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人类探索60年太空交规 大如汽车小似药片各个都是狠角色 北晚新视觉

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发表于 2018-5-5 10:42:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
  2016年2月28日,看过电影《地心引力》的人,都知道太空碎片的厉害,卫星爆炸产生的碎片像子弹一样击穿轨道上的一切物体,连锁反应后产生更多碎片,了所有重要的空间设施,使得宇航员几乎全军覆没。

  自1957年人类发射第一颗人造卫星至今,太空中的废弃航天器已有五千颗左右,而来自失效的卫星、探测器以及发射之后留在轨道上的火箭残骸就更多了,越来越多的漂浮在太空,形成太空垃圾,即“空间碎片”。目前太空碎片总数已超过4000万个,仅大于12厘米的空间碎片就有17000多个,以毫米计算的空间碎片则数以亿计,总质量达到几千吨,而且空间碎片每年还在以2%-5%的速度增加。
  数量多、速度快是空间碎片的危害所在,在各自的轨道上,这些碎片以每秒6000至7000米的速度运行,一个仅10克重的太空垃圾所产生的撞击能量,相当于时速100千米行驶的两辆轿车迎面相撞产生的能量。
  “厘米级以上的空间碎片可导致航天器彻底损坏,毫米级或微米级空间碎片的撞击累积效应将导致航天器性能下降或功能失效,空间碎片陨落对地面人员财产的现实也日益严峻。”中国国家航天局秘书长田玉龙介绍说,在轨航天器与空间碎片距离小于100米的交汇,就是相当于“碰撞”的概率,每周平均有几十次。
  作为一个负责任的航天大国,我国高度重视空间碎片问题,设立了专门的空间碎片行动计划,成立空间碎片协调和专家组,不断加强空间碎片监测、预警、防护和减缓等各项研究工作。田玉龙透露,我国现已完成了空间碎片地基监测一期工程建设,为载人航天、探月工程以及多颗重要卫星提供了空间碎片监测预警技术服务,开发出高性能防护材料和先进防护结构,特别是在空间碎片减缓方面,颁布了《空间碎片减缓与防护暂行管理办法》,对在役“长征”全系列运载火箭实施末级钝化处置,并多次对废弃卫星实施离轨处置。
  “人类只有一个地球,也只有一个外层空间,空间碎片问题需要全球航构共同面对和解决。”田玉龙表示,未来,中国国家航天局将继续推进空间碎片相关研究工作,加强政策和法规制定,同时也将和航构一起携手共进,共同一个和平清洁的外层空间。

  “空间垃圾”的产生和增长离不开人类的影响,人类历史上第一个入轨的太空垃圾是1957年前苏联发射的“斯普特尼克号”,这是一个直径58.5厘米、重83.6千克、有4根鞭状天线、内装有无线电脉冲的。
  1958年,美国发射了首颗卫星“探险家1号”。之后几乎每个进入太空的航天任务都会产生新的残骸,当前苏联把首个人类宇航员尤里·加加林送入太空时,近地空间约有200个人造物体,随后,发射升空的探测设备一直稳步增长,直到2007年太空垃圾大爆发,2009年,若干大型卫星发生撞击,再次增加了2000多个碎片。
  中科院院士、南京大学天文系教授方成介绍,人类历史上出现过两次大的卫星碰撞事件,一次是2009年,美国“铱33”号通信卫星与俄罗斯已经报废的卫星“2251”相撞;另一次是2013年1月,一颗俄罗斯卫星与一个空间碎片相撞。前者的撞击产生了大量碎片,而且这些碎片可能存在上万年,对近地轨道上其他卫星造成严重。
  国家空间天气监测预警中心研究员薛炳森介绍,目前太空碎片总数已超过4000万个,仅大于12厘米的空间碎片就有17000多个。
  从体积来说,这些空间碎片有大有小,既有深空探测的小型装置,也潜伏着整艘火箭的引擎,最大碎片与一辆公共汽车相当,而小个儿的碎片如一个垒球,更小的如同药片一样的碎片更是无以计数。
  而太空碎片包围着的地球又是怎样一个场景呢,想象一下这样一幅画面,人类现在生活在一个被大约2万多个比苹果大的太空碎片包围的地球上,而这些残骸每一个都拥有每公里行驶1.7万公里的速度,足以撕裂一道钢铁墙壁。不仅如此,这些碎片受地球重力影响,一圈一圈降低高度,最终将会坠毁在大气层中,少数的较大残骸在坠落时没有燃烧尽,就有可能掉落到地面上,而空间碎片一旦陨落对地面人员和财产也将构成现实。
  空间碎片是航天器和卫星的“天敌”,即使轻微碰撞,也会造成重大损坏。一块仅有阿司匹林药片大的空间碎片也能将人造卫星撞成“残废”。
  “受太空垃圾与碎片最大的是卫星和空间站。”方成表示。人们可能想不到,空间碎片竟然会“撞昏”卫星,2013年,厄瓜多尔唯一一枚卫星“飞马座”就猝不及防撞上苏联火箭残骸,虽然没有脱离原先轨道,但太阳能电池板受损。厄瓜多尔航天局的微博客发布消息说,卫星天线“无向”,“围绕两根轴狂转”,被“撞晕”了。“各种太空垃圾与碎片以每小时几万公里的速度高速运行。即使是很小的碎片,如果撞到航天器,轻则太阳板损害,重则直接爆炸。”方成表示,没有火箭喷射装置的卫星很难避开空间垃圾的碰撞。
  事实上,规避空间碎片几乎成为各种航天器、卫星和国际空间站的“动作”。国际空间站去年多次调整飞行轨道和高度,最频繁时在3周内两次调整轨道,空间碎片。一次国际空间站飞行控制人员在一块阿丽亚娜5型火箭残骸时发现,这块太空垃圾有可能从空间站旁约300米处飞过,为了空间站安全,决定调整空间站飞行轨道,于是推进器点火,将空间站的轨道抬升了约800米,空间站上的6名宇航员提前得到通知,没有任何。
  除变轨外,国际空间站还为一块日本卫星碎片、一块俄罗斯卫星碎片和一块印度火箭碎片的而准备过相关措施。空间站通常的避险方式包括改变或飞行状态,必要时还会将宇航员疏散到其他航天器。
  空间碎片的日益增多,也人类的航天器做出改变,为避免遭到空间碎片的“袭击”,美国现有的航天飞机体积都较小,执行任务时飞行时间也大大减少,只有几天至十几天。即使这样,它们也曾多次因为太空垃圾残片而改变了飞行姿态。

