美防空司令部发布的轨道TLE数据来看（Two-Line Orbital Element，两行式轨道数据系统，又称为卫星星历；航天爱好者大多根据TLE数据来对卫星进行跟踪），并没有什么明显的机动。但到了8月14日，热心的俄罗斯航天爱好者Liss公布了他的跟踪记录，发现实践十二号卫星进行了一系列机动，明显接近了2008年发射的实践六号03A（SJ-6-03A）空间环境探测卫星。
这个发现提起了大家的兴趣，根据历史轨道TLE(北美防空司令部)数据的模拟，6月15日发射升空时实践十二号卫星轨道比SJ-6-03A卫星低7千米，倾角高0.035度；6月21-23日，SJ-12卫星轨道提升了4千米，不过高度上比SJ-6-03A仍然低3千米，此后的一个多月里慢慢调整轨道。从轨道数据推算，8月10日早晨SJ-12卫星在SJ-06-03A下方由后向前飞过，8月12日时在SJ-06-03A前方约1000千米处。随后，SJ-12开始一次轨道机动将轨道高度提高10千米，从而跃升到SJ-06-03A轨道的上方；8月13日，SJ-12的机动将轨道又降低到SJ-06-03A的高度，机动后SJ-12和SJ-06-03A的距离缩短到约160千米；8月15日，距离进一步缩短到27千米。从轨道数据看，SJ-12和SJ-06-03A将在随后几天内接近到极近的距离上。更新的TLE轨道数据和由此进行的推算显示，两颗卫星在北京时间8月20日凌晨00:48分到02:48分之间进行了一次成功的接近，相对距离在0.23-3.40千米之间，相对速度仅有0.95-2.88米/秒，计算显示最接近的时刻为北京时间02:11分。从这个推演看，SJ-12和SJ-06-03A在8月20日进行了一次成功的交会试验。更有趣的是，根据19日以后的TLE数据，不仅是SJ-12卫星轨道发生了变动，SJ-06-03A卫星的轨道也发生了大幅度改变。由于SJ-06-03A卫星此前并没有发生类似的轨道变动，SJ-12和SJ-06-03A发生了“碰撞”是一个更合理的推断。美国空间观察网站（http://www.thespacereview.com/）也在8月30日发表文章，作出了同样的判断。
中国载人航天工程的对接想象图，明年中国将发射天宫一号空间站和神州八号无人飞船进行对接。实践12号卫星应该就是作为前期技术验证，小图即为实践12号卫星6月发射的情况。
为神舟、天宫太空对接进行技术验证
当然，理论上说这可能是一次意外的碰撞，不过“碰撞”后SJ-12仍然在进行持续的机动，持续修正轨道，意外的可能性微乎其微。SJ-12在随后几天里再次接近了SJ-06-03A，根据8月27日早上的TLE数据推算，北京时间8月28日凌晨05:12和8月28日下午15:14分，两星再次接近，最近距离只有100米。同日晚些时候更新的TLE修正了接近时的时间，应为8月28日凌晨03:35分和中午12:23分。28日的接近后，没有出现20日那样轨道大幅度改变的情况，因此很可能两星没有进行了第一次那样的物理接触。现在SJ-12和SJ-06-03A两星轨道一致，正在进行编队飞行。
从这些天的轨道数据看， SJ-12和SJ-06-03A双星进行了两次轨道交会试验，其中前一次发生接触改变了双方的轨道，可以认定SJ-12是我国发射的空间交会技术验证星。新华社报道中提到的“星间测量和通讯”，实际上就是用于交会的星间精确距离测量和星间激光辅助对接通讯，联系到明年我国将发射天宫一号空间站和神州八号无人飞船进行对接，今年SJ-12卫星应该就是作为前期技术验证，验证航天器的交会和编队飞行的能力。值得一提的是，这种技术也可用于共轨反卫星。

