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超7000吨太空碎片绕地球飞行 航天器空间安全如何保障

时间:2016年11月15日 信息来源:中国科技网-科技日报 点击: 【字体:


最近两个多月里,天宫二号,神舟十一号,长征五号,一连串的太空发射活动,让国人一次次抬起头,仰望那一片深邃的星辰大海。

为了保障出征太空勇士和航天器的星途坦荡,不同领域的科研人员、工程技术人员殚精竭虑,这其中,研究空间碎片监测移除技术的专家同样肩负重任。

在神舟十一号飞船载着两名航天员升入太空的三天后,40多位学者齐聚北京香山饭店,以“空间碎片监测移除前沿技术与系统发展”为主题,进行了为期两天的研讨。在这第573次香山科学会议上,“任重道远”是与会者提到最多的词,可见星辰大海的征程漫漫,需要更多学科专家共同攻坚克难。

 ——恶化——

 空间碎片数量急剧增长

联合国和平利用外层空间委员会(UNCOPOUS)和机构间空间碎片协调委员会(IADC)对空间碎片的定义是:地球轨道上在轨运行或再入大气层的无功能的人造物体及其残块和组件。

据介绍,从1957年第一颗人造地球卫星升空以来,截至2015年底,人类共进行了近5000余次航天器发射活动,把6700余颗航天器送入轨道。在所有发射的航天器中只有近一千多个航天器在有效服役,而其他的因丧失功能而变成了空间垃圾,不少已经陨落。同时,已发生过260余次在轨航天器或火箭解体/爆炸/撞击(破碎)事件。它们产生了数量众多的太空垃圾,形成了一个人为的外层空间环境——空间碎片环境。

到2016年9月底,空间碎片总的质量达到了7000吨。近地空间中,毫米级以上不同尺度的碎片数以亿计。

“更为紧迫的是,近年来,空间碎片的增长速度非常快。”本次会议执行主席、中国空间技术研究院李明研究员在主题报告中介绍说,在低地球轨道区域,厘米级空间碎片由2005年的30万个增长到2015年的50万个,年增长率达15%。根据美国空间碎片研究专家Kessler的研究结果,按照目前的碎片增长速度估算,如果不采取任何措施,未来70年后碎片数量将达到发生碎片链式撞击效应的临界值,之后近地空间将彻底不可用。

由于在轨卫星数量的不断增加,使得空间碎片碰撞风险急剧上升。美国宇航局、欧洲空间局的统计研究均显示:空间碎片撞击占空间环境引发各类卫星失效事件的比例也在逐步增长。

——趋势——

天基系统技术正当时

如此隐患巨大的太空垃圾,让世界各国的科研机构都在绞尽脑汁地寻找破解之路。

目前,国际空间站专门加设防护层以应对毫米级碎片的撞击。多国航天机构也要求发射入轨的运载火箭末级和寿命末期的航天器需作钝化处理,即排空剩余燃料,对蓄电池和其他有能量部件做失能处理,从而减少产生更多碎片的风险。

美国具有国际上最为先进和完善的空间碎片地基光学和雷达观测手段,从2009年开始启用陆基雷达阵组成“空间篱笆”,系统监视空间碎片,这一系统正升级到第二代,最近几年开始发展天基监测手段。欧洲空间局和俄罗斯也各自组建了空间碎片监测系统,提供空间碎片跟踪观测和搜索发现、碎片编目及碎片特征探测、卫星的碰撞预警、运动模型及轨道演化等服务。

中国空间技术研究院总体部的潘腾研究员认为,现有的空间碎片地基监测手段无法达到对空域、时域的无缝覆盖,不能达到全天域、全天候、全天时监测。发展天基监测技术是空间碎片跟踪与监视的大势所趋,最终形成天地系统一体化、全天时、全天域、全天候、广尺度、多手段对碎片的监视能力。预计美国在2018年具备5厘米以上约10万个空间碎片的监测编目能力和空间事件的快速感知能力,低轨定位精度10米、高轨定位精度100米,可实时监视重要空间碎片。

