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        航天科普:除了太空垃圾,它們也在威脅航天器!
        發布時間:2022-08-15
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        不久前,美國宇航局、歐空局和加拿大航天局聯合發布評估報告,透露韋伯太空望遠鏡已經遭受6次微流星撞擊,其中一次對C3鏡片的撞擊給望遠鏡帶來了無法糾正的事故。眾所周知,近地軌道上擁有大量的太空垃圾,而韋伯望遠鏡運行在距離地球150萬公里外的L2暈軌道上,也躲不開微流星的飛來橫禍。那么,宇宙中除了太空垃圾外,還有哪些東西會對航天器構成威脅呢?

        天然流星帶來撞擊

        2021年,美國宇航局發布消息稱,根據美國太空監視網絡(SSN)的探測和跟蹤,地球軌道上至少有27000個太空垃圾??紤]到當時SSN只能探測到最小10厘米左右的近地軌道目標,所以實際的太空垃圾數量要遠比探測到的多。

        我們都知道太空垃圾危害大,包括國際空間站和中國空間站都曾為了躲避太空垃圾而變軌。雖然太空垃圾導致地球軌道極為擁擠,但很多人都忽視了人類航天器進入太空前這里并非空無一物。

        人們都喜歡對著流星許愿,但流星其實并不稀罕。法國牽頭的一個科學團隊的研究結果顯示,每年落到地球表面的微隕石合計約5200噸。

        大量的小隕石和微流星日夜不停地落入地球大氣層,這意味著即使在遠離地球的L2軌道上,也很難躲避各種微流星帶來的威脅。

        實際上,微流星來自巖石和更大天體的分裂物,它們可能太陽系形成時就存在,也可能是后來彗星和小行星噴發或分裂出來的碎片。

        雖然彗星巨大的尾巴很美麗,但很少有人知道彗星每一次接近太陽都會噴發出大量物體,成為新的太空微流星體。同時,彗星壽命末期還可能分裂解體產生大量微流星。

        著名的獅子座流星雨就是坦普爾·塔特爾彗星噴發和分解出來的碎塊顆粒進入大氣層的結果?!绊f伯”現在遇到的微流星撞擊還只是剛開始,該望遠鏡在2023~2024年還要穿過哈雷彗星留下的微流星帶,屆時必定會面臨更大考驗。

        輻射粒子威脅大

        微流星是航天器面臨的主要威脅之一,但太空的苛刻環境不是只有微流星,除了大家熟悉的真空環境外,高能輻射是其最主要的威脅。在太空中,輻射的來源包括太陽噴發的高能粒子,地球磁場捕獲形成的輻射帶,以及來自銀河系的高能宇宙射線。

        真空環境下,不少非金屬材料在較高的溫度下會產生汽化或分解,例如,大家常見的橡膠在190攝氏度下年分解率達到10%,尼龍和環氧樹脂年分解率達到10%時則需要更低溫度。

        從這個意義上講,太陽光的照射就能威脅到航天器上的部分材料。對于長期運行在太空的航天器而言,通過慎重選擇外部材料,雖然不用擔心高溫造成的汽化分解,但太陽等天體發出的高能輻射,仍然是不可忽視的威脅。

        航天員的健康是載人航天的重中之重,而載人航天器特別“怕”輻射危害。太陽耀斑會釋放大量的紫外線和X射線,以及大量的高能質子,它的爆發既不規律也無法預測,太陽大耀斑的輻射劑量很強,如果保護不當,航天員可能出現輻射病甚至死亡。

        銀河宇宙射線能量很高更難防護,但它的年輻射劑量和一次太陽大耀斑相比少得多。幸運的是地球磁場屏蔽了多數來自太空的輻射,當位于地球的范艾倫輻射帶之下時,再考慮到航天器有金屬外殼,可以屏蔽一部分太空輻射,所以不需要采取特殊的防輻射措施,但航天器深空飛行的輻射防護就很棘手,這也是未來深空載人飛行的攔路虎之一。

        太空輻射對無人航天器同樣構成威脅,太陽的強烈紫外線、X射線和高能帶電粒子,可能對航天器的部分載荷產生影響,尤其是強烈紫外線會加快有機物的分解。

        對于一些空間天文設施,還需要對特殊部位進行屏蔽。同時,太陽耀斑和銀河宇宙射線還可能對航天器的電子設備產生沖擊,甚至導致航天器的電子設備失效。

        防護手段的選項不多

        太空環境十分苛刻,各國研制的航天器為抵御這樣的惡劣環境,先后發展出了多種防御手段。

        近地軌道不僅有天然微流星,還有人工產生的太空垃圾,航天器尤其是載人航天器都要采取必要的防護措施。目前,世界各國研制的航天器主要通過堅硬的金屬外殼來硬抗沖擊,確保氣密艙不會被擊穿。

        無人航天器對防撞擊的優先級較低,但也要采取一定措施。以美國哈勃太空望遠鏡為例,它的里奇-克萊琴(R-C)反射鏡位于長長的鏡筒內,鏡筒本身起到了一定的保護作用。另外,它還有一個鏡筒蓋,必要時可以蓋上,避免被微流星撞擊。

        相比運行在近地軌道上的“哈勃”,運行在L2暈軌道上的“韋伯”,面臨的微流星密度要低得多。但是,“韋伯”標志性的網球場大小的防熱罩,仍然專門考慮了抵御微流星撞擊的技術,主要手段是粘合大量加強條形成“防撕裂”的網格,目的是保證微流星撞擊產生的孔洞不會延伸到網格外。

        至于“韋伯”的鏡片,一方面是反射鏡的劃痕對成像影響不大,其發布的報告也證實了這一點;另一方面只能祈禱它不會遇到較大的微流星撞擊。

        另外,航天器要抵御來自太空的高能輻射威脅,目前主要靠硬扛?,F役航天器的鋁制金屬外殼可以屏蔽一部分太空輻射,深空環境下的防護措施還有待實際檢驗。

        美國宇航局針對高能帶電粒子流和宇宙射線,還提出了艙內或艙外增加一層水來進行輻射屏蔽的想法。他們還有超導電磁鐵產生強磁場構成輻射屏蔽的磁層罩概念,以降低太空輻射對航天員的危害。

        對于無人航天器來說,輻射屏蔽要簡單很多。例如,對抗高能粒子的單粒子效應,既有優中選優抗輻射的航天級芯片,也有以SpaceX公司為代表企業采用的多塊商業芯片冗余措施。

        此外,航天器設計還要綜合考慮高能輻射對太陽能電池、蓄電池、絕緣材料以及電子器件的影響,通過抗輻射加固和冗余設計等措施,基本可以防御太空高能輻射的威脅。



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