作者:辛雨 来源:中国科学报 发布时间:2018/9/20 11:23:11
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太空垃圾 从何扫起

 

■本报见习记者 辛雨

地球轨道上的太空垃圾碎片 图片来源:ESA

7月2日,CryoSat-2卫星正像往常一样,在地球表面上空700多公里处的轨道上运行,监测着地球上的冰层。但这一天,欧洲空间局(ESA)的工作人员们发现,一块太空碎片正不受控制地飞向这颗价值1.4亿欧元(1.62亿美元)的卫星。

工程师们通过追踪这两个物体的运动路径,发现它们碰撞的可能性越来越大。于是,为防止碰撞的发生,7月9日,ESA启动了CryoSat-2上的推进器,将其送入更高的轨道。就在启动推进器的50分钟后,那块太空碎片以4.1km/s的速度飞驰而过。

近地轨道上存在大量的废旧卫星、火箭碎片和碰撞碎片,如何降低这20000多个物体对太空交通带来的威胁,是困扰研究人员的一个难题。

2017年,全球共发射了400多颗卫星,是2000~2010年年均水平的4倍多。未来几年,如果波音、OneWeb等公司继续向太空部署数百至数千颗通信卫星,那么这些拟发射的“巨型卫星”还会继续增多,势必会给太空交通带来灾难。

太空垃圾变轨需要额外耗能

南京航空航天大学航天学院教授闻新告诉《中国科学报》记者,按国际要求,一般情况下,航天器在寿命结束后,需要进行变轨进入南太平洋的“太空垃圾场”,而火箭残骸或其他较大的卫星碎片,会因技术无法规避而形成太空垃圾。

自2000年以来,诸如太空垃圾协调委员会等国际组织制定了实现空间可持续性的准则。其中包括在卫星使用寿命结束后,通过排放剩余的燃料或其他可能导致爆炸的压力使卫星失活。有的组织机构还建议将卫星降到足够深的大气层中,使它们燃烧或解体。

以火箭碎片为例,中国空间技术研究院总体设计部研究员尤睿认为,由于改变火箭的运动轨道需要消耗燃料,火箭可以牺牲运载效率为基础,携带一定的动力学燃料,在结束任务后自动离轨。

“但是到目前为止,只有约一半的太空任务遵守了这个指导方针。”ESA太空垃圾办公室主任Holger Krag说,“毕竟它们可能不会花钱从太空中移除所发射的卫星。”因为每一次卫星的移动都会消耗时间和燃料。

随着轨道上运行物体数量的快速增长,这些潜在的碰撞风险越来越高,人们正试图研究解决这个问题的新方法。

指挥交通避免事故

从理论上讲,卫星操纵者可以让这些卫星在一定的空间内安全飞行,而不会接近其他物体。因此,一些科学家正试图明确这些垃圾的位置,通过避免可能的碰撞解决太空垃圾的问题。“如果你知道它们在哪里,那么你几乎永远不会有碰撞的危险。”美国某航空航天公司太空垃圾专家Marlon Sorge说。

这类似于道路或空中的交通管理,因此,这个领域可以称为太空交通管理。得克萨斯大学天体动力学家Moriba Jah说:“就像在机场,飞机像一串珍珠一样在天空中排成一排,以精心规划的路线安全降落、起飞。这是因为空中交通管理员能够精确掌握飞机的位置,精确到1米。”

而对于太空垃圾来说,情况就不同了。因为并非所有的在轨物体都是已知的,甚至那些在数据库中的物体也是在以不同的精度追踪。最重要的是,目前没有可以准确列出所有已知太空垃圾的目录。

“这是因为目前地面的望远镜或雷达仅可以观测到10cm以上大小的太空垃圾。”闻新说。据闻新介绍,美国宇航局将观测到的10cm以上的太空垃圾整理在数据库中,信息对世界公开共享。1cm以下的太空垃圾造成的危害不大,仅有磨损危险,但是,1~10cm中等大小的太空垃圾的危害却非常大,存在击碎航天器的危险。然而目前却无法观测到这些中等大小太空垃圾的信息。

“因此,如果10cm以上的太空垃圾接近运行轨道时,我们可以提前收到预警信息,‘惹’不起还‘躲’不起吗?我们可以自己主动变轨,躲避碰撞。”北京大学地球与空间科学学院教授焦维新说。

清除垃圾 实验为本

当收到碎片撞击的警报,为评估即将发生碰撞的风险,人们需要知道所要撞击的物体是什么。

普渡大学天体动力学研究员Carolin Frueh团队与美国空军合作,正在尝试开发可快速破译轨道物体细节的方法。例如,通过研究物体如何反射光,可以推断出物体是摇晃的还是稳定的。

一旦研究人员知道轨道物体是由什么组成的,他们就有许多方法减少它的威胁。一些带有科幻色彩的提议包括,使用磁铁扫除太空垃圾,或者通过发射激光消灭/转移轨道上的碎片。据了解,未来几周,英国萨里大学的研究人员将用“网”诱捕一颗测试卫星,被束缚住的卫星将被拖拽出运行轨道,在地球大气中烧毁。

但是,考虑到轨道上有大量的碎片,长远来看,这种清理太空垃圾的方法并不太实用。有科学家认为,从根源上说,发射方要最终负责,才是一种良性的解决办法。

比如,亚利桑那大学天体动力学家Aaron Rosengren正在研究新的方法,试图利用太阳和月球的引力,也就是所谓的共振原理,使废旧卫星进入某个轨道,最后加以摧毁。

7月,在加州帕萨迪纳举行的一次太空会议上,Rosengren报告了20世纪60年代以来,美国轨道地球物理观测卫星的情况。科学家发现,将发射日期或时间改变哪怕是15分钟,也可能导致卫星在轨道上停留的时间大有不同。这些信息可以用来帮助计算卫星离开发射台的最佳时间。

尤睿对此表示质疑,他认为,卫星、火箭的发射时间以及进入运转轨道的时间受很多因素影响(如复杂的环境因素),是通过精密的设计规划得出,不能轻易改变时间。

尤睿说:“激光消除碎片、‘网’诱捕卫星、太阳能改变卫星轨道等这些清除太空垃圾的臆想有很多,但是最终结果还是要以实验为基础,扛得住严谨的计算验证,才可站住脚。”

《中国科学报》 (2018-09-20 第3版 国际)
 
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