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在我们头顶上飞啊飞的垃圾们,真是拿你们没办法


其实现在就已经时间挺长、挺不容乐观了。

根据监测太空垃圾最大的信息库——美国的洲际导弹防御系统雷达网公开的检测数据,目前估计有 1.7 亿个直径小于 1 厘米的垃圾垃圾在绕地飞行,有 67 万个为 1-10 厘米直径大小,有 2.9 万个要更大。

哪儿来的这么多太空垃圾呢?

我们把绕地球飞行的无用处人造物体统一叫做太空垃圾。

(1) 航天发射活动中抛弃的多余负重

几乎所有的航天活动都依赖航天发射,在发射中随着燃料的消耗火箭会将多余的负重逐渐抛弃,比如火箭第一级、助推器、载人火箭的逃逸塔和整流罩,它们都会落回地球。Space-X 赖以成名的火箭回收绝技就是针对第一级。火箭的第二级、上面级等残骸和未烧完的燃料都将进入轨道,在发射的短短 10 分钟后就将变成太空垃圾。

唉,这真是同箭不同命啊。

(2)寿终正寝的卫星们

进入轨道的卫星们也有着自己的寿命,最长的通讯卫星也不过 10-15 年寿命,一旦寿命结束,就留在轨道成为太空垃圾,而且由于燃料使用完毕,会处于完全失控状态。

(3)太空垃圾碰撞出的新太空垃圾

更恐怖的是,太空垃圾的产生是会逐渐加速的,它们彼此之间还会在轨道发生碰撞,可能比几何级数增长更加夸张。

在我们头顶上飞啊飞的垃圾们,真是拿你们没办法

铱星 33 和 Cosmos 2251 在碰撞前和碰撞后四个月的垃圾碎片分布图

2009 年 2 月 10 日,铱星系统第 33 星和俄罗斯 Cosmos 2251 两颗卫星发生了碰撞,在短短几个月之内,两颗卫星碰撞产生的垃圾几乎覆盖了它们曾经所在的轨道,这些垃圾还有不断碰撞的可能,情况非常不乐观。

这让我想起了古文《愚公移山》,“虽我之死,有子存焉;子又生孙,孙又生子;子又有子,子又有孙;子子孙孙无穷匮也”……可怕。

(4)可怕的导弹反卫星实验

可怕的不只有太空垃圾的碰撞。同样的道理,用导弹攻击卫星也是产生太空垃圾的一个重要原因。由于导弹会有目的性的在一个位置爆破,产生的影响要远远超过卫星的碰撞。

目前只有苏联、美国和中国进行过导弹反卫星实验,每次实验都是太空垃圾研究专家们的一场噩梦。

当我们在担心太空垃圾时,我们在担心什么?

多半是担心发生下面这种事情吧……

在我们头顶上飞啊飞的垃圾们,真是拿你们没办法

绝大部分垃圾分布在低于 500 公里高的近地轨道上,它们的飞行速度普遍在 7000 米 / 秒以上,是狙击步枪子弹速度的 7 倍左右。在这种强大动能面前,一个最小的碎片和一个较大的卫星造成的杀伤力都很大。绝不是上面这种效果……

值得庆幸的是,也恰恰因为最多的(80%)太空垃圾分布在靠近地面的轨道,这里极其微弱的空气阻力还会将它们缓慢拖入地球大气烧毁。地球大气是人类最后一道屏障,它烧掉了 99%以上的星际尘埃、陨石和太空垃圾,保护了地球上亿万计生命的安全。

迄今为止,还从未发生过太空垃圾坠落地球直接伤人的事件。

然而,分布在更高轨道的太空垃圾基本就很难被销毁了。

特别是对于处在地球上空 35786 公里高的地球静止轨道,这里聚集了人类几乎所有的通讯卫星,它们也产生了很多卫星垃圾。由于这个高度实在太高,完全没有空气阻力的影响,这些太空垃圾一旦产生,恐怕千、万年后都不会消失。

而这条轨道又是唯一的且最宝贵轨道,因为只有它同时满足了在赤道上空(0 度轨道倾角)和 35786 公里的轨道高度,以实现与地球自转相同的 24 小时轨道周期,实现同步 / 相对静止。

