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地球外的人造垃圾场

3个月前 1 商界时尚

摘要:商界导读:联合国外层空间和平利用委员会也正在研讨建立具体的规定,以保证那些服役期满即将退役的人造卫星能够不再停留在轨道上。

危险重重的外太空

「休斯顿总部传来骇人消息,不久前行将废弃的俄罗斯卫星被导弹击毁,碎片以超过子弹的速度在地球轨道上散开,并意外击中其他卫星,引起的连锁反应制造了新的碎片。而一台隶属于美国的空间站也被损毁,除了出舱的两人,其他人全部丧命。」电影《地心引力》以此为背景展开了一场逃回地球的故事。

电影展示给我们的绝不是夸大其词,而是很可能真实发生的情况。据科学家估算,目前太空中约有1.9万多块直径大于4英尺的太空碎片围绕地球轨道高速运转,3000吨太空垃圾在绕地球飞奔,而且数量以每年2%至5%的速度递增。

从1957年第一颗人造地球卫星「东方」号被前苏联送上太空轨道以来,在这50余年的时间里,人类总共向地球近地和远地轨道发射了超过5000个各种类型的人造航天器。据美国国家航天局(NASA)统计,现在环绕着地球飞行的人造航天器碎片估计超过5000万个,其中有超过50万块比邮票还大的太空碎片也存在于茫茫太空中;而小粒子可能有几千万,平均每立方公里的空间里已有10件以上碎片。欧洲航天局控制中心发布的一组电脑照片显示,地球上空已成了一个垃圾场。构成这些垃圾的东西是:废弃的航天器和报废卫星、火箭外包装、螺母和螺栓、不慎丢弃的工具、大块冰冻火箭燃料,以及从载人飞船上扔下的宇航员排泄物等等。但是主要来源还是上世纪六七十年代美国和前苏联测试发射的反卫星武器。

尽管大多数碎片尺寸微不足道,但超过2万公里的超高时速使得这些微小的行星碎片变得危险无比。如果不幸撞上卫星或空间站,这些小碎片的威力将可能超过步枪射出的子弹。而那些更大的碎片,如停止工作的卫星残骸、太空站上脱落的零件等直径超过10厘米的物体,若以这样的高速撞上正在使用的航天器,足以引发一场无可挽救的灾难。其实,在航天史上,太空垃圾造成的事故和灾难已经屡见不鲜。现在的航天器已经根本无法避免与微小碎片相撞,只能通过加强自身的防护能力来应对。最糟糕的一种可能性是,宇航员将不得不停止出舱行走活动,因为即便是一点油漆加速到每小时1.7万英里的速度,也会刺穿太空服。因碎片撞击,美国航天飞机平均每次飞行要更换1.41块舷窗。而那些正在轨道上运行的还处于人们操控之中的卫星也好不到哪里去。为了规避越来越多的太空垃圾,它们不得不经常性地使用动力变轨,这样很容易侵入到别的卫星运行的轨道,结局就是两颗卫星不可避免地发生碰撞。

「撞」出来的太空垃圾

为了研究太空垃圾对航天器的危害到底有多大,1984年4月,「挑战者号」航天飞机将圆柱形的「长期暴露装置」释放到近地轨道,其用途之一是检测太空垃圾撞击的影响。5年零9个月后,该装置被回收,检查发现,其表面仅肉眼可见的撞击凹痕就超过32000个,最大凹痕直径达0.5厘米。相当于每天被撞击15次,每绕地球一周就被撞击一次。美国天体物理学家唐纳德·凯斯勒指出,当报废人造卫星和其他太空垃圾在轨道上越积越多时,它们互相碰撞的概率也将变大,直到发生不可避免的撞击。被撞击的物体将会碎裂成无数同样危险的碎片,引起更多的连锁撞击。「这样一来,太空中的垃圾数量将以空前速度增长,在地球周围形成一个垃圾带。」如果对航天器产生的碎片不加控制,随着航天事业的不断发展,航天器自然形成的太空碎片将不断增加。碎片之间也会发生撞击,产生更小、更多的碎片。这是一个类似于「链式反应」的恶性循环。在很短的时间内,太空碎片的数量将像雪崩一样达到无法控制的地步,直到近地空间完全被碎片笼罩,再也没有航天器可以突破这个由碎片构成的「牢笼」。科幻动画片《Wall.E》就讲述了由于人类无度地破坏环境,到2700年地面已经被垃圾覆盖,就连地球外层也包裹着厚厚一层「垃圾云」。人类不得已全体移居到太空船上,并且使用机器人清除地球上的垃圾,等待着有一天垃圾清理完重新回到地球上。这种宇宙垃圾可能会导致的现象现在已经被命名为「凯斯勒现象」。

