世界最大的垃圾场 就在我们头顶

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2021-11-09 09:28
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2018年9月,“空间碎片移除”计划的试验卫星成功网捕用于模拟空间碎片的立方体卫星。NASA

  空间碎片是人类航天活动的产物。空间碎片的定义非常严格,是指地球轨道上或再入大气层的一切已失效人造物体,包括其碎块或部件,俗称“太空垃圾”。空间碎片的构成主要包括:失效航天器,火箭残骸,操作性碎片,解体碎片(指由前三类物体在轨运行过程中爆炸或碰撞产生的碎片)。

  越是卫星密集的轨道,空间碎片数量越多。高度2000公里以下的低地球轨道和36000公里附近的地球同步轨道是空间碎片最为密集的区域。从数量上看,在当前所有地球周围的空间物体中,解体碎片占比多达60%,火箭残骸占比8%,操作性碎片占比8%,失效航天器占比12%,另外一些还有异常碎片占比2%。工作的航天器只占了一点点,大概10%。经观测分析,目前已经知道的大于10厘米的空间碎片大约有2.3万个,可能还有6000—7000个没有看到或追踪到,总数在3万个左右;1厘米到10厘米之间的碎片据估计有90万个;毫米级的碎片大概有1亿多。

  躲避比子弹还快的空间碎片

  在太空中,空间碎片运行速度接近第一宇宙速度(7.9千米/秒),是狙击枪子弹最大出膛速度的几倍。一旦空间碎片与航天器发生碰撞,轻则导致航天器表面磨损,功能失效,重则导致航天器的在轨解体,甚至对航天员的人身安全构成威胁。如何躲避空间碎片是航天器空间飞行面临的一个非常严峻的问题。

  对航天器开展碰撞预警,避免其遭受大碎片碰撞,可以提高航天器空间飞行的安全性。碰撞预警包含发射预警和在轨预警两个阶段工作。发射预警是预测发射之后短期内有没有碎片和航天器未来可能去的轨道,位置有危险的交会,一旦发现危险,可以通过改变发射时间来躲避碰撞。在轨预警是指预测稳定运行的航天器在未来一段时间内是否与空间碎片存在危险交会,一般通过控制航天器进行轨道机动规避来躲避危险交会碎片。在轨机动规避的方式有两种:一种是改变航天器到达与碎片轨道交会点的时间,避免碰撞的发生;另一种是抬高或者降低航天器的轨道,使得变轨后的轨道与原定交会点有高度差,从而规避碰撞。

  主要航天国家和国际组织都会对所属重点航天器执行碰撞预警和机动规避。截至2020年,国际空间站已执行规避危险碎片操作28次,其中仅2020年就有3次。欧洲空间局(ESA)平均每颗低轨卫星每年需执行两次避碰操作。我国自神舟五号飞船开始,对飞船进行发射预警和在轨预警已经成为常态化。随着空间碎片环境的不断恶化,航天器碰撞预警需求将急剧增加。

  清除空间碎片各国有绝招

  随着航天活动的蓬勃发展,如不加以治理,空间碎片环境将快速恶化。在轨空间碎片大量累积将导致航天器运行风险随之增加,甚至造成轨道空间无法利用。

  为维护外空活动的长期可持续发展,需要采取主动措施从地球轨道上移除一些对空间碎片环境长期演化有较大影响的空间碎片。目前,空间碎片主动清除的方式主要可以分为两类:一类是接触式的,如机械臂抓,网捕等;另一类是非接触式的,如激光推移,离子束推移等。不管何种方法,其目的都是让碎片离开当前轨道,避免再次与其他在轨碎片发生碰撞。国际上目前已经开展了一些概念研究和初步的演示验证实验。

  1993年,美国国家航空航天局(NASA)提出利用地基脉冲激光器清除近地轨道垃圾的“猎户座”计划。该计划拟采用地基激光清除空间碎片,以减缓空间碎片对载人航天的威胁。后期该计划将重点转移至在轨激光清除。

  2013年,英国萨里太空中心联合欧洲多家研究机构,在欧盟第七框架计划资助下,启动“空间碎片移除”计划。2018年6月,试验卫星脱离空间站开始入轨运行。该计划演示了空间目标的网捕,鱼叉清除过程,以及碎片在轨跟踪技术。

  2018年9月,试验卫星成功网捕用于模拟空间碎片的立方体卫星;同年10月,试验卫星星载探测设备对立方体卫星的旋转和移动进行跟踪。2019年2月,试验卫星的“鱼叉”成功撞击并击穿目标面板,验证了其抓捕空间碎片的能力。

  2019年12月,ESA委托瑞士初创公司实施的“清洁太空”计划已于2020年3月启动,并将于2025年发射航天器,清理位于轨道上的一块碎片——织女星火箭二次有效载荷适配器。

  近年来,我国在空间碎片主动清除方面也取得了长足发展。2016年6月,我国发射自主研制的“遨龙一号”空间碎片主动清除飞行器,开展了空间碎片探测,识别,跟踪与操作等在轨演示验证试验,为后续开展空间碎片主动清除创造了基本条件。(来源:中国国家天文)


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