  有科学家指出,即使不再发射任何航天器,现有航天器老化、报废和也会导致空间碎片“繁殖”。一旦遭空间碎片撞击报废,航天器就变成新的空间碎片,这种“繁殖”的特点严重污染着地球同步卫星轨道。
  人类开展太空探测的重要区域之一是近地轨道,目前来目看,距地球2000公里的近地轨道情况不容乐观。俄罗斯航构曾说,目前地球同步轨道的太空垃圾污染非常严重。地球同步卫星轨道距地面约3.6万公里,在轨卫星相对于地面是静止的,通常属于通信卫星。鉴于现代卫星的功能复杂而高度集成,损失任何一颗卫星都会带来巨大问题。
  在轨航天器与空间碎片相撞的可能性正在增加。此前,航天器与1厘米见方的空间碎片相撞的频率约为5年一次,现已提高到每1年半至2年一次。如果不解决空间碎片问题,人类可能在未来20年内失去地球同步卫星轨道。
  空间碎片的“繁殖”是一种“凯斯勒现象”,是以1978年首次描述它的美国宇航局科学家命名的。这位科学家认为,空间碎片的繁殖使得碎片群得以长久维持,如果有一天近地轨道上的碎片实在太多了,以至于人造卫星和航天器经常被撞击,就会产生更多的空间碎片,最后,发射新的太空器都几近不可能,因为一发射上去就会被撞坏。而且这些碎片群不仅对卫星是灾难性的,对宇航员也是致命的——正如电影《地心引力》所描述的那样。
  空间碎片隐患巨大,清除刻不容缓,都尝试解决,却没有立时可行的方案。方成介绍,有的科学家进行了大胆设想,比如发射一个带有大网的卫星,到达太空后将垃圾收集带回地球,这个设想技术上可行,但需要大量财力。此外,利用高强度激光将太空碎片击碎也是设想之一,但这一方案更是面临技术与资金的双重难题。
  还有的国家提出发射一颗清理碎片的卫星,在卫星上安装一种超快仿生手臂,捕捉并回收航天器碎片,最后带着它们一起冲入大气层焚烧殆尽,据说这种机械手臂的特点是“超快”:能在0.05秒内抓住各种不规则形状的抛掷物。但这种空间碎片清扫卫星预计需要3至5年时间才可能达到实用水平,其研发和发射费用也是一笔巨资。
  事实上,要真正解决空间碎片难题,不仅要求助于技术手段,还需要国际社会协同合作,制定统一太空“交规”。航天专家叶培建院士认为,除了进行碎片防护、防止太空垃圾导致的碰撞,还应协同进行轨道的合理有效分配。他说,随着空间飞行器的增多,轨道的分配问题日渐受人关注。一个空间的轨道,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”按需求和可能优化,有必要考虑如何用好当前看来“不太好的轨道”,开源节流。
  航天专家、《国际太空》执行主编庞之浩介绍了国际上应对空间碎片的最新思:利用航天激光来清理空间碎片即从地球上发射激光来分解绕着地球转的太空垃圾,以减少其可能引发的系列撞击事件。
  激光清除空间碎片主要有两种方式:直接烧蚀式和烧蚀反喷式。前者可用于清除微小空间碎片,即利用强大的连续波激光照射空间碎片,把光能为热能,使其温度升高至垃圾碎片的熔点甚至沸点,使其被熔化和汽化,实现碎片清理;烧蚀反喷式主要用于清除较大的空间碎片,它是用高能脉冲激光束照射空间碎片表面,产生类似于火箭推进的“热物质射流。为空间碎片提供一定的速度增量,从而使其近地点高度降低以致进入大气层摩擦,以达到清除空间轨道碎片的目的。
  清除空间碎片的激光器可以被部署在卫星上,由于激光在真空中时的损耗可忽略不计,没有折射、散射等误差影响,其使用空间范围得到了扩展。庞之浩表示,虽然天基激光是未来清除太空垃圾的一种高效方案,但也有科学家认为,这种激光可能演变成一种空间武器。庞之浩认为,不管是采用什么方法,对付空间碎片都是一项多学科的综合性长期工作,需要的重视,需要广泛的国际合作。
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