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太空侦查系统

联合国外层空间和平利用委员会英国代表团团长理查德·克鲁塞教授认为,近地轨道上的航天器与太空垃圾碰撞的可能性正在与日俱增,这一形势也正因为人类不停地把人造物体送进太空而越来越恶化。人造卫星现在已经变成了人们日常生活中必不可少的一部分,它们能够提供很多非常重要的服务,故而首要的任务就是保证这些卫星不被破坏和摧毁。

美国从1957年便开始经营太空物体跟踪系统,通过天基太空监视卫星、「太空篱笆」等技术定位并减少太空垃圾。「太空篱笆」系统统包括3个雷达发射站和6个接收站,分布在从乔治亚州的塔特纳尔到加利福尼亚州的圣地亚哥的广大区域。这项技术将取代1961年建造的美国空军「太空侦察系统」,因为旧的系统已不足以应付大量增加的太空垃圾,诺思罗普-格鲁曼公司特别项目部主任里奇·戴维斯说,与旧系统相比,新系统将能「更准确和更快速地」发现、跟踪太空垃圾,从而有效预防太空轨道中发生碰撞事件,避免太空垃圾给卫星造成破坏。这些太空雷达发射持续的无线电波,像篱笆一样梳理地球轨道上体积大于篮球的物体。该系统每月进行500万次探测,每天可以探测1万个物体,并同时跟踪200个近地目标。现在,全世界了解到的空间物体碰撞事件,基本都是由美国监测到的,而其他国家的航天部门以及商用卫星公司目前都非常依赖于NASA对其卫星可能面临的碰撞威胁所提供的预警信息。欧洲也依靠美国的空间监视网来获取有关轨道碎片的信息。美国的地纂 空间临 测网主要利用空道 深空成像系统(ODSI),以及快速攻击识别、探测及报告系统(RAIDRS)。

空间太空 感知项目

现在,关注太空垃圾问题的并非只有美国一家,不过,如何将世界各国的空间态势监测体系整合到一起,成为统一的空间交通管制系统,需要以联合国为首的国际组织的广泛参与和长期努力。联合国外层空间和平利用委员会也正在研讨建立具体的规定,以保证那些服役期满即将退役的人造卫星能够不再停留在轨道上,而是按期进入大气层被燃烧和分解掉。这样就能够保证太空垃圾的数量不再进一步上升。对于如何清除目前已经存在的太空垃圾的可行性研究也在稳步推进中。

同时,联合国也在考虑使用各国分别发射的微小卫星组成新的空间态势监测系统,并整合全球的太空望远镜基站,形成全球光学追踪和观察网络,统一对太空中的人造物体和太空垃圾进行监测。欧洲空间局也已经开始着手建立一套全新的外层空间追踪系统,并将其命名为「空间态势感知项目」,新的系统将成为国际太空交通管制系统的一个必要组成部分。「空间态势感知项目」有多个欧洲国家参与,首期计划投入620万欧元资金,并将在未来数年内将投资增加到5500万欧元的水平。这将使得欧洲摆脱长久以来对美国空间态势感知系统的依赖。也增强了自己探测外太空的能力。

