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  • 太空垃圾會阻礙人類的星辰大海之路嗎?
    來源:科學辟謠
    發布時間:2022-05-12
    瀏覽次數:410

    版權歸原作者所有,如有侵權,請聯系我們

    劃重點

    ★ 太空垃圾如果雪崩式增長,會阻礙人類的星辰大海之路。

    ★ 太空垃圾的低成本高效清理,是我們面臨的一個技術挑戰。

    “保羅和我利用助推器靠近了它,正在拴連結繩的時候,保羅的面罩上突然出現了一個洞……空氣從面罩中沖出來,他一下子就飛出去老遠,我只好眼睜睜地看著他旋轉……在他的嘴角右側,有個一元硬幣大小的窟窿,正是這個洞使他顯出一張怪異的大嘴。不過他確實臉帶笑意,他肯定是在一瞬間失去了生命,那瞬間的微笑就凝固成為永恒。仿佛在昭示:生命是多么的脆弱?!?/p>

    幸好,上面這起慘烈的太空事故,只是袁英培的小說《太空神風》中虛構的情節。但如果我們不早點開始應對太空垃圾的威脅,這種場景只怕以后就會成真。

    圖片

    來自giphy

    01

    太空垃圾到底是誰丟的?

    太空垃圾又稱空間垃圾、空間碎片,是指太空中所有在軌的、廢棄的人造物體。大至衛星解體造成的碎片,也包括火箭末級、棄置衛星等廢棄的航天器;小到飛行器掉落的涂層、飛行器排出的液體固化形成的顆粒、固體火箭發動機未燃燒的固體顆粒等。

    太空垃圾的來源多種多樣,包括人為散布、任務遺留、廢棄飛行器、反衛星試驗等。

    比如,美國在20世紀60年代,曾將4億3000萬根不到2厘米長,還沒頭發絲粗的銅針,散布在軌道上形成云狀環,用來反射無線電信號,以便海外的美軍能更好地與本國聯系。這些銅針最終成了太空垃圾,直到現在仍有相當數目殘留在軌道上。

    還有一些太空垃圾,是反衛星武器試驗的后果。比如美國在1985年用導彈嘗試擊毀了一個衛星,結果制造了上千顆大于1厘米的太空垃圾。所幸由于實驗在較為低的軌道上進行,大部分的碎片被重力牽引并在大氣層內燃燒殆盡。

    而俄羅斯在2021年11月15日也用一枚導彈,摧毀了一顆廢棄軍事偵察衛星。這產生了上千顆可追蹤的碎片,并可能會產生數十萬塊較小的碎片。這些碎片將在軌道上停留數年甚至數十年,并且可能會威脅國際空間站上的航天員生命。

    除了前面說的那些比較“太空”的東西,現存的太空垃圾當中也有一些更匪夷所思的玩意兒……

    比如宇航員愛德華·懷特在艙外活動時遺失的一只手套;邁克爾·科林斯在雙子星座10號任務期間遺失的攝影機;和平號空間站運作15年間棄掉的垃圾袋、一個扳手和一支牙刷。

    還有宇航員在維修國際空間站太陽能電池板時,遺失了一對鉗子,在STS-126中一名太空人進行艙外活動時丟失了一個與公文包大小的工具包。

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    在STS-126中丟失的工具包(圖片正中)

    02

    太空垃圾為何如此致命?

    可能有的朋友會奇怪,太空中這些垃圾,感覺比日常生活中的垃圾好像也高不到哪兒去???能有什么危害呢?無非就是看到大塊的垃圾躲開,小渣渣直接無視就行了唄?

    道理其實很簡單,那就是速度,同樣是一顆子彈,別人用手扔給你 ,你很輕松就能接住,但如果是從槍膛里以數百米每秒的速度射向你,那就得出人命了,而太空垃圾的運動速度,遠超槍彈。

    太空垃圾之所以會對在軌航天器產生致命威脅,正是由于空間碎片的高速碰撞。相對地球來說,太空垃圾本身的速度常超過7.5 km/s,而步槍的子彈速度只有大約1 km/s,太空垃圾有可能和空間飛行器發生對撞,最高速度可以高達15 km/s。別看一個大小在厘米尺度的空間碎片不起眼,但已足夠摧毀整顆衛星。即使是毫米尺度的碎片,也有可能癱瘓衛星。

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    美國航天飛機上的撞擊坑

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    俄羅斯和平號空間站上被太空垃圾破壞的太陽能電池板

    03?如何防范太空垃圾造成的意外?

