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太空垃圾或致同步卫星轨道报废  

2013-04-01 18:41:22|  分类: 航天世界 |  标签: |举报 |字号 订阅

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太空垃圾或致同步卫星轨道报废,地球将变成一个永久的垃圾带。 

有关太空垃圾的话题在近几年持续得到国际社会的关注。太空垃圾也被称为轨道碎片,是围绕地球轨道运行的无用人造物体,既包括已经“寿终正寝”,但仍在空间轨道兜圈子的各类卫星、被遗弃的运载火箭推进器残骸等,也有航天器意外爆炸或者碰撞形成的碎片,还有一些螺丝和垫圈之类的零部件。近日,俄罗斯联邦航天署署长弗拉基米尔·波波夫金在俄联邦委员会圆桌会议上的一番话再次引发了人们对太空垃圾的担忧。他表示,目前地球同步轨道的太空垃圾污染非常严重,即使不再发射任何航天器,现有航天器老化、报废和毁坏也会导致太空垃圾“自我繁殖”。如果不解决太空垃圾问题,人类可能在未来20年内失去地球同步卫星轨道。波波夫金的话并非耸人听闻,此前航天器与1厘米见方的太空垃圾相撞的频率约为5年1次,现已提高到每1年半至2年1次,在轨航天器与太空垃圾相撞的可能性正在增加。航天器一旦被太空垃圾撞击报废,自己又变成新的太空垃圾。最终,近地轨道将被各种危险的太空垃圾所“封锁”,地球将变成一个永久的垃圾带。届时,高度依赖现代通讯卫星等现代太空设施的人类将发现自己的生活难以为继,人类文明程度甚至大幅后退。

 

太空事故时有发生,轨道碎片大爆发每30至40年出现一次。

35年前,美国宇航局天文学家唐纳德·凯斯勒发表了一篇关于太空垃圾的论文,文章中他向世人描绘了这样一场噩梦:超过使用期的卫星和其他太空垃圾在不断堆积,总有一天碰撞将不可避免。而这些物体碰撞之后又会产生无数同样危险的碎片,而每一个新的碎片又是一个新的碰撞危险源。其结果是,随着时间的推移,碎片的数量呈指数式增加,最后出现一条环绕地球的碎片带。2011年欧洲航天局公布的近地轨道区域的空间碎片合成图片显示,现在的地球如同被蜂群围得密不透风的蜂巢,碎片带的预言成为现实。尽管当时美国宇航局官员在理论上也接受了凯斯勒的推测,但在这个问题上仍然无所作为。因为当时捕捉和处理太空垃圾的成本极其高昂,困难重重,而且官员认为处理太空垃圾没有到火烧眉毛的时候。凯斯勒还对轨道碎片大爆发周期做出预测 ,即每30至40年出现一次大爆发。 这一预测被称为著名的“凯斯勒症候”。2009年2月10日,也就是在他论文发表刚过三十年之后,凯斯勒症候应验了。大约在西伯利亚冻土带上方800公里的太空,两颗卫星正在遨游,各自的运行速度为每秒8公里。承担电话中继任务的铱星33号向北飞行,途中恰好与俄罗斯早已退役的失控通讯卫星宇宙2251号猛烈相撞,刹那间两颗卫星化成2100块碎片。随后,卫星残骸很快扩展形成一朵碎片云,轨道上的每块碎片都成了一枚炮弹,足以摧毁任何一颗价值连城的人造卫星。尽管铱星33号与宇宙2251号相撞尚属有史以来首次卫星碰撞事故,但此前几十年来,大大小小的太空事故时有发生。美国国家航空航天局曾公布,1983年,美国航天飞机“挑战者”号与一块直径0.2毫米的涂料剥离物相撞,导致舷窗被损,只好停止飞行;1986年,“阿丽亚娜”号火箭进入轨道之后不久便爆炸,其残骸便使两颗日本通信卫星“命赴黄泉”。各种案例显示,太空垃圾的飞行速度极快。一个仅10克重的太空碎片的太空撞击能量,不亚于一辆以每小时100千米速度行驶的小汽车所产生的撞击能量;一颗迎面而来的直径为0.5毫米的金属微粒,足以戳穿宇航员的宇航服,使其一命呜呼。如果撞击到航天器表面,轻者会留下凹坑,重者会穿透航天器造成部分系统功能失效,甚至会产生灾难性的后果。

 

