當前位置:首頁 > 行業氣象

1億多塊太空垃圾!從哪來,往哪去?

發布時間:2021年12月24日 來源:中國氣象報

本文顧問:國家衛星氣象中心空間天氣首席預報員、正研級高工薛炳森

太空垃圾電腦模擬圖來源:美國航空航天局

近日,韓國“阿里郎3號”衛星險些被一塊高速飛行的太空垃圾擊中。垃圾與衛星之間的最近距離,一度只有62米,該衛星通過緊急上升高度才躲過一劫。

美國洲際導彈防御系統雷達網公開的監測數據顯示,圍繞地球轉動的太空垃圾估計有1億多塊。這些大小不一、數量巨大的太空垃圾從何而來?又將對我們人類產生什么影響?本期策劃,帶大家探知太空“擁擠”的一面。

概念篇
太空垃圾會“鎖死”航天的未來嗎?

若從太空中觀察地球,會發現這顆蔚藍色行星的外層,漂浮著數量巨大的各類碎片。這些碎片大多是人類發射到地球大氣層之外、已經停止工作或正在運行過程中的航天器意外解體所形成的。能夠追蹤到的、直徑大于12厘米的碎片,人類對其進行編號。截至目前,僅編目的碎片就有3萬片之多,小的更是數不勝數。

這些碎片失去了其原有的功能,但卻占據著寶貴的空間軌道資源,且不受控制地橫沖直撞,可能威脅到衛星安全,所以它們被形象地稱為“太空垃圾”。

太空垃圾并非自古以來就存在。實際上,在1957年之前,太空是很“寂靜”的。隨著經濟、國防、科研的需求,人類開始不斷開發空間資源,形形色色的航天器來到了外空間,除了地外探索,如火星、月球探測等,大多數衛星都集中在地球周圍。而這些航天器在退役、自然解體或意外碰撞后,不可避免地產生大量碎片。

空間碎片主要集中在500千米至800千米高度的軌道上,這里也是現役衛星運行所處軌道。因此,隨著更多衛星不斷加入,太空勢必會更加擁擠不堪。而當航天器和太空垃圾在同一時間出現在同一個坐標點上,碰撞就難免會發生。

美國航空航天局 (NASA)曾放置了一個長期暴露裝置LDEF,這個“活靶子”130平方米的外表面,不到6年時間被砸出了3.4萬個深坑;國際太空站前指揮官Chris Headfield也曾描述,在太空站時,這種因為太空垃圾突然撞擊所造成的異響非常常見,幾乎每天都會遇到,可見撞擊頻率之高。而隨著航天科技的不斷發展,更多的航天器發射升空,在越來越擁擠的衛星軌道,這種頻率勢必還會增加。

太空垃圾對航天器所造成的傷害也非常大。根據動能計算公式,對于這些碎片而言,動能更多取決于其速度而非質量,可怕的是這些碎片相對于航空器的平均速度而言非常之高,可以達到每秒10千米的超高速,因而常常會有與航天器“同歸于盡”的情況發生。也因此,各國航天業不得不將躲避太空垃圾納入設想中,并投入更多研發力量。

撞擊更嚴重的時候就會產生大量的次級碎片——一次碰撞會產生許多的碎片,這些碎片之間再次碰撞,引發一系列的次級碰撞,如同原子裂變反應,產生指數級增長的碎片。在此之下,1978年,美國科學家凱斯勒提出一種假設,當太空垃圾密度達到一定閾值時,會產生一種“凱斯勒”現象,即碎片之間的碰撞不斷疊加,直至將所有航天器損毀。

彼時,人類依賴的大量科技,如 GPS等將會蕩然無存,地球外層將被蒙上一層非常密的太空垃圾網,不僅無法發射任何飛行器,甚至無法對這些太空碎片進行清理,地球將被人類自己產生的太空垃圾封鎖。

凱斯勒的這個假設并非空穴來風。實際上,科學家已經開始擔憂這種趨勢,他們認為,如果任由這種現象持續下去,人類航天之路被“鎖死”的預言就并不僅僅是危言聳聽了。(作者:張藝博)