「太空牧羊犬」

对于宇宙垃圾的清除,各国的外太空环保组织也积极参与其中。2010年3月,英国萨里大学的科学家公布了「立方帆」的设计,可以使较大的太空垃圾脱离轨道。立方帆展开后成为一块5米×5米的塑料薄膜,近地轨道上的稀薄空气分子作用在这层薄膜上,可使其缓缓减速。立方帆将单独发射并且在地面的引导下使用自身的动力来靠近太空垃圾。一旦和太空垃圾对接,它就会张开帆,把太空垃圾拖离轨道,坠向地面。俄罗斯一家航天技术公司则建议开发一种名为「太空牧羊犬」的装置,把太空垃圾逐个清出轨道。太阳能飞船上装备有数个「牧羊犬」(放飞到碎片附近的小型飞船),「牧羊犬」围绕太空垃圾飞行并寻找合适的对接点,一旦连接在一起就连同垃圾一起拖回大气层。每次小飞船都可以捕捉相当于自身质量数倍的太空垃圾。

但以上办法并不能从根本上解决太空垃圾的问题,现在人们的环保意识也需要延伸到外太空,而解决太空垃圾也不是单独某一个国家 的责任,毕竟越是科技发达的国家对卫星的依赖也越大。同时,正在雄心勃勃的地制订各自航天事业规划的国家也要适度放弃太空事业的实行和巨大的商业利益,以确保逐渐拥挤的外太空不会成为整个人类发展的威胁。

太空垃圾带来的重大灾难

1963年5月9日

经过0麻省理工学院建议,美国把用于进行远程通信的辅助3.5亿枚铜针(每枚长1.75厘米,直径25微米)散播在3650千米高的轨道上,形成一个8千米宽,38千米长环状针云,并且最终成为了太空垃圾。

1967-1982年

苏联共发射24颗核动力「雷达型海洋监视卫星」。 由于冷却回路处于开放状态,金属钠泄露到太空,形成从3毫米到4厘米不等的碎片。截至1999年,这些碎片的数量有26万个之多,对附近航天器形成巨大威胁。

1978年1月24日

载有30千克浓缩铀的「宇宙954」坠毁在人烟稀少的加拿大北部地区,在18000平方英里的范围内散落了大量带有高放射性的碎片。虽然没有危及人员安全,但加拿大花费1400万美元清除污染,并获得苏联赔偿。

1983年6月

宽仅0.008英寸的一小片油漆屑撞击了美国「挑战者」号航天飞机的一扇户,虽然弹孔微小,但美国不得不以5万美元的代价把窗户换掉。

1986年

欧空局的「阿丽亚娜」火箭进入轨道之后不久便爆炸,形成了564块10厘米大小的残骸和2300块小碎片。这些如散弹枪弹般密集的「弹丸」后来直接造成两颗日本通信卫星失灵。

1991年9月15日

美国发射的「发现者」号航天飞机差一点与苏联的火箭残骸相撞,当时「发现者」号与这个不速之客仅仅相距2.74千米,幸亏地面指挥系统及时发来警告信号,悲剧才免于丧生。

2005年1月17日

距离地球表面885千米的近地轨道,美国一枚「雷神」运载火箭的一级受到一块中国火箭碎片的碰撞。

2008年9月4日

太空垃圾威胁「阿特兰蒂斯」号,综合考虑各种因素,航空和航天局最终把「阿特兰蒂斯」号这次飞行遇险几率定为80分之一。

2009年2月11日

美国的「铱星-33」与俄罗斯的一颗报废卫星「宇宙2251」在距地面800千米的太空中相撞。这是太空中首次发生完整的在轨卫星相撞事件。相撞后形成的太空垃圾共有1158块,其中俄卫星分裂成809块,美国卫星分裂为349块。在撞击轨道附近有航天器运行的国家都进入紧张戒备状态。

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