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近地轨道变成太空垃圾场,有通用万能的清理方案吗?

时间: 2021年06月01日 | 作者: Admin | 来源: 新浪科技
尽管有很好的技术演示,但对于日益严峻的轨道垃圾处理问题,并没有一个万能的解决方案。

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  一场太空时代的“共同悲剧”就在我们的眼皮之下悄然发生,或者确切地讲,就在我们的头顶之上正在进行着,然而研究人员对于如何阻止它,还没有达成共识。半个多世纪以来,人类向近地轨道抛掷物体的数量越来越多,近地轨道现已变成一个以地球为中心的太空垃圾场,在这个日益拥挤的太空领域,各国对太空发射的限制条件很低,多数国家的态度一直保持宽容——在近地轨道上,似乎总是有空间可以发射航天器。


  在经历几十年的航天领域高速发展之后,近地轨道残留了许多废弃的火箭推进器,太空中漂浮着螺栓和油漆碎片,固体火箭发动机残骸,报废或即将报废的人造卫星,以及反卫星测试散落的碎片,所以这些都可能对正在运行的航天器构成威胁,最近该现象会恶性循环,导致近地轨道变得过于拥挤,航天器存在更大的安全危机。


  不断发射人造卫星,碰撞风险日益增大


  当前近地轨道可能变得更加糟糕,因为数以千计的人造卫星即将升空,例如:SpaceX公司的“星链”,它将构建一个宽带互联网系统,“星链”仅是众多类似项目中的一个,另一个名为“OneWeb”的大型星座项目现在部署之中,亚马逊公司的“柯伊伯项目”正在寻求不久的将来创建一个由3200颗人造卫星组建的巨型卫星群。


  伴随着人造卫星群数量逐渐增多,轨道航天器也变得越来越险象环生,例如:国际空间站定期调整运行轨道,从而避开潜在的危险碎片,更糟糕的是,近地轨道全面碰撞威胁日益增大,产生越来越多的危险太空垃圾,2009年2月,一颗报废的俄罗斯宇宙卫星与一艘商业铱卫星相撞,产生大量碎片。


  寻找方法清除至少一部分太空垃圾,应该是全球优先考虑的事情。上世纪70年代末,科学家就预言可能出现的场景——随着太空垃圾的密度增大,级联、自维持失控产生的碎片碰撞将不断循环发生,最终可能使低地球轨道变得太危险,无法维持大多数空间活动。


  现在科学界已达成共识,太空碎片环境已达到一个“临界点”即使停止所有航天器发射,碎片也会继续增加,但是只有铱卫星类型的碰撞事件才能引起所有人的关注,而事实是此类碰撞事件已成为在所难免的事情。


  至于凯斯勒综合症,该现象已悄然开始了,目前近地轨道碰撞事件随时都可能发生,但不是大规模碰撞事件。


  关于潜在太空垃圾碰撞事件的各种猜测,促使科学家提出许多种太空碎片清理方法,例如:太空网、激光爆炸、太空鱼叉、巨大泡沫球、太空绳索、太阳帆、以及收集太空垃圾的机械手臂和触手,这些方法均被提出作为清除轨道垃圾的解决方案。


  为了应对这种令人担忧的状况,一个新加入的项目是刚刚启动的“太空清洁工演示周期结束服务(ELSA-d)”,这是日本一家卫星服务公司“太空清洁工(Astroscale)”开发的两颗卫星任务,它包括一颗旨在安全移除轨道碎片的“服务”卫星和一颗“客户”卫星。该项目旨在展示一种能捕捉稳定甚至是翻滚物体的磁性系统,无论是用于处置,还是在轨道上维护,在经过多阶段测试之后,服务卫星和客户卫星都将一起脱离轨道,在坠入地球大气层的过程中解体。


  目前,ELSA-d卫星正在地球轨道上运行,该任务于3月22日通过俄罗斯“联盟号”火箭发射升空,并将许多其他人造卫星搭载进入太空。太空清洁工公司创始人兼首席执行官Nobu Okada表示,ELSA-d卫星将证明其清除太空碎片的能力,并推动监管方面的发展,推进报废和活跃碎片清除服务的商业应用,这次发射是朝着“造福子孙后代的太空安全和可持续发展”迈出的重要一步。


  虽然ELSA-d卫星和其他技术是清理太空碎片的积极进展,但它们并不是“万灵药”,尽管一些太空垃圾清除项目取得了成功,但仅靠这些任务仍无法完全解决当前近地轨道的动态困境,而且太空垃圾的增长扩散势头基本上有增无减。


  有通用万能的太空垃圾解决方案吗?