現象篇
深海之下,埋藏著人類的光輝與夢想

1971年10月10日,在蘇聯耶夫帕托利亞飛行控制中心,氣氛凝重。工程師們深知,禮炮1號空間站“大限將至”,再也等不來新的載人航天任務了??傊笓]含淚下達命令,禮炮1號空間站進行最后的點火,進入可控再入階段。次日,一團金屬烈焰向南太平洋方向的一處深海區飛去。這座在軌運行175天、繞行地球2929圈的人類第一座載人空間站,終于“魂歸大?!?。

禮炮1號空間站的最后歸宿地,是科學家早就為其選定好的。這里位于南太平洋,南極昆侖站所在區域被稱為“人類不可接近之極”,而這片海域的正式名稱是“海洋難抵極”,因為這里距離最近的陸地大約都有2700千米。

不過,它還有一個很特別的名字——“尼莫點”。不錯,這正是儒勒·凡爾納所著科幻小說《海底兩萬里》中鸚鵡螺號潛水艇尼莫船長的名字。而“尼莫”一詞則來自拉丁語的“Nemo”,直譯為“無人”。

尼莫點于1992年由加拿大克羅地亞裔測量工程學家赫爾沃耶·盧卡泰拉發現,離它最近的陸地為三座遙遙相望的南半球島嶼——皮特凱恩群島中的迪西島、復活節島西南角的莫圖努伊島和南極洲外海的馬厄島,三者分別位于其北方、東北方及南方,至尼莫點的距離均遠達2688千米。

以此長度為半徑、尼莫點為中心,將上述三島以圓周串連起來,可圈出一片與整個北美洲面積相當、毫無任何陸塊夾雜其中的汪洋大海。

由此,令人意想不到的事情發生了——距離尼莫點最近的有人類出沒的地方不在地球上。相比之下,位于400千米高空中的國際空間站人員離它更近。

而這片海域在仰望星空的同時,也成為國際空間站等世界航天器的“墳墓”。老舊的衛星、火箭部件和空間站在外太空的旅程結束時,都被送到太平洋的這個荒涼之地,永遠安息在漆黑的海底。

航天器的最終歸宿主要有兩個,要么被送入“墳場軌道”,要么被送回地面,在地球大氣層中被燒毀。

處于地球同步軌道上的航天器一般會被發射抬升到比近地軌道高上千千米的“墳場軌道”上去,而近地軌道的失效航天器會被送回地面,墜落進入大氣層。大部分小型衛星會在距地面高度80千米至120千米的范圍內被燃燒銷毀,并不會真的落回地球表面。但對于諸如空間站這類大型航天器,不能完全燒盡,它們通過大氣層后仍會留下殘骸。

這些殘骸,最終都會受控墜落到這片“航天器墳場”中。這片區域不僅沒有人類活動,而且由于洋流影響,周邊的海洋環境不足以供養海洋生物,所以就連海洋生物也很少,唯有部分海底細菌可以存活??梢哉f,這里幾乎是一片寂靜死海。

2001年3月23日凌晨,在結束了長達15年的任務、繞地球飛行8萬多圈后,蘇聯“和平”號空間站開始了它生命的最后一段旅程。

一艘對接的貨運飛船點燃發動機,使“和平”號離開軌道,返回地球。這座120噸重的空間站進入大氣層,解體后如流星般墜落。斐濟附近的不少漁民曾經目睹燃燒著的殘骸從天空飛過,無法全部燃燒銷毀的剩余殘骸,落入尼莫點附近的水中墳墓。

從1971至2016年,在這片約1500平方千米的水域下方4000米深處,有260多個航天器長眠于此,其中大部分屬于俄羅斯,包括140余艘太空補給船、6個禮炮號空間站。我國之前發射的天宮一號、天宮二號空間實驗室以及天舟一號貨運飛船在任務結束后也在此“安息”。在該區域沉睡的其他航天器還有國際空間站各種貨運飛船,包括日本的6艘HTV貨運飛船和歐洲空間局的5艘自動運載飛船,甚至還有SpaceX火箭。

不遠的將來,已經進入“暮年”的國際空間站,也將在此長眠。國際空間站從1998年開始繞地球運行,如今已延長服役時間至2024年,但已經顯出老化跡象。

科學家們運用那些晦澀難懂的公式、符號、圖紙建造而成的“星空探索者”承載著人類的光輝與夢想,它們見過燦爛星辰,最后榮歸大海,就像世界各地的沉船一樣,它們將變成一片棲息地、一處珊瑚礁,一種全新的生命。(作者:吳鵬)

原因篇
人造衛星安全回家有多難?

