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太空垃圾悬浮世外的幽灵

发布时间:2020-07-13 12:18:03 阅读: 来源:PP管厂家

还记得科幻大片《地心引力》中空间站被太空垃圾撞毁的情节吗?这一场景近日差点在现实中复制。

根据美国国家航空航天局消息,7月16日,国际空间站的宇航员接到来自地面的预警提示称,一颗俄罗斯的废旧卫星正在向他们撞来。

由于已经没有充足的时间采取规避措施,宇航员们关闭相关设施后,集体进入停留在国际空间站附近的“联盟号”飞船避难。幸运的是,这颗卫星最终与空间站擦肩而过,算是有惊无险。

而这已经是国际空间站建立16年来第四次发生类似的事件。这起事件再次提醒人们,目前地球周围的太空垃圾已经成为航天器以及宇航员的严重威胁,如不想法清除,那么下一次或许就不会这么幸运了。

可监测的大块太空垃圾达2万多块

58年前,苏联将世界上第一颗人造地球卫星送到了太空,人类开启了利用航天器探索外层空间的新时代。1969年7月,人类在月球上留下了自己的足迹,迈出了历史性的一大步。

时至今日,全世界共执行了6000多次发射任务。不断的太空探索给人们带来无数惊喜,同时也带来负面“产品”——太空垃圾。据统计,目前超过3000多吨的太空垃圾在地球上空悬浮,大部分垃圾在近地轨道和地球同步轨道上高速飘荡,成为随时可能引发事故的太空“幽灵”。

“太空垃圾又称空间碎片,是围绕地球轨道的无用人造物体,是在人类探索宇宙过程中,被有意无意遗弃在宇宙空间的各种残骸和废弃物。”空间碎片防护专家、哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心主任庞宝君教授介绍说,太空垃圾主要有三种来源:一是人造地球卫星等人造物体“寿终正寝”或出现故障后继续在轨道中运行,以及人造物体之间、自然天体与人造物体之间碰撞产生的碎片等。比如,美国于1958年发射的“尖兵1号”人造卫星报废后,至今仍在轨道上运行,是轨道上现存历史最长的太空垃圾。二是已完成任务的火箭箭体、火箭喷射物等残骸。三是宇航员太空活动时丢弃的生活垃圾以及太空行走时不慎遗落在太空的物品。例如,1965年美国首次进行太空行走,宇航员爱德华·怀特在舱外活动时不小心掉了一只工作手套,这只时速约2.7万公里、带有巨大杀伤力的手套至今仍飘荡在太空中。

根据美国国家航空航天局等机构提供的统计数据,悬浮在地球上空的空间碎片数量十分惊人。目前,可被监测到的、尺寸10厘米以上的空间碎片达到2万多块,尺寸介于1厘米至10厘米之间的空间碎片有68万块,尺寸介于1毫米至1厘米之间的微小碎片达到7000万块,而尺寸不大于1毫米的碎片现在更是数以万亿计。目前,空间碎片围绕地球高速运转,已经形成了一个类似小行星带的地球外层空间碎片带。

预计每4至9年就会发生一次太空垃圾相撞

“两名宇航员出舱修复望远镜时,俄罗斯摧毁了本国的卫星,连锁产生的碎片疾驰在同步轨道上,与航天飞机发生猛烈撞击,除了出舱的两人,其他航天员全部丧命。”——电影《地心引力》这段故事情节,灵感来自于“凯斯勒综合症”理论。

1978年,美国国家航空航天局科学家唐纳德·凯斯勒首次提出一项理论:地球周围太空物体的密集度已经达到令人担忧的程度。由于轨道中的物体飞行速度极快,如果一颗卫星偏离轨道或者遭到一颗流星的撞击,这种事故将产生连锁反应,进而有大量卫星被毁,变成太空垃圾,对国际空间站等航天器的安全构成威胁。这一理论被命名为“凯斯勒综合症”。

三十年后,“凯斯勒综合症”的理论不幸应验了。

2009年2月10日,美国“铱星33号”与俄罗斯已退役的通信卫星“宇宙2251号”在西伯利亚上空790公里处相撞,猛烈的撞击产生了可被雷达和望远镜观测到的大碎片2100块,尺寸更小的碎片若干。这些碎片如同一枚枚“炮弹”,足以摧毁任何一颗价值连城的人造卫星。这次事故表明,太空碰撞已经从理论走向了现实。

尽管“铱星33号”与“宇宙2251号”相撞是人类历史上首次卫星相撞事故,但在此前几十年间,大大小小的太空事故时有发生。1983年,美国航天飞机“挑战者”号与一块0.2毫米的涂料剥离物相撞,导致舷窗破损,只好停止飞行。1986年,“阿丽亚娜”号火箭进入轨道后不久便爆炸,爆炸残骸使得两颗日本通信卫星“命赴黄泉”。

