太空垃圾,会阻碍人类的星辰大海之路吗?
2022/3/8 科学辟谣

     划重点

     ★ 太空垃圾如果雪崩式增长,会阻碍人类的星辰大海之路。★ 太空垃圾的低成本高效清理,是我们面临的一个技术挑战。

     “保罗和我利用助推器靠近了它,正在拴连结绳的时候,保罗的面罩上突然出现了一个洞……空气从面罩中冲出来,他一下子就飞出去老远,我只好眼睁睁地看着他旋转……在他的嘴角右侧,有个一元硬币大小的窟窿,正是这个洞使他显出一张怪异的大嘴。不过他确实脸带笑意,他肯定是在一瞬间失去了生命,那瞬间的微笑就凝固成为永恒。仿佛在昭示:生命是多么的脆弱。”

     幸好,上面这起惨烈的太空事故,只是袁英培的小说《太空神风》中虚构的情节。但如果我们不早点开始应对太空垃圾的威胁,这种场景只怕以后就会成真。

    

     来自giphy

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     太空垃圾到底是谁丢的?

     太空垃圾又称空间垃圾、空间碎片,是指太空中所有在轨的、废弃的人造物体。大至卫星解体造成的碎片,也包括火箭末级、弃置卫星等废弃的航天器;小到飞行器掉落的涂层、飞行器排出的液体固化形成的颗粒、固体火箭发动机未燃烧的固体颗粒等。

     太空垃圾的来源多种多样,包括人为散布、任务遗留、废弃飞行器、反卫星试验等。

     比如,美国在20世纪60年代,曾将4亿3000万根不到2厘米长,还没头发丝粗的铜针,散布在轨道上形成云状环,用来反射无线电信号,以便海外的美军能更好地与本国联系。这些铜针最终成了太空垃圾,直到现在仍有相当数目残留在轨道上。

     还有一些太空垃圾,是反卫星武器试验的后果。比如美国在1985年用导弹尝试击毁了一个卫星,结果制造了上千颗大于1厘米的太空垃圾。所幸由于实验在较为低的轨道上进行,大部分的碎片被重力牵引并在大气层内燃烧殆尽。

     而俄罗斯在2021年11月15日也用一枚导弹,摧毁了一颗废弃军事侦察卫星。这产生了上千颗可追踪的碎片,并可能会产生数十万块较小的碎片。这些碎片将在轨道上停留数年甚至数十年,并且可能会威胁国际空间站上的航天员生命。

     除了前面说的那些比较“太空”的东西,现存的太空垃圾当中也有一些更匪夷所思的玩意儿……

     比如宇航员爱德华·怀特在舱外活动时遗失的一只手套;迈克尔·科林斯在双子星座10号任务期间遗失的摄影机;和平号空间站运作15年间弃掉的垃圾袋、一个扳手和一支牙刷。

     还有宇航员在维修国际空间站太阳能电池板时,遗失了一对钳子,在STS-126中一名太空人进行舱外活动时丢失了一个与公文包大小的工具包。

    

     在STS-126中丢失的工具包(图片正中)

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     太空垃圾为何如此致命?

     可能有的朋友会奇怪,太空中这些垃圾,感觉比日常生活中的垃圾好像也高不到哪儿去啊?能有什么危害呢?无非就是看到大块的垃圾躲开,小渣渣直接无视就行了呗?

     道理其实很简单,那就是速度,同样是一颗子弹,别人用手扔给你 ,你很轻松就能接住,但如果是从枪膛里以数百米每秒的速度射向你,那就得出人命了,而太空垃圾的运动速度,远超枪弹。

     太空垃圾之所以会对在轨航天器产生致命威胁,正是由于空间碎片的高速碰撞。相对地球来说,太空垃圾本身的速度常超过7.5 km/s,而步枪的子弹速度只有大约1 km/s,太空垃圾有可能和空间飞行器发生对撞,最高速度可以高达15 km/s。别看一个大小在厘米尺度的空间碎片不起眼,但已足够摧毁整颗卫星。即使是毫米尺度的碎片,也有可能瘫痪卫星。

    

     美国航天飞机上的撞击坑

    

     俄罗斯和平号空间站上被太空垃圾破坏的太阳能电池板

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     如何防范太空垃圾造成的意外?

