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清理太空垃圾又有新招数

发布时间:2019-06-10 17:47 来源:未知 编辑:admin

  据报道,美国仁斯利尔理工大学的工程师团队正在研发一种名为OSCaR的小卫星,以较为低廉的成本搜寻和收集轨道上的空间碎片,为应对日益严重的太空垃圾问题提供新的解决方案。

  实际上,除了OSCaR外,各国航天科技人员们还提出了多种清理太空垃圾的设想,其中有不少都已经付诸实践。

  对于我们日常工作生活中的垃圾,我们会将它们收集后投入垃圾桶,由市政部门统一进行回收和处理。而自人类开始航天活动以来,对于太空中产生的废弃物,则多采取就地抛弃的方式,将它们遗留在太空之中。这些废弃在太空中的无功能人造物体,被航天科技人员称之为“空间碎片”,而它们更为人所知的名称,则是“太空垃圾”。

  体积最大的太空垃圾,一般来源于失效的航天器本身。例如,卫星在到达寿命后,如果没有采取离轨措施,就会成为滞留在轨道上的“死星”。而在火箭发射过程中,将卫星送入轨道的火箭最后一级,一般也会漂浮在太空之中。同时,失效或仍在工作的航天器,如果在太空中爆炸或相互碰撞,则会产生尺寸更小但数量更多的太空垃圾。此外,航天器上脱落的部件、油漆片,甚至是航天员出舱活动时不小心弄丢的扳手等工具,也都会成为太空垃圾。

  按照尺寸的不同,太空垃圾一般被划分为大碎片、危险碎片和小碎片三类,其中,大碎片的尺寸大于10厘米。虽然可能产生的破坏最大,但这些碎片可以被地面设备跟踪监测和编目,正在工作的航天器可以针对它们采取规避措施。而尺寸小于1厘米的小碎片,虽然无法被追踪,但它们的动能较小,航天器可以通过加强防护结构的方式进行应对。而对于尺寸介于1-10厘米之间的碎片,既无法被跟踪,也具有可观的破坏力,对航天器的潜在威胁最大,因此被称为危险碎片。

  根据欧空局数据,截至今年1月,太空中的大碎片数量已达3.4万个以上,危险碎片的数量更是高达约90万个。这些碎片给航天器的运行带来了巨大的潜在威胁。航天飞机的挡风玻璃和外壳上的设备曾受到过太空垃圾的撞击,国际空间站也曾经调整轨道规避太空垃圾的威胁。2009年2月11日,美国通信卫星“铱星33”与已经报废多年的俄罗斯卫星“宇宙2251”在西伯利亚上空发生激烈碰撞,酿成了人类历史上首次卫星相撞的重大事故。2013年5月23日,发射还不到一个月的厄瓜多尔首颗人造卫星“飞马座”因受到俄罗斯火箭碎片的撞击而失效。如果太空垃圾无节制地继续增长,将会引发“凯斯勒效应”——空间碎片在太空中进入连环撞击的状态,轨道资源因为太空垃圾的污染而枯竭,人类再也无法将航天器发射到特定轨道上去。

  虽然近期发射航天器时,负责任的航天运营机构大都会考虑在航天器即将失效时将其转移到不干扰其他航天器正常运行的“坟墓轨道”中,但由于仍然存在意外事件等不可控因素,太空垃圾的数量很有可能继续增加。在近地轨道高层大气阻力的作用下,太空垃圾平均以每天1个的速度自然陨落,但这个速度不能从根本上解决巨量的太空垃圾问题。因此,必须主动对太空垃圾进行清理,才能保证未来航天活动的有效进行。

  目前,主动抓取太空垃圾后带离轨道,是比较成熟的太空垃圾清除方法。在清除过程中,清理太空垃圾的航天器首先根据地面设施对太空垃圾的监测数据调整自己的轨道,接近到距离目标几公里的位置。之后,利用自身搭载的极光雷达、红外相机等检查确认目标的状态,进一步接近到距离目标几十米的地方。在向太空垃圾“下手”之前,一般还要使用光学相机等设备对目标进行巡视,确定捕获点后,再接近捕获太空垃圾。之后,清理太空垃圾的航天器会将太空垃圾携带进坟墓轨道或者很快坠入大气层焚毁的轨道释放,完成太空垃圾的清理。

