太空船操作人員如何利用模擬技術避開太空碎片

一艘由地球地殼深處礦石打造的太空器，以每小時 17,000 英里的速度，在近地軌道 (LEO) 中飛離其製造者。LEO 曾是一片圍繞地球的清晰太空區域，如今卻因為各種在軌衛星任務與太空碎片而變得日益擁擠。這些太空碎片從火箭上級段的殘骸、退役衛星，到意外碰撞所產生的碎片皆包含在內。

根據 Space-Track.org，目前大約有 11,000 個有效酬載與 17,700 個經分析確認的物體正在軌道上運行。至於太空碎片的數量，則更難準確估算。舉例來說，Space-Track.org 預估我們周遭軌道中約有 19,000 塊碎片，而 NASA 安全與任務保證辦公室 (OSMA) 則估計，直徑超過 10 公分的軌道碎片就超過 21,000 個。LEO 中還存在大量因為太小而無法被追蹤的碎片，但這些碎片一旦與太空器碰撞，仍可能造成嚴重損害。

無論實際數字為何，太空碎片將持續對太空產業構成重大威脅，這是毋庸置疑的事實。「太空碎片之所以帶來困難，是因為這個問題的規模實在太龐大了。」Ansys 應用工程師 II Alex Lam 表示。「根據 NASA 商業太空計畫的定義，LEO 是距地表 100 公里到 2,000 公里之間的區域，其體積超過 1 兆立方公里。在這麼巨大的空間中偵測並追蹤一小塊太空碎片，就像要在地球這麼大的乾草堆中找出一根針。而且這根針還是以每小時 17,000 英里的速度在飛行。」隨著 LEO 中的衛星與碎片數量不斷增加，找出這些比喻中的「針」將變得越來越困難。

放眼未來，這種擁擠的環境甚至可能導致災難性後果。1970 年代，NASA 科學家 Donald Kessler 提出了一項現今稱為「凱斯勒效應」的理論。這個著名的理論預測，在太空中兩個物體碰撞後產生的碎片，可能會再撞擊其他軌道物體，進而產生更多碎片，引發連鎖反應。這種情況可能在 LEO 中持續蔓延，最終在地球周圍形成一道幾乎無法穿越的「碎片帶」，其中充滿舊太空載器的危險殘骸，嚴重阻礙未來太空任務的進行。

雖然我們尚未進入凱斯勒效應成真的世界，但這項嚴峻預測突顯出避免太空碰撞的緊迫性。然而，這並非一項容易的任務。

在環繞地球的軌道上，物體的移動速度極快，且軌跡經常不規則；即便是一小片碎屑，例如微小的油漆片，也可能引發這種連鎖反應，進而危及我們執行太空任務的能力。然而，要維持一條不發生碰撞的飛行軌道，本身也伴隨著一連串的挑戰。工程師同時還需顧慮燃料節省及地面通訊中心與太空器之間的通訊延遲，否則將會降低我們對障礙快速反應的能力。而隨著地球周圍有限的軌道越來越擁擠，這些挑戰只會更加嚴峻。

那麼，太空產業究竟是如何應對這些挑戰的呢？

避免與管理太空碰撞所使用的技術

讓我們回到之前的例子，一艘太空船在 LEO 中航行，而那裡是大多數人造衛星與太空碎片所在的位置，環境中的物體逐漸增加。

雖然太空船的航行路徑可以依照現有的安全操作協議與標準 (例如《NASA 太空船會合評估與碰撞避免最佳實作範例手冊》) 來規劃，但這些指南無法解答操作人員可能面對的每一個問題或情境。靜態的指南也無法即時更新碎片與衛星的位置。為了填補這些知識上的空缺，操作人員需要持續更新最佳實作範例，以及衛星與太空碎片的位置資訊。接著，他們必須判斷最佳行動方案，以避免與這些物體碰撞。

為了達成這些目標，太空船操作人員可以運用太空情勢感知 (SSA) 與太空領域感知 (SDA)。簡單來說，太空船操作人員會：

• 使用 SSA 來追蹤物體與其運行環境，以獲得提前警告並執行碰撞避免機動操作 (CAM)
• 使用 SDA 在 SSA 的基礎上進一步辨識太空物體的去向，以更有效地避開它們

為了正常運作，SSA 與 SDA 都需要使用先進的追蹤系統、精確的資料、預測演算法，以及資料整合工具。

SSA 與 SDA 技術的使用正持續增加。Lam 分享在美國地區，SSA 的責任正從美國太空司令部轉移至商務部，他表示：「我認為這代表對商業太空價值的認可，以及對超越傳統國防用途的更開放資料共享的重視。」對 SSA 產業商業價值的興趣也在增加，甚至有人認為有必要將 SSA 與 SDA 擴展到傳統地球軌道之外。

雖然 SSA 與 SDA 是未來太空領域的重要技術，但它們並非唯一所需的技術。舉例來說，如果一艘太空船在軌道上需要補給燃料，該怎麼辦？這種情境需要具備在軌道上的機動性與維修能力。

操作人員能夠為距離地球表面數百英里的太空船加油的方法之一，是透過太空維修、機動與製造 (ISAM)，這技術可讓太空船修理、更換或升級零件、清除碎片並補給燃料，以延長任務壽命。作為 ISAM 的一部分，太空船可能需要執行會合與近距操作 (RPO)，以進一步實現重新定位、對接、維修、補給燃料或其他延長任務壽命的行動。這類技術的一個例子是「Astroscale 等公司宣傳主動清除太空碎片，並執行 RPO 以進行就地檢查與任務延伸」Lam 表示。

