太空垃圾

Space debris

太空垃圾是围绕地球轨道的无用人造物体;太空垃圾小到由人造卫星碎片、漆片、粉尘,大到整个飞船残骸构成。

太空垃圾又称空间碎片或轨道碎片,是宇宙空间中除正在工作着的航天器以外的人造物体,包括运载火箭和航天器在发射过程中产生的碎片与报废的卫星,航天器表面材料的脱落,表面涂层老化掉下来的油漆斑块;航天器逸漏出的固体、液体材料;火箭和航天器爆炸、碰撞过程中产生的碎片 。

按照火箭科学家专业的说法叫做“轨道碎片”,不过一般人都将其称为“太空垃圾”。别小看了这些零零碎碎的太空垃圾,据统计,与大于10厘米的太空垃圾(至少有1.6万)碰撞或可“杀死”航天器。真的有这么多的垃圾吗?其实,归根结底都是我们人类自己制造的。

太空垃圾的历史

自前苏联发射人类第一颗人造卫星斯普特尼克1号以来,全世界各国一共执行了超过4000次的发射任务,产生了大量的太空垃圾。虽然其中的大部分都通过落入大气层燃烧殆尽,但是截止2012年还有超过4500吨的太空垃圾残留在轨道上。美国于1958年发射的尖兵1号人造卫星报废后至今仍在其轨道上运行,是轨道上现存历史最长的太空垃圾。

太空垃圾的产生

简单来说,就是在人类探索宇宙的过程中,被有意无意地遗弃在宇宙空间的各种残骸和废物。

太空垃圾的产生方式一共有以下三种:

一是有意或无意爆炸产生的航天器残骸。有意的爆炸,极大多数来自前苏联和美国太空战的“预习”。其中前苏联就曾进行了19次卫星拦截、爆炸试验,给太空带来了500~1000块大小不等的碎块垃圾。无意的爆炸,如1973年间,美国有7枚火箭在轨道上爆炸。1986年,欧洲发射的“阿丽亚娜”火箭刚进入轨道就发生爆炸,其碎块中大于10厘米的就有564块,还有2300多块小于10厘米的。

二是宇航员漫不经心的过失。如1982年,宇航员瓦伦丁·列勃捷夫在进行例行的太空行走时,他刚刚打开“礼炮7号”空间站的减压舱门,由于近乎真空的太空所具有的巨大吸力,把宇航员们不慎留在减压舱内的一些螺栓、垫圈和一支铅笔,都吸入太空,成为了太空垃圾。更令人遗憾的是,前苏联的一些宇航员还把在太空生活中产生的生活垃圾丢入太空。人们还发现,有一只被一名美国宇航员丢失的手套,竟在空中飘浮游荡了20多年。

三是卫星和火箭的残骸。一些失去效用的卫星,仍在轨道上飞行。虽然它们最终会因飞行速度减小,重返大气层而与大气层摩擦烧毁,但恐怕要在几十年到几百年以后。在近地空间里,还飘浮着许多火箭的残余部分,如火箭被丢弃的金属外壳、运载火箭的末级残体、散落下来的发动机和各种衔接部件等。

NASA忧心忡忡地公布:2005年1月17日,南极上空885公里,发生了一起看似偶然的“宇宙交通事故”——一块31年前发射的,美国雷神火箭推进器遗弃物,与中国发射的长征四号火箭CZ-4碎片相撞。这是一起典型的太空垃圾“宇宙交通肇事案”。

最早提出“太空垃圾”概念的是防空部队的值班人员,因为监控宇宙空间的部门每天要监视5万多个物体,太空垃圾常令他们迷惑。16年前,加拿大某气象台宣布,发现了英仙星座附近有体爆炸。后来才弄清楚,这不过是一颗废弃人造卫星在太阳光反射下造成的效果。另据俄报导,1987年,曾发生过因连接器拧不紧,“量子”舱无法同“和平”号对接的情况。当时,经验丰富的地面控制中心认为,舱外肯定有物质干扰对接,于是派一个考察组上去检查,结果发现那里有一个金属残片。

20世纪60年代以前,没人听说过太空坠落物,但是自1973年以来,每年有数百块太空垃圾坠落地球。但由于其在经过大气层与空气产生的急剧摩擦,使得这些垃圾在未通过大气层时就自我燃烧殆尽,在大气层的保护下就自我毁灭了。万幸的是,迄今没有大型的太空垃圾坠向地球,因此也尚未伤人。

太空垃圾的危害

太空垃圾一般在高300-450公里的近地轨道上以每秒7-8公里,而在36000公里高度的地球静止轨道上则以每秒3公里的速度高速运动,根据轨道倾角碰撞时的相对速度甚至可以达到每秒10公里以上,因此具有巨大的破坏力。因此太空垃圾若与运作中的人造卫星、载人飞船或国际空间站相撞,会危及到设备甚至宇航员的生命,据计算一块直径为10厘米的太空垃圾就可以将航天器完全摧毁,数毫米大小的太空垃圾就有可能使它们无法继续工作。而太空垃圾也因此成为了国际问题。

自上世纪20世纪50年代超级大国进军宇宙以来,人类已经发射了四千多次航天运载火箭。据不完全统计,太空中现有直径大于10cm的太空垃圾九千多个,大于1.2cf的有10万个以上,而漆片和固体推进剂[8]尘粒等微小颗粒个能数以百万计。