  2016年6月25日,我国的“长征七号”火箭成功首飞,将7个载荷成功送入太空,其中一个就是“遨龙一号”空间碎片主动清理飞行器。这种飞行器在接近太空垃圾后,利用自身安装的机械臂对太空垃圾进行抓取。而欧洲的“清理碎片”计划,则试验了综合使用“网式”和“鱼叉式”结构对太空垃圾进行捕捉的技术。这个计划包含一颗实施碎片清理任务的主星和两颗配合试验任务的子星。这几颗卫星与送往国际空间站的补给物资一起,在2018年4月4日由“龙”飞船送上国际空间站,并由国际空间站上的机械臂释放到太空中。在随后进行的两次试验中,主星成功地使用网状装置套住了模拟太空垃圾的1号子星,与2号子星进行了空间定位试验,射出的鱼叉装置也准确击中了主星自行布置的靶标。在未来实际进行太空垃圾清理时,卫星将通过网或鱼叉对太空垃圾实施捕捉,再将太空垃圾拖离轨道。

  OSCaR捕获和移除太空垃圾的方法,和“遨龙一号”与“清理碎片”计划基本类似,其最大的特点在于自动化和低成本。在发射入轨并指定任务后,地面控制人员就不再对OSCaR实施控制操作,之后一系列清除太空垃圾的必要动作都由OSCaR通过内置的程序自动完成。同时,OSCaR这样的微小卫星,体积小、重量轻,制造和发射成本都相对较低,即便在清除太空垃圾的过程中与太空垃圾一同焚毁,也不会使清理任务耗费过于巨大的成本。

  除了先捕获再清除太空垃圾的方法外,另一种比较有前景的太空垃圾清除方式为激光清除法。应用这种方法时,从地面或太空的飞行器中射出的强激光束将对太空垃圾进行照射,使得太空垃圾表面的物质变成等离子体并向外喷出。等离子体喷流对太空垃圾产生的反作用力可以改变太空垃圾的轨道,使太空垃圾进入坟墓轨道或快速坠入大气层焚毁。

  1996年,美国提出了使用这种方法清理太空垃圾的ORION计划。该计划尝试利用地面上发出的强激光,在1500公里的高度范围内,以直径60厘米的激光束驱动质量小于100千克、尺寸在1-20厘米之间的空间碎片。该计划的激光发射装置设置于地面上,易于维护,技术成熟性较强,但由于激光穿过大气层时会发生损耗,因此其工作范围比较有限。针对这个局限性,位于美国新墨西哥州的一家公司提出了用太阳同步轨道飞行器上的卫星发射激光,清除太空垃圾的设想。这种方式一旦成熟,可以被应用于任意的轨道高度,无需考虑大气的影响,因此有望成为未来应用激光清除方法的主流方式。

  无论激光从卫星还是从地面上发射,激光清理太空垃圾的方法都要攻克两个技术难题。首先,要研制大功率、高稳定性的激光器,系统的体积、重量、功耗等参数还要与任务的实际相匹配。其次,对于表面形状不一、成分各异的碎片,激光束照射的持续时间、照射能量、光斑大小等,都需要细致的计算,才能实现理想的变轨效果。如果对这些参数把握得不准确,激光束有可能使较大的太空垃圾碎裂成几片,非但没有完成清理任务,还会增加空间碎片的数量。

  此外,技术人员们还提出了清除太空垃圾的其他理论设想。例如,有人设计将充气气球或薄膜帆等装置附着在碎片上,利用这些装置面积较大的特点,使碎片受到的大气阻力增大,轨道迅速降低,提早坠入大气层焚毁。这种方式的优点在于成本低、效率高,但太空垃圾离轨过程中,张开的气球或薄膜帆有可能套住其他太空垃圾,影响离轨的正常完成。还有人设想,将一根较长的电动力绳索连接到废弃的卫星上,利用缆绳切割电磁场时产生的力使其再入大气层。

  除了技术方面的问题外,太空垃圾清理工作在政治和法律层面也有许多与太空垃圾有关的议题急需解决。清理太空垃圾必然要产生大量的费用,这些费用的分摊方案可能需要联合国和平利用外空委员会等国际组织进行协调,促使各国达成框架性的协议。同时,由于清理太空垃圾的航天器也能用于攻击其他国家正常工作的卫星,因此如何在各个国家间建立互信机制,使和平目的的太空清扫工作能够展开,是摆在各国政治家面前的一个课题。

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