不想在宇宙深處咀嚼孤獨,也不想在無人海域保持靜默,退役的人造衛星許愿回家“安享晚年”,真有那么難?

其實,并不是所有人造衛星在結束任務后都面臨在大氣層中“灰飛煙滅”的命運,返回式衛星在完成太空任務后,就能夠安全“回家”。

返回式衛星的研制和應用是衛星發展史上的一個重要突破。我國是目前掌握返回式衛星技術為數不多的國家之一。然而,要使衛星在預定的時間、地點返回,要求具備的條件可謂嚴苛,需要解決一系列復雜的技術難題。

首先,衛星必須進入預定軌道,并正好經過預定回收地區上空。由于回收衛星一般是低軌道衛星,受大氣阻力和地球形狀等因素影響,其軌道會發生偏離,因此,必須精確測算出衛星的實際軌道,才能確定返回指令的發出時間。衛星返回前先要脫離原來的運行軌道。衛星脫離原有軌道的速度為再入速度,其與地平線所形成的俯角稱為再入角。衛星重返大地對再入角的要求十分嚴格,一般須在3度至5度,運載火箭的點火時間、推力方向、推力大小與時間長短都會影響到再入速度和再入角的準確度。

其次,衛星在降落過程中,會摩擦生熱。尤其是當它降到離地面60千米至70千米時,會與大氣層摩擦產生大量的熱能,使其表面發生燃燒。這就需要衛星表層由特殊的耐高溫材料制成。

此外,地面和衛星相互配合使衛星能準確地轉變成返回的姿態,是返回的關鍵。衛星返回地面過程中必須不間斷地對衛星進行精確測量和全程跟蹤,并根據實測軌道參數對衛星的程序控制數據進行必要控制和管理,為此就要建立更大范圍、更多功能的地面測控網。

最后,衛星降落到離地10千米至20千米時,必須使用降落傘來再次降低速度,而降落傘的打開必須非常準時。衛星回收的一系列程序中,都包含復雜的技術問題,難度是很大的。

以上種種,都是針對返回式衛星的具體措施。而退役的人造衛星則會因燃料不足、難以把控或成本過高等,無法“回家”,最終要么被送入“墳場軌道”,要么返回地球,在大氣層中燃燒殆盡,或者帶著殘余墜入深海,了結此生。(作者:羅瀾)

趣聞篇
皓月繁星,也許只是發光的太空垃圾

當你感嘆星空的美妙絕倫時,可曾想過,它的另一面,也許是一圈巨大的“太空垃圾場”,且足足有8000多噸……

中國第一個進入太空的航天員楊利偉曾回憶說,在太空里聽到了許多“咚、咚、咚”的響聲,但不知道是為什么。

那么這種聲音來自哪里?有網友調侃道:這難道是外星人在敲擊飛船?專家分析,這可能是由于艙內溫度變化導致氣體熱脹冷縮,造成艙體變形時的聲響;還有可能是太空垃圾撞擊飛船時發出的聲音。

太空垃圾的“元年”是1957年。當年10月4日,蘇聯發射了世界上第一顆人造衛星“斯普特尼克”1號,人類利用航天器探索外層空間的新紀元從此開啟?!八蛊仗啬峥恕?號衛星直徑約58.5厘米,把它發射到太空的那枚火箭脫落的碎片,被認作是太空垃圾“第一塊”。

除了漂浮的火箭殘留的碎片、廢棄的衛星,還有一些意想不到的“奇葩”太空垃圾,比如人類骨灰、高爾夫球、價值10萬美元的工具箱、3.5億枚小銅針、“動物宇航員”的尸體等。還有一只被美國宇航員丟失的手套,在太空中漂浮了20多年。

