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《新京报·新知周刊》

 
 
 

日志

 
 

太空“大扫除”手册  

2008-02-26 17:31:00|  分类: 封面故事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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太空“大扫除”手册
太空垃圾监测、防御、清除办法详解
 
www.thebeijingnews.com · 2008-2-24 7:05:00 · 来源: 新京报


太空大撞车的危机时刻摆在了我们面前。在人类自己制造的麻烦面前,科学家也是绞尽脑汁,希望能一劳永逸地解决这一问题。

 

载人航天活动中丢弃的东西。和平号空间站的垃圾就直接被抛向太空。而航天员在太空行走时遗弃的扳手、手套、摄像机灯等物品也成为太空垃圾。

 

报废的卫星等空间装置。发射卫星后卫星失效、出现故障的情况并不罕见。在太阳系空间,尤其在近地轨道上的太空探索活动中产生、遗弃的碎片和颗粒物质有很多。约占太空垃圾总量的31%。

 

航天器在空间发生碰撞及爆炸产生的碎片。迄今为止,这样的空间爆炸一共发生过150多次———著名的如“和平号”空间站起火事件、阿波罗13号上的爆炸等等,产生了大约70万个直径大于1厘米的碎片,其中有17万个仍滞留在轨道上。约占太空垃圾总量的38%。

 

发射时送入轨道的物体,如运载火箭末级、有效载荷及相关物体。其中运载火箭末级也称为“第三级”,主要是完成任务后遗弃在了空间,有些也是因为燃料不足,无法返回地球,由此成为漂浮在太空间的居民。约占太空垃圾总量的17%。

 

 

侦察 收集太空垃圾情报

 

解决太空垃圾的问题,“节流是个基本原则”。赵洋指出,节流指的是减少碎片的产生。事实上,中国科学家已经基本解决了火箭的剩余燃料排放问题,废弃火箭的爆炸事件越来越少。“现在各国都努力从源头上减少太空垃圾的产生。”庞之浩指出,目前研究人员研究航天器,为了防止它成为太空垃圾,一般采用几种方式。类似在装燃料时尽量多装一点,以使其能返回地球,尽量坠入人烟稀少的太平洋航天器“坟场”。另外将控制系统寿命设计得更高一点,即使其他系统都不工作,控制系统也要工作。

 

此外,跟踪监测较大碎片从而让航天器提前规避,也是个办法。庞之浩指出,目前国际社会一般采用3种方式来跟踪监测太空垃圾。其中陆地上有2种,光学望远镜和雷达。对于近地轨道,一般都用雷达,雷达可以全天候、全天时进行跟踪。对于高轨道安全保卫工作则要靠光学望远镜来完成,“轨道高的话,太阳光照射也比较强烈。”还有一种方式是天际跟踪。这种方式不受大气层阻挠,跟踪效果好。

 

我国已经在紫金山天文台建立了“中国科学院空间目标与碎片观测研究中心”,监视太空垃圾,减小空间飞行和探测的安全隐患。这场对于空间垃圾的狙击战中,包括建立小空间碎片的数据库,对于目前已发现的空间垃圾进行“实时跟踪”监测,同时拉网搜索尚未被发现的空间垃圾,对航天器发射和在轨运行碰撞时进行预警技术的研究,进行风险评估技术评价等。

 

 

防御 给航天器穿“铠甲”

 

2007年5月,国际空间站终于穿上了“铠甲”。此前,俄罗斯为国际空间站建造的生活舱已在距地面355千米的轨道上运行了7年。在此期间,太空大撞车的危机也时刻威胁着空间站。为此,2名俄罗斯宇航员在经过5个半小时的太空行走后,为空间站安装了5个铝制金属遮蔽罩。每个遮蔽罩重9千克,宽 0.6米、长0.9米。进而减少了太空垃圾对空间站的威胁。

 

“这相当于我们给军用车辆穿装甲的方式。”庞之浩指出,近两年国际空间站的成员多次通过太空行走,给一些空间站的要害部位添加了防护罩,防止碎片把太空舱直接打穿。

 

而为了更好地抵御太空垃圾的撞击,科学家更是对撞击风险进行了评估,区分出不同部位的不同风险,并分别进行防护设计。

 

 

进攻 主动出击大扫除

 

当然科学家也设想了一些主动出击的办法。此次美国用导弹打下卫星的举动就属于此类。

 