这是不可替代的稀缺轨道资源。因此全世界都在抢发这个轨道上的通讯卫星以占住资源(国际原则是先发先占),但这条轨道目前已经深受太空垃圾的影响。

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图 国际空间站的 Cupola 观景台和裂纹放大图

太空垃圾可能产生的危害十分惊人。

2016 年 4 月,一块极小的太空垃圾碎片击中了国际空间站上的 Cupola 对地观景台玻璃,造成了一个直径 7 毫米的裂纹。在国际空间站 20 年的运行时间里,由太空垃圾造成的伤痕可谓时有发生,但这一次真是让人捏了一把汗,因为谁也不知道真出事的话,结局会如何。

由于近地轨道充斥着太空垃圾,人类发射最多的近地轨道 / 低轨卫星也深受其害,虽然地面会每天更新信息,提醒有威胁的太空垃圾所处的位置,但为了规避它们,这些卫星也是苦不堪言。为了躲避,这些卫星不得不提前消耗宝贵的燃料,这直接影响了它们的寿命和科学数据。

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笔者研究的 Swarm 卫星两年内经历了 12 次大的轨道机动,以防止两颗卫星彼此以及和太空垃圾相撞

随着商业航天的发展,目前 Planet labs、Space-X、OneWeb 都提出了在几年内建立数千颗的商业卫星组网方案,这些卫星总数轻松可以超过人类过去 60 年来发射的卫星数量总和。

当然,这也会大大增加太空垃圾的数量,如果不加以控制而放任太空垃圾随意增长,在可以想象的将来,地球将被太空垃圾所覆盖,恐怕任何发射的航天任务都将面临重大威胁。难道我们就真的拿太空垃圾没办法了吗?

目前有很多关于太空垃圾移除方式的研究。

(1)自然移除

太阳 11 年的活动周期是影响低轨太空垃圾的重要原因。当太阳活动很强时,它们更容易被空气拖回地球销毁,但这毕竟是自然条件,人类无法干涉。

(2)人为移除

人为方面,目前有专家提出了很多种方案。比如采用再一次航天发射的方式将一个乃至很多小型推进装置安装到废弃的大型卫星上,将它们推回大气销毁;也有采用安装太阳反射帆的方式,让太阳风将它们逐渐吹离轨道甚至吹入大气。

更为有效,而且也已经被验证的方案就是直接捕获太空垃圾。

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图 STS-51-A 任务的宇航员 Dale Gardner 抓住了 Westar 6 卫星

1984 年年初的航天飞机 STS-41-B 任务中,因为火箭的上面级没有正常工作,美国西联汇款公司(Western Union)的 Westar 6 和另一颗印尼订购卫星入轨失败,成为太空垃圾。而在随后 11 月的的 STS-51-A 任务中时,航天飞机在返回地球之前,飞到这两颗卫星附近,由宇航员使用载人机动系统飞到它们附近将它们抓住,最后装入航天飞机送回地球。

后来 Westar 6 在检修后卖给香港亚洲卫星控股公司,成为大名鼎鼎的亚洲一号卫星,由长征三号火箭发射,这也是我国火箭第一次进行国际商业航天发射。这就是最典型的变废为宝了。

当然,还有更简单的方案,就是采用“撒网捕鱼”的方式将卫星捕获,但这种方式也是返回大气销毁,无法再次回收了。

不过,上述移除方法都只针对近地轨道的太空垃圾有效,而对高轨尤其是静止轨道毫无办法。因为高度实在太高,移除它们的造价和技术难度远大于想象。但如果不移除,挤占宝贵的地球静止轨道资源(仅有一条)是更无法接受的。

在我们头顶上飞啊飞的垃圾们,真是拿你们没办法

图 目前太空垃圾全球分布图,红色的就是地球静止轨道上的正常工作卫星

(3)自我移除

目前,最好的解决方案是治本,换句话说,从一开始,就杜绝卫星成为太空垃圾的可能。在卫星和火箭设计时,就留有一定余量,让它们携带够足够的燃料,在卫星接近寿命重点时,采用最后的动力全力以赴脱离宝贵的地球静止轨道滑入深空。这个方法也适用于近地轨道,在寿终正寝时进入“自杀”的再入轨道。

从理论上讲,这种方案是性价比最高也最治本的方案,因此国际上一直在努力推动所有卫星在发射时留有动力的冗余设计。因为只有这样,这才是人类航天可持续发展的未来。

最后,为大家附上所有工作状态卫星和太空垃圾监测的可视化网站www.stuffin.space

作者:太空精酿 @太空精酿

监制:中国科学院计算机网络信息中心

出品:科普中国