别怕,太空垃圾不会砸在头上!

发布时间 : 2016-08-10     来源 : 中国运载火箭技术研究院新闻中心

  自1957年第一颗人造地球卫星上天以来,人类航天活动蓬勃发展。航天已经给人类经济、文化、科学以及军事等方面带来了巨大的利益,成为人类社会进步的巨大推动力。航天活动同时也在地球上空留下了大量的空间碎片,包括完成任务的火箭箭体和卫星废弃本体、火箭的喷射物、空间物体间碰撞产生的碎块等,是空间环境的主要污染源。据不完全统计,目前毫米级以上的空间碎片数以亿计。在地球外空形成了新的“空间碎片”环境。空间碎片环境日益恶化,已构成对空间活动的巨大威胁。

太空中有多少垃圾?

  目前,人类已向空间发射了将近上万个物体,截至2016年4月1日,美国空间监测网( Space Surveillance Network,SSN)编目的空间物体数量已达41429个,其中在轨物体数量已达17611个。而无法编目的微小废弃物重量已达几千吨,数量超过200亿。  

状态卫星及有效载荷(个)火箭残骸(个)其他碎片(个)     总数(个)
在轨

4169

2063

11374

17611

陨落

3156

3763

16899

23818

总计

7325

5826

28273

    41429

  空间碎片不仅严重地威胁着在轨运行航天器的安全,而且随着数量不断增加,对有限的空间轨道资源也构成了严重的威胁,尤其是当某一轨道高度的空间碎片密度达到一个临界值时,碎片之间的链式碰撞过程将会造成轨道资源的永久破坏。

太空垃圾会不会伤人?

  一般来讲,空间碎片分为三类:
  1.大空间碎片,指直径超过10厘米以上的空间碎片;
  2.小空间碎片,指直径1毫米以下的空间碎片;
  3.危险碎片,指介乎大、小空间碎片之间的碎片。这些空间碎片分布在不同的轨道,距地球几百公里的低轨道、几千公里以外的中轨道、几万公里以外的高轨道等。所以就密度来说,并不是很高。
  “但这个大与小、危险与否,是对航天器来说的,不是对人类来说的。”中国科学院国家空间科学中心研究员都亨解释说,航天器一旦被直径10厘米以上的空间碎片击中将被彻底摧毁,而之所以叫“危险碎片”,是因为人类没有对其有效的探测方法,而且数量巨大,防护比较困难。每次航天器返回地球,几乎都会在表面找到被空间碎片撞击的坑坑洼洼。
  即使是大的空间碎片,也不会对人类造成威胁。“如果它们坠落到地球,进入大气层,高速摩擦会产生几千度的高温,基本就被燃烧干净了。”都亨也表示,这并不代表着我们可以掉以轻心:“如果没有燃烧干净的碎块落到海洋或荒无人烟的沙漠,几乎不构成威胁。但若落在人口稠密的都市,那后果就不堪设想了。而更大的风险在于,空间碎片可能会对地面生态系统造成威胁,给环境带来化学和放射性污染。”

遭遇太空垃圾怎么办?

  对于“失效卫星会不会整个砸下来”这个问题,中科院空间中心空间环境预报中心主任、世界空间环境服务组织北京区域警报中心副主任龚建村认为,这种可能性很小。“在低轨道运行的卫星失效后有可能会坠落;在中、高轨道运行的卫星,即使失效了,几十年甚至几百年都不会掉落地球。”龚建村说:“就像我们上面提到的,失效卫星一旦进入大气层,高速摩擦产生的高温,就会让它们解体。”
  即使有较大的空间碎片穿透了大气层的保护,对地球造成威胁,人类也有能力防御。“首先,我们可以粗略估算出它们的轨道。”中国科学院国家空间科学中心研究员刘四清解释,失效卫星受到大气阻力等因素的影响,“在一圈一圈的运动中,它的高度也不断降低,越来越接近地球。我们可以粗略地算出它们的轨道。”刘四清说: “当然,因为导致轨道变化的因素很多,对空间预测来说很难达到精确。我们培养了一支专门进行预测预报的队伍,我相信随着经验的不断积累,预测预报也会越来越准确。”
  有了预测预报,接下来就是拦截了。龚建村介绍说,美国曾经有过用导弹拦截失效卫星的成功经验。“当时那颗失效卫星有剧毒物质,为了防止它坠入地球,美国在海上用军舰发射导弹摧毁了这颗卫星。”龚建村说:“我们国家也有类似的技术,完全可以在失效卫星造成危害前,让其在天上解体。”