     人们提出了4种办法,用于防范太空垃圾造成意外破坏。分别是监测和预警、碰撞规避和防护、离轨和弃置策略以及主动清除。

     监测和预警

     对空间碎片保持监测,并对其进行编目和碰撞预警是降低空间碎片撞击风险的第一步。各个航天大国都建有空间监测网络,如美国空间监测网络(Space Surveillance Network),既包括天基的卫星平台,也包括地面的雷达、光学望远镜。

    

     美国两代空间目标监测“空间篱笆”。

     左图:部署在美国本土的第一代 ,右图:部署在海外的第二代

     碰撞规避和防护

     碰撞规避和防护是通过 “躲”和“防”的方式应对可能出现的太空垃圾碰撞威胁。当在轨航天器与较大的空间碎片(大于10厘米)或其他物体存在较高的碰撞风险时,通过变轨离开碰撞轨道是最简单直接的规避方法。但以消耗燃料、损失其工作寿命为代价。从1999年部署至2020年9月,国际空间站为规避空间碎片共变轨28次,其中2020年1月至9月共执行3次碰撞规避变轨。

     对于更小的碎片,可以通过提升航天器自身防护水平以直接抵抗空间碎片的撞击。

     与常识相反,单纯增加航天器外壳的厚度并不是高效的做法,很多时候采用的是Fred Whipple早在1947年针对空间微流星体提出的多层防护措施。Whipple提出微流星体在击穿一块厚度与自身尺度相当的材料后会因高温而气化和电离,因此只需在航天器外1英寸的距离上包裹一层约6—7 mm厚的材料,即可防护空间微流星体的撞击。这一防护措施被称为Whipple防护。目前,国际空间站和我国的天宫空间站,均装有Whipple防护板。

    

     左侧为模拟只加厚仓壁,而右侧则为加上Whipple防护板的效果,图片来自NASA

     离轨和弃置

     由于大气阻力作用,低轨卫星会在阻力作用下自然降低轨道。低轨卫星在工作寿命结束后,如果25年内可以再入大气陨落,则不需要处置。如果轨道高度不太低,需要采取适当的离轨措施降低轨道,遵照25年内陨落的建议。

     对于地球静止轨道卫星,工作寿命结束后可以抬高轨道至“坟墓轨道”。坟墓轨道可以保证被弃置的卫星不与正常的静止轨道相交,确保静止轨道工作卫星的安全。除此以外,为了进一步减缓空间碎片,减少不必要的解体事件,航天器或火箭体在弃置时需要耗尽内部能源,包括:(1)排空或燃尽推进剂;(2)电池放空电量;(3)释放舱内压力。

     主动清除

     对于近地空间越来越多的空间碎片,比较合适的处置方式是主动将其清除。目前主动清除尚在理论研究和实验阶段,常见的方案包括附着后推离轨道、柔性网拖离轨道、激光烧蚀反推离轨等。

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     为了星辰大海,垃圾真的不能再增加了

     目前编目在册的空间碎片已超过2万个,而受观测手段限制尚不能跟踪到的厘米以下更小的碎片则超过1亿。其实早在20世纪70年代就有科学家提出,卫星等航天器因碰撞而解体,可能由此引发连锁反应。

    

     NASA约翰逊航天中心轨道碎片项目办公室统计的各类型较大碎片的数目

     这就是大家所熟知的“凯斯勒效应”(Kessler syndrome)。简单来说就是除非大尺寸废弃物体的数量显著降低,否则随着物体间随机碰撞的发生,碰撞产生的碎片将成为新碎片的重要来源,发生类似原子弹爆炸的链式反应,碰撞越来越多。太空垃圾逐渐包围地球,使得新的航天发射无法进行。

     太空垃圾如果数量过多,超过了临界密度,发生“凯斯勒效应”,从而雪崩式增长,将会阻碍人类的星辰大海之路。

     为此,美国、欧洲、俄罗斯,还有我国都在发展太空垃圾主动清除技术。太空垃圾的低成本高效清理,是我们面临的一个技术挑战。相信以后随着人类太空活动的增加,将会出现像小说《太空神风》以及动漫《星空清理者》中的太空垃圾回收行业。

     作者 | 周炳红中国航天科普大使,空间科学传播专家工作室 副主任,中国科学院国家空间科学中心研究员审核 | 刘 勇 中国航天科普大使,中国科学院国家空间科学中心研究员,博士生导师,美国新罕布什尔大学理学博士, 中国科普作家协会理事,航天科技教育联盟特约专家责编 | 丁 崝

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