为了准确狙击,美国专家监控计算了这颗卫星可能坠落的地点,进而制定出较为准确的地点和时间,采取导弹击落计划。最大可能地保证击破卫星的燃料箱,保证其中的联氨在大气层中消散,不至于影响到太空中的其他卫星和正在运行的飞行物。

 

方法1 导弹狙击法

 

“导弹打太空垃圾,这样的手段之前苏联等国也采取过。”赵洋指出,结果不同的是,在此之前苏联用导弹打太空垃圾,结果产生的是更多的太空垃圾。而美国此举瞄准的卫星离地球约200千米,由此即使导弹将卫星打成了碎片,那么这些碎片最多也只会在大气层中漂浮一个月,细小碎片会与大气层摩擦,最终销毁。

 

事实上,围绕地球运行的空间碎片都有自己的轨道,相当于一个个航天器。近地空间的碎片受到逃逸大气阻力较大,因此,离地面越近的碎片越容易陨落。距地300千米高度的碎片,寿命约为1年,600千米外的碎片就可能运行上几十年了,1000千米以外的碎片可以飞上千年,三四千千米以上碎片则可以飞行上万年,再往外,碎片就几乎不可能被地球引力拉下来,永远飞下去。

 

“我们知道以前掉下来300多颗卫星都没有造成伤害,这是因为太空垃圾会以高速坠入大气层,一般到了大气层时速度能达到每秒7.8、7.9千米的样子。卫星与大气层剧烈摩擦,基本都能烧毁。”庞之浩指出,因此导弹狙击太空垃圾是目前最为可行的一种方法。

 

方法2 激光扫帚法

 

形似扫帚的激光,威力可不小,这就是NASA科学家设计的清扫太空垃圾的方法。当“激光扫帚”锁定某个太空垃圾目标后,就会发出一束激光,照射在太空垃圾背离地球的一端。激光的高热随即引发连锁效应,被激光射中的这部分太空垃圾,升华为气体,并向外喷射。随后,利用气体的反作用力,太空垃圾就开始朝地球的方向运动———和喷气式飞机的原理一样。最终,太空垃圾坠入大气层,强烈摩擦后燃烧。

 

方法3 太空清洁车

 

4个金属扇叶,每个长400米,宽45米,中央安有电脑,形如“电扇”的“太空清洁车”被发射进轨道中。这架巨大的“电扇”慢慢旋转,并寻找碰撞目标。不好,前面有危险物。“太空清洁车”可不像航天器一样采取避让措施,而是迎面冲上,硬生生地撞上太空垃圾。不过,“太空清洁车”的金属风叶很快就将太空垃圾卷入其中,起到了清扫目的。

 

庞之浩指出,目前设计的这一方案,要求清洁车本身就非常结实,被碎片击中也不会出现严重损坏。另外如果不是扇叶似的清洁工具,也会可以用相当于网子似的设备,把碎片收起来。

 

与此有异曲同工之妙的是,美国科学家设计出了一个名为“太空工友”的航天器,它由12个空间“垃圾箱”组成,将在地球同步轨道上运行。当太空中的废弃卫星或碎片飞过时,由电脑控制的机械臂会轻而易举地抓住目标,并放进“垃圾箱”,并将其分割切碎,使其坠入地球大气层燃烧自毁。

 

■ 链接

太空垃圾引发宇宙事故

 

迄今为止人类确认了3起严重的太空相撞事件:

 

1991年12月,俄罗斯失效卫星“宇宙1934”撞上了该国另一颗卫星“宇宙926”,前者一分为二,后者零碎到无法跟踪。

 

1996年7月24日,一块“阿里安”火箭的残骸,以每秒14千米的相对速度撞断了法国一颗电子侦察卫星的重力梯度稳定杆,后者翻滚失效。

 

2005年1月17日,在太空中飞行了31年的美国“雷神”火箭废弃物,和中国6年前发射的长征4号火箭残骸,以每秒5.73千米的相对速度碰撞,前者一分为四,后者的近地点轨道下降了14千米。

 

目前太空轨道上每个飞行物发生灾难性碰撞事件的概率为3.7%,发生非灾难性撞击事件的可能性为20%。

 

 

新知专题采写 本报记者 李健亚

本专题所用图片 均为资料图片

本专题感谢

庞之浩(中国空间技术研究院研究员)

赵洋(中国科技馆规划发展处博士)

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