点击这里给我发消息
首页 >

【原创】美如星辰却又危险致命,太空碎片该何去何从?

每当我们仰望星空,浩渺无垠的宇宙空间总是令人向往。然而,在我们肉眼不可及的穹顶之上,美丽与危险并存。随着科技的进步,人类对太空探索的增加,本是广袤无垠的空间变得日益拥挤。

太空垃圾

太空垃圾,又称为轨道碎片,特指宇宙空间中除正在工作着的航天器以外的人造物体。它的来源非常广泛,如“退休”的卫星;报废的火箭助推器;宇航员作业时留下的航天服、工具铲、老虎钳、各种生活用品;航天器漏出的固体、液体,以及航天器碰撞过程中产生的碎片等等。是目前太空探索面临的危机之一,而且随着时间的推进,这个危机愈演愈烈。

80年代以来,太空垃圾爆发式增长,地球就像被垃圾场包围!

根据美国航空航天局ODPO统计,截止到2016年10月4日,地球近地轨道范围内共有被监测的人造天体17817个,光最近的三个月就增长了88个。

中国国家航天局秘书长田玉龙介绍,太空中毫米级以上的空间碎片数以亿计,总数量达几千吨。同时,世界各国发射了6500多艘航天器,废弃卫星有5000多颗,它们随时有可能坠入地球。更严重的是,环绕地球轨道的碎片数量,以每年2%~5%的速度递增。按照这个速度计算,如果不加以清理,那么近地轨道在300年后就可能被垃圾填满。

大学讲师Stuart Grey做了一则只有1分钟左右的短视频,完整显示了从1957年前苏联发射第一颗卫星Sputnik升空以来,太空垃圾逐步累积的过程。

从视频可以看出,80年代以后,太空垃圾爆发式增长,地球看上去就像被垃圾场包围了一样。

10厘米的碎片碰撞将彻底摧毁一颗航天器!

空间碎片绝大多数分布在距地面2000km的地方,这也是人类使用最频繁的低地球轨道(LEO),其运行速度为7.8公里每秒,它们如果与航天器发生超高速撞击,其相对撞击速度在0到15公里每秒之间,平均撞击速度为10公里每秒,要知道地面上炮弹的速度最高也不到2公里每秒。

举一个例子,直径1cm的铝球以10公里每秒的速度撞击所产生的能量与地面上速度为120公里每秒的小汽车撞击相当。一块微小的油漆斑点,在太空高速环境下撞击卫星,就可能引爆一场航天大国间的外交甚至军事冲突。10厘米的碎片碰撞将彻底摧毁一颗航天器。

这无时无刻不对卫星本身的安全、航天飞机以及国际空间站的安全构成威胁。

相信看过《地心引力》的人,对太空垃圾的危害有更直观的认识。影片中,俄罗斯发射的导弹击毁其一颗废弃的间谍卫星,爆炸产生的碎片击毁了大量航天器并冲向“探险者”号航天飞机,将其与哈勃望远镜一同撞毁。除了出舱的两人,其他航天员全部丧命。而90分钟后的又一轮碎片来袭,瞬间击毁了国际空间站。

有人可能会说影片存在加工效果,但由太空垃圾引发的灾难却真实存在。

1983年,“挑战者号”航天飞机与一块直径0.2毫米的涂料碎片相撞,导致舷窗被损,只得提前返回地球。

1986年,“阿丽亚娜号”火箭进入轨道后不久便发生爆炸,形成了564块10厘米大小的残骸和2300块小碎片。这些密集的“弹丸”,后来直接造成两颗日本通信卫星“命丧黄泉”!其后续也造成了其它不小的破坏。

1991年9月15日,美国发射的“发现者”号航天飞机差一点与前苏联的火箭残骸相撞,当时“发现者”号与这个“不速之客”仅仅相距2.74千米,幸亏地球上的指挥系统及时发来警告信号,它才免于丧生。

而这些也仅仅在太空中,如果大型残骸由于速度降低而进入大气层,一旦落到人口稠密区,将是一场巨大的灾难!

轨道碎片

根据计算,太空轨道上每个飞行物发生灾难性碰撞事件的几率为3.7%,发生非灾难性撞击事件的可能性为20%。以此计算,今后将每5~10年可能发生一次太空垃圾与航天器相撞事件,到2020年将达到2年一次。

而最让科学家头疼的是“雪崩效应”——每一次太空垃圾的相互碰撞不会互相湮灭,而会产生更多的碎片,这就是新的“大问题”。

脑洞大开清理碎片,如果真的有一辆太空垃圾车就好了!

几乎全世界的科学家都在幻想,可以制造出一辆太空垃圾车,将这数以亿计的碎片尽数清扫销毁。但这是不可能的。

当然,随着太空垃圾问题严重性的增加,各国各地区也开始重视起来。

美国曾启用9个陆基雷达阵组成“太空篱笆”,系统监视空间碎片。目前,这一系统正升级到第二代。有报道称,它将能追踪超过20万个直径大于2厘米的太空垃圾。

太空篱笆

“太空篱笆”设计原理概念图

瑞士航天中心正在研发一种超快仿生手臂,将其安装在“清洁空间一号”卫星上,捕捉并回收太空垃圾。这个机械手臂的特点是“超快”——能在0.05秒内抓住各种不规则形状的抛掷物。按照计划,“清洁空间一号”的发射时间定在2018年。

清洁空间一号卫星

安装在“清洁空间一号”卫星上的超快仿生手臂(概念图)

日本宇宙航空研究开发机构计划今年秋天起开展相关清除实验。其核心方案是,利用磁场中有电流经过会使物体产生运动的原理,通过一条700米长的电线,给高速飞行的太空垃圾通电,使其减速后坠落于大气层燃烧殆尽。

而我国也注重从源头上减少空间碎片的产生,航天科研人员已对在役长征系列运载火箭实施了末级钝化处理,并多次就废弃卫星实施了离轨处置。

遨龙一号飞行器是我国在空间碎片主动清理领域的首次在轨验证,已于2016年6月25日随“长征七号”成功发射。遨龙一号装载了一台机械臂。机械臂可以抓取废弃卫星和太空碎片,并具有将它们带到大气层烧毁的能力,这是我国轨道碎片清除技术研制的里程碑。事实上,遨龙一号也是世界上第一个主动的轨道碎片离轨清除实验项目,是中国航天人在世界航天领域不多的独领风骚的杰作。

遨龙一号

遨龙一号的机械臂

这些太空垃圾清理项目有各种科学技术的支持,也有科研人员的脑洞大开。但是如何快速有效的清理空间碎片,国际尚未有定论。目前,我们只能期待做好碎片监测追踪和规避工作,保障在轨运行的卫星、国际空间站和进入太空的航天员的安全。当然,我们更期待,各国早日研发出行之有效的碎片清理技术,还穹顶之上最初的美丽与干净!

(AOPA云:刘丹) 

2werwei.jpg