1997年,當太空殯葬服務被首次推出時,《星際迷航》 系列作品的創作者吉恩·羅登貝恩的一部分骨灰被裝入唇膏大小的膠囊送入太空,環繞地球軌道6年之后焚毀在地球的大氣層里。

2006年11月,俄羅斯宇航員米哈伊爾·秋林在國際空間站外打出一桿有著歷史性意義的太空高爾夫球,然而這項太空活動并非是為了“好玩”,而是一個太空廣告合作項目。自進入地球軌道后,這枚高爾夫球似乎也變成了太空垃圾,留在了太空中。

另外,踏上太空的不僅只有人類,還有很多“動物宇航員”。它們為人類的宇航事業、生物事業等做出了不凡的貢獻,如小狗、猴子、兔子、魚、蜘蛛等。如果這些動物不幸“犧牲”,大多數情況下,它們的尸體會在太空中漂浮數月甚至數年,然后在掉落大氣層時被焚燒。第一個上太空的動物是一只名叫萊卡的小狗,因驚嚇和中暑衰竭為太空探索付出了生命。據了解,它的尸體連同太空艙,在2007年時還滯留在地球軌道上。

在航天技術日益發達的今天,去太空旅游、在失重中漫步的夢想不再遙遠。太空垃圾的問題對于人類來講似乎只是一種“煩惱”,還沒有到達危機級別,但如果太空垃圾長期得不到妥善處理,會對衛星體系甚至地球造成嚴重影響,將來處理起來會更難。(作者:王婉)

鏈接:各國如何“自掃”太空垃圾?

按照國際相關規定,飛行器“壽終正寢”后,有能力離軌即離開有用軌道,到沒用的地方去(太空“墳場”);對已編號的全部碎片,要進行全程跟蹤,目的是讓航天飛機、空間站、衛星進行避讓;在飛行器設計時,應考慮如何針對小碎片碰撞進行有效防護等問題。

實際上,由于全球的太空探索活動日益頻繁,如何處理太空垃圾也成為“頭疼”的大事。對此,各國有不同的處理“政策”。

以美國為例,國家航空航天局(NASA)提出了一項近地太空的“激進”方法——研制一種利用氣體“脈沖”射擊太空碎片的新技術,即太空碎片清除(SpaDE)系統,它將通過把大氣氣體脈沖發射到目標碎片必經路線上,增加太空垃圾的摩擦力,令其下降墜落到地球大氣層里。另外,NASA將投資研發二維宇宙飛船,這種航天器使用特殊的二維薄膜材料制成,可以包裹住太空垃圾并使其離開軌道。

俄羅斯、瑞士等國家則采用太空“掃地機器人”的做法。其中,俄羅斯航天署計劃投入108億盧布(約合3億美元)研發一種名為“掃除者”的航天器,它的設計工作啟動于2018年,預計2025年投入試運行。按照計劃,“掃除者”可以在一個周期內(最長6個月)帶走不超過10枚報廢衛星或火箭助推裝置。瑞士計劃研發猶如家用吸塵機的裝置,或像水母觸須一樣地打掃衛星,為外層空間大掃除,清理廢棄衛星及火箭殘骸等太空垃圾。

我國的做法則是建立“太空垃圾”觀測中心。2005年3月初,“中國科學院空間目標與碎片觀測研究中心”在中科院紫金山天文臺成立,將為中國在空間航天領域建起安全預警系統。同時,研發“遨龍一號”空間碎片主動清理飛行器,以模擬的空間碎片為目標,演示驗證碎片清除關鍵技術,任務結束后進行鈍化處理。2016年6月,它已隨長征七號運載火箭發射升空并開始運行。(作者:簡菊芳)

????????????????????????????????????????????????(來源:中國氣象報2021-12-24?四版)

(責任編輯:丁繼武)

一区二区三区免费无码视频_一区二区三区免费的视频_一区二区三区鲁丝不卡麻豆
<蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>|