    人們提出了4種辦法,用于防范太空垃圾造成意外破壞。分別是監測和預警、碰撞規避和防護、離軌和棄置策略以及主動清除。

    監測和預警

    對空間碎片保持監測,并對其進行編目和碰撞預警是降低空間碎片撞擊風險的第一步。各個航天大國都建有空間監測網絡,如美國空間監測網絡(Space Surveillance Network),既包括天基的衛星平臺,也包括地面的雷達、光學望遠鏡。

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    美國兩代空間目標監測“空間籬笆”。

    左圖:部署在美國本土的第一代 ,右圖:部署在海外的第二代

    碰撞規避和防護

    碰撞規避和防護是通過 “躲”和“防”的方式應對可能出現的太空垃圾碰撞威脅。當在軌航天器與較大的空間碎片(大于10厘米)或其他物體存在較高的碰撞風險時,通過變軌離開碰撞軌道是最簡單直接的規避方法。但以消耗燃料、損失其工作壽命為代價。從1999年部署至2020年9月,國際空間站為規避空間碎片共變軌28次,其中2020年1月至9月共執行3次碰撞規避變軌。

    對于更小的碎片,可以通過提升航天器自身防護水平以直接抵抗空間碎片的撞擊。

    與常識相反,單純增加航天器外殼的厚度并不是高效的做法,很多時候采用的是Fred Whipple早在1947年針對空間微流星體提出的多層防護措施。Whipple提出微流星體在擊穿一塊厚度與自身尺度相當的材料后會因高溫而氣化和電離,因此只需在航天器外1英寸的距離上包裹一層約6—7 mm厚的材料,即可防護空間微流星體的撞擊。這一防護措施被稱為Whipple防護。目前,國際空間站和我國的天宮空間站,均裝有Whipple防護板。

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    左側為模擬只加厚倉壁,而右側則為加上Whipple防護板的效果,圖片來自NASA

    離軌和棄置

    由于大氣阻力作用,低軌衛星會在阻力作用下自然降低軌道。低軌衛星在工作壽命結束后,如果25年內可以再入大氣隕落,則不需要處置。如果軌道高度不太低,需要采取適當的離軌措施降低軌道,遵照25年內隕落的建議。

    對于地球靜止軌道衛星,工作壽命結束后可以抬高軌道至“墳墓軌道”。墳墓軌道可以保證被棄置的衛星不與正常的靜止軌道相交,確保靜止軌道工作衛星的安全。除此以外,為了進一步減緩空間碎片,減少不必要的解體事件,航天器或火箭體在棄置時需要耗盡內部能源,包括:(1)排空或燃盡推進劑;(2)電池放空電量;(3)釋放艙內壓力。

    主動清除

    對于近地空間越來越多的空間碎片,比較合適的處置方式是主動將其清除。目前主動清除尚在理論研究和實驗階段,常見的方案包括附著后推離軌道、柔性網拖離軌道、激光燒蝕反推離軌等。

    04

    為了星辰大海,垃圾真的不能再增加了

    目前編目在冊的空間碎片已超過2萬個,而受觀測手段限制尚不能跟蹤到的厘米以下更小的碎片則超過1億。其實早在20世紀70年代就有科學家提出,衛星等航天器因碰撞而解體,可能由此引發連鎖反應。

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    NASA約翰遜航天中心軌道碎片項目辦公室統計的各類型較大碎片的數目

    這就是大家所熟知的“凱斯勒效應”(Kessler syndrome)。簡單來說就是除非大尺寸廢棄物體的數量顯著降低,否則隨著物體間隨機碰撞的發生,碰撞產生的碎片將成為新碎片的重要來源,發生類似原子彈爆炸的鏈式反應,碰撞越來越多。太空垃圾逐漸包圍地球,使得新的航天發射無法進行。

    太空垃圾如果數量過多,超過了臨界密度,發生“凱斯勒效應”,從而雪崩式增長,將會阻礙人類的星辰大海之路。

    為此,美國、歐洲、俄羅斯,還有我國都在發展太空垃圾主動清除技術。太空垃圾的低成本高效清理,是我們面臨的一個技術挑戰。相信以后隨著人類太空活動的增加,將會出現像小說《太空神風》以及動漫《星空清理者》中的太空垃圾回收行業。

    作者 | 周炳紅

    中國航天科普大使,空間科學傳播專家工作室 副主任,中國科學院國家空間科學中心研究員

    審核 | 劉 勇

    中國航天科普大使,中國科學院國家空間科學中心研究員,博士生導師,美國新罕布什爾大學理學博士, 中國科普作家協會理事,航天科技教育聯盟特約專家



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