1998年日本ETS 7卫星空间交会对接艺术想象图。图中小图为应用了ETS 7卫星空间交会对接技术的H-II运输飞行器(HTV)。
使用无人航天器验证自动交会和编队飞行试验并不是我国的首创，同样是6月15日发射的瑞典Prisma双星，就将进行低成本自动交会和编队飞行试验。8月12日Prisma双星分离，将在未来的几个月内进行试验。Prisma双星将实现无地面控制下自动保持编队的能力，并进行多次几十米距离的交会试验，交会试验最近距离只有1米。
如果说瑞典Prisma卫星着眼点是用低成本的小卫星群替代大型卫星，那日本ETS7卫星则就是为了突破交会和对接技术了。日本1997年发射的ETS7卫星在1998年进行了多次无人对接试验，这也是世界上首次进行无人对接试验，比中国SJ-12最近的试验早12年。ETS7验证的对接技术得到了进一步完善，多年后使用在H-II运输飞行器(HTV)上，2009年HTV首次发射就成功完成了和国际空间站的编队飞行和对接，ETS7的功不可没。不仅如此，获得NASA商用货运合同的轨道科学公司在开发天鹅座(Cygnus)货运飞船时，引进了日本HTV上的PLS(Proximity Link System)系统的技术，这虽然是轨道科学公司在进度和费用下的折中，但也反映出日本对接技术的可靠性得到了认可。
在使用实践十二号卫星今年进行了足够的试验后，相信我国明年的天宫一号与神州八号的交会对接试验也会顺利的实现成功。从历年来的报道看，天宫一号发射时间推迟了，这很可能是实践十二号卫星推迟的缘故，作为后来者在载人航天重点项目上追求稳妥成熟，力求一次成功，倒也无可厚非。

早在2007年，德国宇航中心(DLR)就授权一家公司开发一种被称为Hermes的航天器卫星用于太空卫星的燃料加注。
载人航天领域飞船与飞船，飞船与空间站广泛使用交会对接技术，是载人航天领域必不可少的基础技术。经历数十年的实用后，大家也在考虑用于卫星的维护。很多年来一直有航天飞机为大型KH-12侦察卫星进行轨道加注的传闻，不过从没得到官方证实。根据2010年4月的报道，美国宇航局（NASA）宣布正在研究在轨卫星燃料加注和维修等问题，NASA预计将在未来6-12个月进行一项技术演示实验，由加拿大Dextre机械臂协助，在国际空间站演示在轨燃料加注技术，整个过程将由休斯顿的约翰逊航天中心控制，国际空间站人员并不参与。NASA计划验证成功后，进一步验证自动燃料加注操作，为开展GEO轨道的卫星燃料加注和修理技术奠定基础。
不过NASA很难算作是真正的先驱，早在2007年，德国宇航中心(DLR)授予Kosmas Georing公司一项合同，开发一种被称为Hermes的航天器卫星用于燃料加注，维护修理和轨道脱离。2010年3月，加拿大的MDA公司计划发展一种航天器，用于对GEO轨道的卫星再加注燃料延长卫星寿命，对于报废卫星则拖拽到更高轨道的卫星墓地，设计中这种航天器携带2吨燃料，可对多颗卫星进行加注燃料。军工领域也有太空燃料加注试验的公开报道，2007年3月8日，美国国防技术发展局（DARPA）主导的轨道快车卫星发射，轨道快车用于验证安全和廉价的轨道交会对接技术，对卫星提供包括燃料加注和修理在内的轨道服务，不过2007年的试验中只进行了一次对接后，由于NEXTSat和ASTRO先后故障报废，后继试验没能进行。

即便是现在反导拦截弹中射高最高的GBI拦截弹其射高也只有2000公里，对轨道高度3万公里的卫星只能是望而兴叹。图中小图为美国微卫星技术试验(MiTEx)的项目标志。
美国已测试反同步轨道卫星技术（共轨反卫星）
