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“阿司匹林”能把卫星撞残?太空垃圾能否清除

时间:2017年03月08日 信息来源:腾讯新闻 点击: 【字体:

国际空间站20天内“挪窝”两次,只为降低轨道高度躲避太空垃圾;一块微小的油漆斑点,在太空高速飞行中撞击卫星,可能引爆一场航天大国间的外交甚至军事冲突……

为应对太空垃圾带来的重重问题,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。

太空本是广袤无垠的空间,却由于人类活动而日益拥挤。规避空间碎片几乎成了各种航天器、卫星和国际空间站的“规定动作”。这些太空垃圾是如何产生的?其严重性是否被扩大了?相关清理技术真的有效吗?

1965年,美国宇航员爱德华遗失的手套,以时速近2.8万千米的速度在太空飞行。好在,这只杀伤力大的手套,最终在大气层被烧毁。

2007年,国际空间站宇航员安德森在太空行走期间,将一个635千克重的有毒氨水罐抛入太空。16个月后,这个电冰箱大小的太空垃圾坠入澳大利亚和新西兰之间的茫茫大海,没有击中过往船只。

但在人类航天史上,太空垃圾造成的事故也并不少。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,“阿里安号”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卫星失灵。

太空垃圾,又可称为轨道碎片,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、相机、牙刷;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。

目前,地球轨道中飘浮着难以计数的太空垃圾,其中至少有2万块大尺寸碎片可在地面进行追踪。最大碎片相当于一辆公共汽车,可观测到的最小碎片与垒球相当。科学家指出,一块阿司匹林药片大小的碎片就能把人造卫星撞成残废,大于10厘米一个棒球大小的垃圾则可能直接撞碎航天器。

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。

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雷达筑成“监视篱笆”激光脉冲射杀轨道碎片

太空垃圾隐患巨大,各国、各地区的科研机构都在积极尝试破解。

目前,国际空间站专门加设防护层以应对小碎片。欧洲航天局规定,卫星应作钝化处理,即卫星被撞后也不会发生爆炸,从而避免产生更多的碎片。

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。

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。

日本理化学研究所的科学家们则提议为国际空间站安装一个激光系统,用于“射杀”太空垃圾。这个激光系统可利用空间站上的望远镜,搜寻和锁定约100千米外的太空垃圾,而后发射激光。强大的激光脉冲能够将太空垃圾推入地球大气层,最后迫使其在大气层中燃烧殆尽。研究小组认为,这个激光系统能够在5年内清除大多数太空垃圾。

更具环保意义的尝试则是“二维宇宙飞船”。这种航天器使用特殊的二维薄膜材料制成,可以包裹住太空垃圾并使其离开轨道。据美国宇航局介绍,“二维宇宙飞船”面积大小为1平方米、重量约为35克,发射成本大为减少。

中国政府也注重从源头上减少空间碎片的产生。记者了解到,我国的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。

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既要发展技术手段还需制定太空“交规”

从现有技术角度来看,诸如激光烧、机械手抓取等清理太空垃圾的设想,都面临一些难题。

以“清洁空间一号”为例,机械手臂捕捉太空垃圾时,容易受到阳光的干扰。阳光反射会扰乱视觉处理系统,影响速度和距离的估计。这就对任务操作的精密性提出了极高的要求,研究人员必须考虑各种参数,如太阳的光照角度、立方体卫星物理数据、移动的相对速度和所有与测量有关的不确定性,以及卫星自身旋转速度等。同时,还要努力完善视觉信号处理的项目,确保太空操作处理器的高性能。

使用激光粉碎太空垃圾的方法,也有一个“先天不足”,即无法处理直径小于10厘米的太空垃圾。而为了消除这些较小的太空垃圾,科学家设想在太空飞船上装配网状结构进行筛选。但这种太空飞船的动力,从何而来?

清华大学研究人员有针对性地提出了一种解决措施:首先,太空飞船使用网状装置捕获太空垃圾,收集的太空垃圾通过激光进行消化处理,或者使用特殊研磨球处理成粉末。之后,将这些粉末状太空垃圾放置在极端温度条件下,使其转变成可作为火箭燃料的等离子体。然而,有批判人士认为,这一设想过于完美、难以实现。

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”。航天专家叶培建认为,除了进行碎片防护、防止太空垃圾导致的碰撞,还应协同各国进行轨道位置的合理有效分配。

“随着空间飞行器的增多,轨道位置的分配问题日渐受人关注。一个空间的轨道位置,尤其是地球同步卫星轨道,其实非常有限,需要国际上进行合作,按需求和可能予以优化。”叶培建呼吁,还有必要考虑用好当前看来“不太好的轨道位置”,做到开源节流。

在这方面,目前国际组织初步订立了几项原则。具体包括:飞行器寿终正寝后,有能力离轨即离开有用轨道;对已编号的全部碎片,要进行全程跟踪,目的是让航天飞机、空间站、卫星对较大碎片进行避让;在飞行器设计的时候,应考虑如何针对小碎片碰撞进行有效防护等。

此外,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。这在一定程度上制约着太空垃圾的清理。


(作者:夏斌)
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