除了监测,空间碎片的移除技术也是各国研发的重点。据中国空间技术研究院总体部的谭春林研究员介绍,所谓主动移除是指对地球低轨道上的碎片进行降轨使其进入大气层烧毁,对地球同步轨道碎片使其升轨而进入坟墓轨道,从而达到保护在轨航天器不受碎片撞击或大幅降低撞击风险的目的。根据碎片尺寸大小的不同,目前实施的技术主要有机械臂抓捕、飞网捕捉、太阳帆和激光移除等多种方式。

——思路——

系统优化与顶层设计

据了解,我国的空间碎片监测在最近几年有了较大发展。成立近一年的空间碎片监测与应用中心,已具备了在轨风险评估、航天器发射预警、空间物体安全再入、航天器解体分析、减缓评估、地球同步轨道轨位安全性分析、空间碎片环境评估等能力。

另一方面,我国空间碎片主动移除技术研究和国外几乎同时起步,正在从概念研究向关键技术攻关过渡,并部分向天基技术验证转移。但由于缺乏明确的项目计划和工程牵引,无法常态化运行,难于实施碎片环境治理任务。

与会专家呼吁,对于这个关系我国太空探索权益和保障空间资产安全的重要领域,应有全局和系统思想,超前谋划,统一部署,并提出了发展“1个系统、2个平台和3个产品”组成的空间碎片环境治理系统的发展思路,即“建设包括由天基空间碎片移除卫星星座、天基空间碎片监测卫星、空间碎片移除中心组成的一个系统;发展由空间碎片监测移除技术集成地面试验平台、空间碎片超高速撞击效应集成地面试验平台组成的两个平台;研制空间碎片自主离轨通用化产品、空间碎片在轨感知通用化产品、航天器多功能防护结构通用化产品构成的三类产品”这样一个发展思路,进一步加大共性关键技术和科学问题研究的投入,尽早推动空间碎片监测与移除专项工程的立项,加快空间验证等工程的实施,以期及早具备空间碎片全局监测与移除的自主能力。

——国际——

制定统一太空“交规”

事实上,要真正解决太空垃圾难题,不仅要借助于技术手段,还需要国际社会协同合作,制定统一太空“交规”。在这方面,目前国际组织只是初步订立了几项原则,包括航天器到达设计寿命后,要离开有用轨道;对已编号的全部碎片,要进行全程跟踪等。由于涉及到的国际法比较复杂,这方面还有很长的路要走。

据中国空间法学会的张振军教授介绍,空间碎片主动移除目前面临不少法律障碍,依据现有的国际空间法,空间碎片尽管属于有害物,但也并非可以自由进行移除,未经许可的移除可能侵犯登记国的管辖权或者所有权,也会引发国际冲突及一连串法律后果。毕竟有能力移除空间碎片的国家,就有可能摘除别国的航天器,从而威胁太空安全秩序。这也在一定程度上制约着太空垃圾的清理。


背景链接

空间碎片对航天器造成可怕威胁

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

1996年7月24日,法国CERISE卫星与阿丽亚娜V型火箭残骸相撞,导致该卫星的重力梯度稳定杆损坏,最终卫星失稳。

2013年5月24日,厄瓜多尔“飞马座”卫星在印度洋上空与一枚由前苏联1985年发射升空的火箭燃料箱残骸发生“侧面撞击”,导致卫星寿命终结。

国际空间站迄今为止为了躲避空间碎片撞击进行了24次机动规避,每次规避消耗推进剂约30公斤。

……

近年来空间碰撞事件频发,国际上为躲避碎片撞击而进行的卫星机动规避已达每年30余次,而因碎片撞击而导致的卫星异常或失效事件也有多起发生。

李明研究员介绍说,在距地面2000公里内的人类使用最频繁的低地球轨道(LEO)上,空间碎片一旦与航天器发生撞击,平均撞击速度将达10km/s。空间碎片与航天器撞击产生极高压强,毫米级以上尺度的碎片会穿透航天器表面,并形成高速碎片云,破坏内部的器件和系统,轻则导致航天器表面性能衰退功能丧失,重则对结构和载荷造成严重损伤甚至使整个航天器彻底爆炸解体,对航天器安全和航天员生命造成巨大潜在威胁。而坠入大气层的大尺度空间碎片,陨落时可能有部分质量未完全烧毁分解,也会对地面安全造成威胁。 


(作者:游雪晴)
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