同步轨道的军事试验卫星发射更早，2006年美国使用Delta II火箭发射了用于微卫星技术试验(MiTEx)的两颗卫星卫星，两颗卫星进入地球静止轨道后，开始执行自主编队和对接等技术验证任务，具体的任务内容和时间以及卫星轨道都是保密的。根据2009年泄露的信息，MiTEx的两颗卫星曾对静止轨道上故障的DSP23卫星进行检视，这意味着美国军方演示了反同步轨道卫星的能力。美国分析家认为，MiTEx的试验可能引起中国的抱怨。美国一直在抱怨中国军事不透明，指责中国发展反卫星能力，但本身却也在进行如此的秘密反卫星试验，同时这对中国军方来说是不啻于一个鼓舞，他们会要求进行同样的研发工作，以获得对等的能力。同步轨道共轨反卫星技术之所以敏感，是因为同步轨道是通信卫星、导弹预警卫星等重要军民用卫星的所在。而且，目前为止，对于轨道高度达3万公里的同步轨道卫星，仍然没有任何一款导弹可以直接将其击中，导弹拦截在理论上也存在不可克服的精度控制难题，只能依靠共轨反卫星技术。
而在实践十二号卫星进行试验的初期，最早留意到的Liss网友就认为如果是交会试验没有必要掩饰，大可进行公开报道，因此进行太空检视试验的可能性更大。不过实践十二号卫星运行在几百公里的太阳同步轨道上，这个高度上陆基动能反卫星武器更为有效，而2007年我国已经进行了动能反卫星的验证，因此笔者认为进行的是前期交会试验。但从理论上说，这项技术有发展为共轨反卫星武器的潜力。
前苏联反卫星武器(IS)项目的反卫星攻击想象图，其杀伤原理是靠近后采用破片杀伤。现在的动能杀伤方式对时间精度的控制要求更高。
前苏联的共轨反卫星技术
说到共轨反卫星武器，这在很长时间内是苏联人的专利，当然未来其他国家很可能加入这个行列，但从技术发展趋势来说，不太可能是苏联人的破片杀伤式共轨反卫星武器了。1961年苏联启动反卫星武器(IS)项目，1963年苏联开始共轨反卫星武器的测试，计划用UR-200火箭发射，由于UR-200的取消不得不改用新的火箭，最后选用了Tsyklon-2。1967年使用Tsyklon-2的共轨反卫星武器开始测试，1973年2月苏联宣布自己的反卫星武器形成战斗力，不过由于反导条约的签订停止了测试。苏联的共轨反卫星武器拦截器本身就是一颗卫星，质量约1400千克，装备有主动雷达导引头，在入轨后90-200分钟内机动到目标卫星附近几十米内，启动高爆破片式战斗部击毁目标卫星。苏联发展的这种共轨式反卫星卫星在技术上要求较低，没有动能杀伤方式那样苛刻的时间精度控制要求。1976年苏联又恢复了共轨式反卫星试验，很多人认为这是对航天飞机项目的回应，新测试的拦截卫星可能采用了效果更好的红外探测方式。
除了此次实践十二号卫星轨道机动进行的多次非合作交会试验，我国神州七号上携带的伴星一号也具备自主导航和机动变轨能力，理论上也具备此项能力。共轨反卫星技术和空间交会与检视堪称同一枚硬币的两面，和平时期是交会对接技术，战时立刻转换为共轨反卫星技术。从这个意义上说，除了印度，主要航天国家都具备了共轨反卫星能力。不少外国分析家此前就认为神舟七号上天后释放的伴星一号可能是进行共轨反卫星技术验证。

从目前的轨道数据看，实践十二号卫星仍然在不断机动，类似日本当年的ETS7试验卫星，在今年甚至明年上半年，实践十二号卫星将继续进行一系列的交会试验，验证空间编队、交会技术和地面测控能力，为明年的空间站与飞船的交会对接打好基础。随着我国掌握交会对接技术，也就迈过了低轨道卫星维护和加注燃料的门槛，可以预见不久的将来我国也将发展Hermes和MiTEx那样的高轨道卫星维护、检视、燃料加注及共轨反卫星技术，这无论在军用或是民用航天领域，都是一个巨大的进步。