太空垃圾云正不断扩大,地球上空的太空垃圾数量已经达到“临界点”。

自20世纪50年代开始探索宇宙以来,人类已经发射了4000多次航天运载火箭,每个航天飞行器都会留下各种各样的垃圾:螺栓、升压器、连接环、隔热材料,甚至油漆碎片。半个多世纪以来,人类留下的太空垃圾呈爆发式增长。美国国家研究委员会曾在2011年发出警告称,地球上空的太空垃圾数量已经达到“临界点”,太空中轨道碎片的数量已多到足以持续碰撞并产生更多太空垃圾,威胁航天器的安全。据美国宇航局估计,地球周围尺寸超过弹珠的轨道碎片在50万块左右,尺寸超过板球的碎片在2.2万块左右。低地球轨道的碎片以大约每小时2.8万公里的速度飞行,即使尺寸很小,也能给卫星造成巨大破坏,同时对宇航员的安全带来致命威胁。在已经编目的太空垃圾中,大约有70%位于距地面约2000公里以内的低地球轨道,时刻威胁着各种卫星的安全。更为可怕的是,地球周围的太空垃圾云仍在不断扩大。不过,凯斯勒表示,太空垃圾问题目前仍处在可控制范围内,因为卫星操作人员能够采取预防措施,防止卫星发生相撞事故。不过,如果国际社会无法达成协议,限制轨道垃圾的数量,这种威胁将不断加剧,最终导致操作人员的预防措施不足以应对碎片威胁。

 

严密跟踪躲避垃圾,新规则确实减缓了空间碎片的增加。

按照现有的技术,要完全清除太空碎片还是比较困难,且成本昂贵。因此,目前拥有卫星的国家应对太空垃圾还是以“躲”为主,或者等待它们自己进入大气层烧毁。美国和俄罗斯各自都有先进的太空监视系统,能对相关太空垃圾进行严密跟踪,并及时发布预警,使航天器采取有效的技术手段“躲”过太空垃圾。欧洲航天局也在对所有在近地轨道上运行的太空垃圾进行编目,以便更好地掌握它们的动向。预测哪些碎片将与运行中的航天器发生碰撞需要精准地建模。从1990年开始,休斯顿美国宇航局下属约翰逊空间中心的研究人员一直在使用一部陆基X波段雷达更准确地跟踪太空垃圾的运动。但是美国国家研究委员会的评估小组担心,一些小的微粒并没有得到充分的跟踪,并且这些运动的复杂性也没有被完全搞清。航天器在应对太空垃圾方面,国际社会还有一个手段——“抗”,即给一些重要的航天器如国际空间站加上屏蔽罩,这一手段用于没能及时避开太空垃圾时。美国宇航局科学家埃里克·克里斯帝安森曾成立一个超高速撞击技术实验室,用于研究和测试轨道物体遭到高速撞击的结果,以此协助开发更牢固的材料或改进航天器的设计,开发能让航天器免遭“流弹”袭击的保护装置。美国宇航局的科学家们还曾提出了减缓太空垃圾堆积的指导意见。这些规则对可遗弃物作出了限制,他们要求卫星运营商帮助清理36公里上方地球同步轨道堆积的垃圾,把退役飞船送到位置更高的 “墓地轨道”,以免伤及无辜。到2008年,世界各大主要空间机构都采纳了该指导意见。新规则确实减缓了空间碎片的增加。

 

开发清理技术各国不遗余力,很多国家都在推出清扫太空垃圾的计划。

无论是采取躲避、防御、减缓还是回收利用手段,都无法从根本上清除太空垃圾。满天的太空垃圾终归要得到彻底清理,开发太空垃圾清理技术势在必行。事实上,很多国家都在推出清扫太空垃圾的计划,科学家们也在考虑从无数种垃圾清理方案中精选出经济有效的方案。美国宇航局正在考虑用激光清扫地球周围的太空垃圾,防止其与卫星相撞。激光清除太空垃圾原理是:激光束里的光子携带了微量动力,在特定环境下,能推动太空中的物体,并使其减速。通过向垃圾碎片发射激光数小时后,就有可能改变其方向。即便不能让太空垃圾脱离轨道,也能避免其撞击空间站或者卫星。新课题的设备花费仅为80万美元,而全部费用止于千万美元。现有的望远镜经改良后,能投入使用,降低运营成本。有科学家认为,应在夏威夷山顶建大型激光站。另一些人则认为,在卫星上安装激光装置,把碎片轰入大气层。日本宇宙航空研究开发机构决定,自2014年起将启动一项垃圾清理试验,以清除由使用寿命结束的卫星和火箭残骸组成的太空垃圾。清理方式是以金属绳捆住漂浮在宇宙空间中的太空垃圾,然后使其降低速度,并使其落入大气层中销毁。此外日本还将开发“清扫卫星”,并于2019年前后发射。届时,“清扫卫星”将利用搭载的摄像机寻找并接近太空垃圾,然后使用机器臂安装金属绳。而安装有数条金属绳、能捕捉多个太空垃圾的专用卫星将于2023年前后发射。英国科学家则设计并研发一个被称为“立方帆”的纳米级卫星,它重约3公斤,大小约为30厘米×10厘米,借助太阳能的太阳帆作为动力推进系统,一旦帆上的摄像头侦察到太空垃圾,便依附在垃圾上,使其速度降低,最后进入大气层,与太空垃圾同归于尽。(枫林、凌云飞天)

 

太空垃圾或致同步卫星轨道报废 - 凌云飞天 - 凌云飞天的博客
2011年9月2日,欧洲航天局(ESA)公布的近地轨道区域的太空垃圾合成图片。 CFP供图 
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用于清洁太空的特殊卫星。CFP供图 
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