天鯤一號發射成功用以觀測空間碎片,“行走的炮彈”到底有多大威脅

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出品:科普中國

製作:翱翔者聯盟

監製:中國科學院計算機網路資訊中心

今年3月3日,就在全國政協會議開幕會的當天,中國航天科工集團在酒泉衛星發射中心,成功發射了新技術試驗衛星“天鯤一號”,這顆衛星擁有一個新技能——觀測空間碎片。

近年來,隨著人類空間探索活動增多,太空中由於人類活動造成的空間碎片也日漸增多。這些空間碎片分佈在太陽同步軌道、地球同步軌道、近地軌道等軌道上,已經成為衛星、飛船、空間站等在軌安全執行的一大威脅。

行走的炮彈

根據美國航空航天局ODPO統計,截止到2016年10月4日,地球近地軌道範圍內共有被監測的人造天體17817個,而最近的三個月就增長了88個,碎片增長的速度也越來越快,這導致地球看上去就像被垃圾場包圍了一樣。

如果你在電影院看過3D版的《地心引力》,你也許可以體會那些四處亂飛的碎片垃圾有多麼危險。空間碎片絕大多數分佈在距地面2000km,這是人類使用最頻繁的低地球軌道(LEO),其執行速度為7.8公裡每秒,而它們與航天器如果發生超高速撞擊,其相對撞擊速度在0到15公裡每秒,平均撞擊速度為10公裡每秒,要知道地面上炮彈的速度最高也不到2公裡每秒,所以這也對航天器安全和航天員生命也構成了巨大的潛在威脅。

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舉一個例子,直徑25px的鋁球以10公裡每秒的速度撞擊所產生的能量與地面上速度為120公裡每秒的小汽車撞擊相當。一塊微小的油漆斑點,在太空高速環境下撞擊衛星,就可能引爆一場航天大國間的外交甚至軍事衝突。10釐米的碎片碰撞將徹底摧毀一顆航天器。

實際上,因為太空碎片的碰撞導致破壞的例子也不勝列舉,在1983年,“挑戰者號”太空梭與一塊直徑0.2毫米的塗料碎片相撞,導致舷窗被損,隻得提前返航。而在1986年,“阿麗亞娜號”火箭進入軌道後發生爆炸,形成564塊殘骸和2300塊小碎片,而這些密集的“彈丸”直接導致了兩顆日本衛星失靈,其後續也造成了其它不小的破壞,而這些也僅僅在太空中,如果大型殘骸由於速度降低而進入大氣層,一旦落到人口稠密區,那將是一場災難,那時,估計也只有復仇者聯盟的英雄們可以解救我們了。

空間清理技術

在很長的一段時間內,面對空間碎片對在軌航天器的威脅,各國更多的是採用被動措施防護、規避空間碎片或者通過減緩措施預防新空間碎片的產生。其中,對於微小空間碎片主要是通過增強防護措施來增強其防護能力,對於較大的碎片主要採取碰撞預警進而對航天器實施機動規避。然而,隨著碎片的持續增加,越來越多的問題暴露出來,開展空間碎片清除技術也勢在必行。

科學家們恨不得上帝可以造出一輛太空垃圾清理車,一併把那些可恨的垃圾給清理走,然後駛向黑洞,永久地消失……...

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然而,上帝好像並沒有聽到科學家們的願望。各國科學家也只能腦洞大開著手去解決這個難題了。目前,已經提出的空間碎片主動移除技術主要有推移離軌清除技術、增阻離軌清除技術、捕獲離軌清除技術、服務後重用清除技術以及自主離軌清除技術。

推移離軌是一類重要的空間碎片清除方式,其利用鐳射、離子束、太陽輻射等能量束對空間碎片產生特定的作用力,使其離開原有的執行軌道,從而達到清除的目的,目前典型的推移離軌就有鐳射推移、離子束推移和太陽帆推移。鐳射清除空間碎片的模式主要有直接燒蝕模式和燒蝕反噴模式。前一種主要針對微小空間碎片,利用強大的連續波鐳射照射碎片,使其溫度升高至碎片的熔點甚至沸點,融化或者氣化。而後一種燒蝕反噴模式主要是針對較大的空間碎片,利用高能脈衝鐳射束照射碎片表面,產生類似於火箭推進的

“熱物質射流”,使碎片產生一定的速度增量,進入大氣層燒蝕,從而達到清除的目的。而其餘的推移離軌清除技術與此原理類似,隻不過發射的粒子不同,例如太陽帆推離離軌則是利用太陽光壓,推移碎片或者殘骸進入墳墓軌道。

隨著推移離軌技術的深入探討,科學家發現增阻離軌清除技術也是一種非常不錯的選擇:通過碎片的飛行阻力,降低碎片的速度,進而縮短碎片的軌道壽命,使其在規定的時間內離軌進入大氣層。而各國也準備利用此種方法來對空間碎片進行清理。日本宇宙航空研究開發機構就計劃以此方案開展清除實驗,其想法是利用磁場中電流生力的原理,通過一根長700米的電線給碎片通電,對碎片產生作用力,其速度減小後自動進入大氣層銷燬。

但是利用大氣層對碎片進行銷燬同時存在一定的風險。在清除系統方案選擇上,當前各國一致傾向於“捕獲+離軌”式清除方案,其工作過程是:碎片清除器首先依靠跟蹤定位系統逐漸逼近失去姿控能力的目標碎片(非合作目標)並進行捕獲,依靠軌道轉移(離軌)系統將目標拖入大氣層燒燬,或降低其軌道,待其日後自行衰減,而各國也在嘗試去開發並且試驗此種項目。美國在

MXER項目中就想利用在軌道上的主航天器,通過繫繩對目標載荷進行捕獲,然後進行旋轉投放載荷至較高軌道,並且在投放分離時完成系統的動量交換,節省能量的損失。歐洲的ROGER項目中研究員想利用飛網或者飛爪對空間碎片進行捕獲後進行離軌操作來清理垃圾。

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然而,關於空間碎片清除的迫切性到底有多大,尚缺乏統一的認識,各國對空間碎片環境“先汙染後治理”還是“可持續發展”的態度並沒有達成一致。但值得慶幸的是,世界各國已經對此領域進行關注,並且空間碎片的減緩措施已經廣泛被世界各國採用。各種空間碎片清理的工作和項目也逐漸的被提上日程,我們也真的希望在利用宇宙資源的同時,地球處於在相對潔淨平和的環境下。

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