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即使是很小的太空碎片也会产生灾难性的影响。这张图片显示了一块铝块和一个小铝球以将近每秒7公里的速度撞击的实验结果。


  CelesTrak是一种跟踪近地轨道天体的专业分析机构,该机构科学家表示:“从我们的角度来看,处理太空碎片的最好办法并不是如何清除它,该问题就像任何环境整治一样,预防污染比以后清理污染更重要,也容易得多,这可以避免日后投入资金解决,也就是说当完成一些太空任务后,不要将太空碎片残留在近地轨道上。”


  对于太空垃圾的问题,根本没有“一刀切的解决方案”,移除巨大的火箭残骸与移除同等质量的更小物体是截然不同的任务,后者轨道运动范围较大。与此同时,像SpaceX等公司的创新方案正在大幅降低发射成本,为更多卫星进入近地轨道打开闸门,在近地轨道上,一些人造卫星不可避免地出现故障,无法回收,最终成为漂浮的太空碎片,并对正在运行的人造卫星构成威胁,除非它们被类似ELSA-d卫星的太空碎片解决方案清理,现在许多操作人员开始明白,继续躲避越来越多的太空碎片有多么困难和复杂。


  太空垃圾包括各种漂浮物体,从纳米等级的残骸碎片,到整个航天器,例如:欧洲航天局的环境卫星,它有双层巴士大小,是所有太空垃圾清除名单上最常见的。还有一些具有固定重量的物体,例如:金属块、像纸一样薄的隔热层,它们会对航天器造成不同类型的损害,可能需要不同的方案进行清除,但是一个“通用万能”的方法是不可能做到的。


  最大的太空垃圾风险是1-10厘米大小的碎片,它们的数量远远超过报废的宇宙飞船,而且发生碰撞的可能性也很大,虽然这种尺寸大小的太空碎片可能不会造成航天器灾难性破裂,但发生碰撞肯定会造成人造卫星等航天器损坏,并产生新的、更多的太空碎片颗粒。


  科学家们现在将注意力转向了巨型卫星群,他们担心这些卫星在近地轨道环境中的影响,因为这里已经很拥挤了,轨道动力学是不可预测的,随着越来越多的人造卫星发射升空,希望能看到这些人造卫星运营商发布他们长期的碰撞预测模型。


  毫无疑问,主动清除轨道碎片在技术上具有挑战性,令人担忧、也是最大的问题是,任何能够清除现有太空碎片的成功技术,都可以作为反卫星武器,这是另一件棘手的事情,需要外交和谈判,最重要的是需要国际层面的信任。


  近地轨道是一个生态系统,人类必须要保护环境!


  事实上,近年来人类与近地轨道的航天器密切接触、进行维修以及破坏,已引起军事家的极大兴趣,这些快速发展的技术有潜力用于和平的太空活动或者太空战争,考虑到这些技术能力的双面性,人们事先不可能确切知道它们在某一天会被如何使用。


  目前,太空碎片清除的商业案例并不能赚钱,与其说是一个真正的市场,还不如说是一个“幻灯片演示”。们希望政府能帮助企业创建一个从事解决太空垃圾问题的市场,为了实现该目标,正在进行太空探索的国家必须一致认可,近地轨道是一种像陆地、大气层和海洋一样的生态系统,它不是无限的,所以我们需要保护环境。



  太空可持续性发展指标类似于碳足迹,我们可以称其为“太空交通”足迹,我们需要一种方法来量化“太空轨道公路”在什么时候会出现交通饱和、无法使用的情况,然后进行资源合理分配,并讨论非自愿太空垃圾清理的问题,或许会对那些占用轨道空间的死亡资产的主权所有者处以罚款,这无疑会创造一个太空垃圾移除技术蓬勃发展的市场。


  目前,我们还需要一个太空垃圾分类方案,有了这样的分类,将有助于分析需要哪些类型的技术来消除太空垃圾的不同衍生。从整体而言,这是一个简单的数字游戏:航天器发射数量远超出它们返回地球的数量,按此速率发展,这不是一个很好的能量平衡。


  部分国家的政策制定者对太空垃圾解决问题的反应仍然迟缓,毕竟尽管像2009年铱卫星碰撞这样的事件产生了大量的太空碎片,它就目前而言此类现象仍然非常罕见。卫星碰撞事件就像泰坦尼克号上的乘客感觉到即将撞击冰川,但甲板上仍有乐队在演奏,太空垃圾是一个人们能意识到风险却存有侥幸心理的问题,就危险的太空碎片而言,其发展态势在朝着对人类产生威胁的方向发展,因为我们没有改变人类的行为,未来太空垃圾带来的威胁将越来越大。(叶倾城)