如果天上“星满为患”……

  人造卫星在经济、国防、民生等领域都起着越来越重要的作用,在可预见的将来,人类将发射更多的卫星和其他空间设施。天上“星满为患”怎么办?
  都亨说,回收卫星比发射卫星成本更高、技术更困难,目前还很难做到。为了让新卫星安全升空,科学家们想了很多办法。“对策一,就是加强监测,躲开空间碎片的碰撞;对策二,就是做好航天器的防护,在设计上提高‘免疫力’,比如给航天器‘戴盔穿甲’、增加航天器表面材料厚度、把不经撞的关键部件安置在更合理的位置等。”
  科学家们还想出了很多清除空间碎片的方法。“比如有些卫星适当地留下一些燃料,控制它在失效前离开原来的轨道;还有一些国家研发出被动技术,比如发射一个航天器把碎片抓住并带走;研发带机械臂的人造卫星,不仅能维修卫星,还能将失效卫星推离轨道。”龚建村说:“不过这些技术还都不太成熟,究竟什么时候才能投入使用还是未知数。”
  2016年6月25日“长征七号”运载火箭首飞时,搭载了遨龙一号空间碎片主动清理飞行器,并取得了圆满成功。

空间碎片主动清理到底有多难

  空间碎片的存在,对于正常在轨工作的卫星、飞船、空间站,以及人类向太空发射的各类新的航天器的安全构成了巨大威胁。开展空间碎片的主动清理,是一项紧迫的任务,也是一项十分具有技术难度的任务。
无论采用何种方式开展空间碎片主动清理,清理飞行器都必须具备“看得见、靠得近、抓得住、控得稳、拖得动”的能力。
  空间碎片不具备任何主动信号发送的能力,因此飞行器就首先需要具备主动找寻空间碎片目标的能力,并且精确测量空间碎片的位置、姿态等信息,作为轨道机动和后续清除的引导。
  发现空间碎片后,飞行器需要具备主动接近的能力,在靠的足够近的同时,还要防止与姿态失控的空间碎片发生误碰撞。
  由于空间碎片往往都已经失控,在接近碎片之后,判断所需抓取的位置,以及进行合理的抓捕规划,是解决可靠抓捕的关键。
  抓捕完成后,飞行器与空间碎片形成了组合体,飞行器所控制对象也就成了质量、质心、转动惯量和姿态等参数都发生了巨大变化的组合体,这些就需要飞行器的控制系统有强大的状态重构和适应能力。
  飞行器最终还要完成可靠的组合体轨道转移,将空间碎片拖离其原先的轨道进行处理,必须具备高效的在轨动力系统。
  因此,空间碎片的主动清除,绝非是一件易事,需要大量的创新技术攻关和试验验证。

空间碎片清除任重道远

  随着人类对于宇宙开发的不断深入,空间碎片的数量仍在不断增加,对于空间碎片的控制和清除亟需开展。但无论采用哪种方式开展空间碎片清除,都面临巨大的技术难度和攻关难度,空间碎片的清除,必将是一个长期的过程,是一个需要全世界航天国家给予投入和支持的技术领域。
  1. 空间碎片清除技术呈现如下发展趋势:
  (1)碎片清理有效载荷主要采用机械臂、飞网、飞爪等捕获式方法,同时对电动力绳索、太阳帆、增阻装置等新概念碎片清理技术逐步开展了深入研究。
  (2)空间碎片清理飞行器正由概念设想逐步走向工程实际应用。多项关键技术已经完成在轨演示验证,基于飞网、飞爪抓捕失效卫星的空间碎片清理飞行器已开展了概念研究。
  2.空间碎片的数量控制任重道远
  在进行新的航天发射过程中,运载器、卫星、飞行器等都需要事先考虑空间碎片的数量控制问题,包括必要的钝化程序设计,甚至是主动离轨设计等,努力控制空间碎片的增长速度,而不是任由其在轨数量的大幅增加。
  3.空间碎片的清除任重道远
  对于既有的空间碎片,尤其是已经影响到在轨或者即将发射的卫星、飞行器安全的空间碎片,必须采取必要的措施避让。但是治本的办法还是采取主动措施将其从轨道上清除。在空间碎片信息数据库的建设、预警系统和清除的技术领域,都需要进行大力的投入,长期攻关。

  中国作为《外空公约》的签署国,承诺控制和减少空间碎片,并不停尝试突破空间碎片清理技术。

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