雖然這些相對新穎且新興的技術是太空船操作人員工具箱中不可或缺的一部分，但它們並不完美。常見的挑戰包括：

• 尋找足夠先進的軟體，能在提供操作靈活性的同時，導航複雜的軌道區域
• 開發適當強健、低延遲且準確的追蹤系統、預測演算法與資料整合工具
• 精確整合來自不同來源的資料
• 開發創新且可靠的技術，例如用於 ISAM 與 RPO 的自主技術
• 改良太空船設計，以盡量減少從發射到任務終結去軌過程中產生的碎片
• 開發創新的碎片清除技術
• 建立廣泛接受且全面的國際法規、政策與太空碎片相關標準

解決這些挑戰將對提升任務成功率產生重大影響。因此，工程師們正轉向使用 Ansys 模擬軟體來實現這些目標，並解決此領域中的一些迫切問題。

透過 Ansys 模擬軟體強化障礙物避碰能力

SSA 與 SDA 是成功太空任務的基石，而 Ansys 模擬軟體的開發目的就是協助工程師有效執行這些分析，提升其降低碰撞風險的能力。

舉例來說，Ansys 技術可用於在建造階段開始前，評估潛在的 SSA 系統設計。根據 Lam 所說，這包括使用 Ansys 光學產品組合「來設計鏡頭、反射鏡與偵測器，以最大化特定系統的能力」，以及使用 Ansys 電磁產品組合「來設計天線、發展波束成形策略，並針對不同形狀與大小的碎片，評估預期效能」。這些模擬工具也可以用來在系統部署之前，產生人工智慧／機器學習 (AI/ML)演算法所需的訓練資料。

對於已部署的 SSA 與 SDA 系統，工程師與操作人員可以使用 Ansys Orbit Determination Tool Kit (ODTK) 軌道量測處理軟體，來處理合作性與非合作性物體的量測資料，以產生具有實際共變數的曆表。同時，Ansys Systems Tool Kit (STK) 數位任務工程軟體能讓使用者判定大量太空物體之間的碰撞機率。如果分析結果顯示需要執行 CAM，工程師與操作人員便可規劃一個在燃料效率與碰撞風險之間達到最優平衡的機動方案。若發生碰撞事件，Ansys LS-DYNA 多重物理量求解器可與 STK 與 ODTK 軟體結合，藉由進行重建碰撞動力學的鑑識分析，更深入理解所產生的碎片場與其影響。模擬軟體也可用來動態分析並比較潛在軌道，進而決定最佳軌道。

至於 RPO 與 ISAM，Lam 表示模擬提供了「飛行前先試驗」的能力。「模擬可以讓您降低風險，並在實際將兩顆造價高昂的衛星靠近彼此之前，精準掌握近距接近的過程將會如何發展。」

工程師可透過以下幾種方式，將模擬應用於這些分析：

• 使用 STK 軟體規劃 RPO 機動
• 使用 Ansys Discovery 3D 產品模擬軟體與 STK 軟體，建立具備運作中太陽能板的 3D 太空船模型，並評估在近距機動中，太陽能板如何被另一艘太空船遮蔽
• 使用 ODTK 軟體處理 RPO 與 ISAM 近距操作期間的追蹤量測
• 使用 Ansys Mechanical 結構有限元素分析 (FEA) 軟體，評估太空船進行有意接觸時的接觸動力學
• 使用 Ansys Electronics 的電磁、訊號完整性、熱與機電模擬解決方案，評估在另一艘太空船附近時，射頻通訊如何改變
• 使用 Ansys RF Channel Modeler 高擬真無線通道建模軟體，評估近距太空船的逆合成孔徑雷達 (ISAR) 成像
• 使用 Ansys Speos CAD 整合式光學與照明模擬軟體，評估近距太空船的光學成像效果
• 使用 Ansys Thermal Desktop 以熱為核心的建模軟體，評估太空船遮蔽所引發的熱效應，並確保所有酬載維持在其熱限制範圍內

太空碰撞避免的未來展望

談到 SSA 與 SDA，「我們正透過打造前所未有精密的望遠鏡與更強大的雷達，來提升太空中物體的偵測與追蹤能力。」Lam 表示。「這些日益複雜的 SSA／SDA 系統，需要最大化的運作時間與最頂尖的效能表現。」至於涉及 RPO 與 ISAM 的操作，容錯空間將極為有限，導致衛星操作人員的工作負擔沉重，必須確保所有系統皆正常運作。

在這些技術的成長的同時，模擬將繼續是不可或缺的工具，「模擬能確保這些新技術在實際部署前就已符合其嚴苛需求，從而降低計畫風險與成本。」Lam 表示。而這還不只是全部。模擬軟體也能產生供衛星操作人員使用的 AI/ML 演算法訓練資料，並協助研究人員評估針對更偏遠軌道區域 (例如地月空間) 提出的解決方案，目前即有新研究正於此領域展開。

保護繞地軌道運行的太空船至關重要，不僅是為了他們目前所提供的服務 — 例如連線能力與資源監測 — 也是為了未來幾年將出現的創新應用。為了實現這種長期的可靠性，SSA、SDA、ISAM、RPO 以及其他防護技術，必須站在我們探索星辰旅程的最前線。

深入瞭解

搶先一窺 Ansys 太空紀錄片「Simulating Space」的內容。