中国宇航出版社原副社长、航天科普专家石磊告诉记者,近年来随着太空垃圾数量不断增多,受到太空垃圾威胁的各种准撞击或撞击事件愈加频繁。据统计,我国目前在轨航天器已达120余个,平均每年发生与空间碎片100米以内的近距离危险就达30余次。

“空间碎片对在轨运行航天器的危害来自于其超高速撞击效应,研究表明太空垃圾与航天器相互碰撞的平均速度高达每秒10千米。”庞宝君说,破坏力与速度的平方成正比,即使一个仅10克重的空间碎片,其撞击航天器的能量,不亚于一辆以每小时100千米速度行驶的小汽车所产生的撞击能量。

根据国际机构估算,目前太空轨道上飞行物发生灾难性太空垃圾碰撞事件的几率为3.7%,发生非灾难性撞击事件的可能性为20%,预计每4至9年就会发生一次太空垃圾相撞。

美国国家航空航天局公布的一份报告也表示,环绕地球轨道的太空垃圾数量已经达到一个临界点,足以对未来太空探索带来困难。

尚未找到在技术和经济上都可行的清除方案

“太空垃圾的轨道越高,就会存留越长。”庞宝君表示,一般来说,距地300千米的圆轨道太空飞行物寿命约为一年,600千米的将飞几十年,1000千米以上的将飞近百年,4000千米以上的将飞近千年,再高的太空垃圾几乎会永远飞。

根据现有的技术,还无法完全清除空间碎片,且清除起来成本昂贵。庞宝君告诉记者,目前各国应对太空垃圾主要还是以预防为主,采取躲避、防御等手段减缓太空垃圾的增长。

美国、俄罗斯这两个航天大国都建立了先进的太空监视系统,对太空垃圾进行严密跟踪,并及时发布预警,使航天器采取有效技术手段“躲”过太空垃圾。德国则采用激光精确测距与被动光学跟踪相结合的方法,利用望远镜确定太空垃圾的角坐标,同时运用激光测距技术确定太空垃圾的距离,进而计算出太空垃圾的位置。

此外,一些国家的科学家致力于设计防护装置,加强航天器对空间碎片的防护。美国国家航空航天局科学家埃里克·克里斯帝安森曾成立一个超高速撞击技术实验室,用于研究和测试轨道物体遭到高速撞击的结果,开发能让航天器免遭撞击的保护装置。我国的哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击中心,也一直致力于航天器空间碎片撞击防护技术的研究。

美国国家航空航天局的科学家们曾提出指导意见,建议采取有效措施,将任务后卫星等航天器推离地球静止轨道,弃置于“坟墓轨道”,以减少空间碎片对航天器的危害。庞宝君告诉记者,目前,设立“坟墓轨道”的方案已成为大多数科学家的共识。

庞宝君说,躲避、防御等手段,无法从根本上清除太空垃圾。如何有效地清理已经存在的大量太空垃圾,着实令各国科学家绞尽脑汁。

美国、澳大利亚等国的科学家长期致力于研究从地球发射激光,分解绕着地球飞行的太空垃圾。庞宝君认为,利用激光清除太空垃圾是目前看来比较可行的方案。对于那些微小碎片,可以直接通过激光将其烧毁清除。而对于较大的碎片,可以利用高能脉冲激光束照射太空垃圾表面,推动较大的碎片进入大气层摩擦烧毁。

如今,美国已开始在“国际空间站”试验一种“激光扫帚”,通过激光照射在太空垃圾背离地球的一端,使之部分升华为气体,利用气体的反作用力推动剩余部分太空垃圾进入地球大气层烧毁。

瑞士科学家计划2018年发射“清洁太空一号”卫星,配备一个张开的锥形网,如同游戏“吃豆人”一样,一旦闭合即抓获太空垃圾,使其改变原来的轨道,然后坠入地球大气层烧毁。

日本科学家则研究以金属绳捆住漂浮在宇宙空间中的太空垃圾,然后使其降低速度,最终落入大气层中烧毁。

就在一个半月前,中国国家航天局空间碎片监测与应用中心在中国科学院国家天文台挂牌成立,标志着我国空间碎片监测、预警、应对突发事件及国际合作有了实体依托机构,中国空间碎片研究就此进入新的时期。

“尽管清理太空垃圾的方案众多,但目前还没有找到一个在技术和经济上都行之有效的方案。”石磊认为,对付太空垃圾是一项多学科的综合性长期工程,需要各国都予以重视并开展广泛的国际合作,从而群策群力地来保护好人类共有的太空环境,为子孙后代留下一个洁净的太空。(记者 陈诚)

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