这些太空垃圾飞行速度极快(6-7km/秒),他们隐藏着巨大的杀伤力:一块10克重的太空垃圾撞上卫星,相当于两辆100km/时的小汽车相互碰撞,卫星会在1.5秒内被打穿或直接击毁!但一撞上,那就是毁灭性的。最让科学家头疼的是“雪崩效应”——每一次太空垃圾的相互碰撞不会互相湮灭,而会产生更多的碎片,这就是新的“大问题”。

美国宇航局和国防部跟踪分析这些太空垃圾,休-路易斯(Hugh Lewis)博士认为,对于希望在太空中生活和工作的下一代人类而言,太空垃圾是不容小觑的问题。清理太空轨道上的垃圾物质需要几年时间才能实现,需要工程师、科学家、律师和经济学家的共同合作。

太空垃圾的事故

1983年,美国航天飞船“挑战者号”与一块直径0.2毫米的涂料剥离物相撞,导致舷窗被损,只好停止飞行。前苏联的“礼炮—7”号轨道站也多次被此类“尘埃”损坏。1986年,“阿丽亚娜”号火箭进入轨道之后不久便爆炸,成为564块10 厘米大小的残骸和2300块小碎片,这枚火箭的残骸使两颗日本通信卫星“命丧黄泉”!1991年9月15日,美国发射的“发现者”号航天飞机差一点与前苏联的火箭残骸相撞,当时“发现者”号与这个“不速之客”仅仅相距2.74千米,幸亏地球上的指挥系统及时发来警告信号,它才免于丧生。

美国东部时间2009年2月10日上午11时55分(北京时间2月11日晚0时55分),美国和俄罗斯的两颗通信卫星在太空相撞并产生大量太空垃圾,这极有可能会对国际空间站构成威胁 。

据计算,太空轨道上每个飞行物发生灾难性碰撞事件的几率为3.7%,发生非灾难性撞击事件的可能性为20%。以此计算,今后将每5~10年可能发生一次太空垃圾与航天器相撞事件,到2020年将达到2年一次。

2014年4月3日美国航天局宣布,为躲避一块阿丽亚娜5型火箭的残骸,国际空间站飞行控制人员当天调整了空间站的飞行轨道。这也是近3周内国际空间站第二次躲避太空垃圾。

美国航天局的声明说,过去几天,飞行控制人员一直跟踪一块阿丽亚娜5型火箭残骸。结果发现,这块太空垃圾有可能从空间站旁约300米处飞过,因此决定调整空间站的轨道。

声明说,美国东部时间3日16时42分,空间站推进器点火3分40秒,将空间站的轨道抬升了约800米。空间站上的6名宇航员提前得到通知,没有任何危险。

2014年3月16日,空间站也曾提升轨道,以躲避一块俄罗斯气象卫星的碎片。

太空垃圾的现状

根据NASA的统计,地球轨道上有大约4000个运行中或报废的人造卫星和火箭残体,此外还有大约6000个可以看到并跟踪的太空垃圾碎片;而直径超过一厘米的太空垃圾,更多达20万个。这些物体大多数的运行速度,都在2万公里/小时以上。

运行在地球轨道上的这些物体无时无刻不对卫星本身的安全、航天飞机以及国际空间站的安全构成威胁。

根据美国忧思科学家联盟(Union of Concerned Scientists)截至2009年1月21日的统计数据,运行在地球轨道上的人造卫星为905颗,其中美国443颗、俄罗斯91颗、中国54颗,最为拥挤的地球同步轨道(高度35860公里,赤道上空,倾角为0)上的卫星为366颗。近地轨道(700公里到2000公里)上有442颗。

2010年7月30日据俄新网报道,俄罗斯航天署新闻处发布消息说,中国已经成为在近地宇宙空间制造太空垃圾最多的国家。俄航天署官方网站周五发表的一篇文章指出,“根据统计,40%的太空垃圾是中国制造的。美国的太空垃圾占27.5%,俄罗斯占25.5%,其他国家占7%”。

而根据NASA负责监测太空碎片部门的官方数据,近地空间大多数的太空垃圾属于俄罗斯和独联体国家(5833颗),其中包括1402颗卫星,4431个运载火箭残骸等“垃圾”。美国排在第二,总共制造了4824个垃圾,包括1125颗报废卫星和3699个运载火箭残骸等碎片。而中国制造的太空垃圾超过3388个(88颗废卫星和3300个其它碎片),少于俄罗斯和美国。

2011年9月1日,美国的研究报告显示,在地球轨道上的太空垃圾数目已达到临界点,相撞的机会大增,并威胁1000个人造卫星的安全。该报告称,地球轨道上已有2.2万余件可以侦测到的太空垃圾,其中不少是发射导弹后被摧毁的卫星碎片。

截止2016年11月,大约有1亿块太空垃圾环绕地球运行,其中27000块直径超过10厘米,由美国宇航局和国防部进行跟踪。每块太空垃圾的运行速度均达到28000公里/小时 。

太空垃圾的对策

保持清洁

航天专家们已经开始研究限制空间垃圾的产生,以及消除空间垃圾的办法。如:将停止工作的卫星推进到其他轨道上去,以免同正常工作的卫星发生碰撞;用航天飞机把损坏的卫星带回到地球,以减少空间的大件垃圾。有一些科学家提出,使用激光武器,将太空垃圾在太空中直接焚烧掉。

探测控制

大一些的太空碎片可以用监测导弹和间谍卫星的系统来进行监测。美国和前苏联的太空检测网络已经登记了1万个太空物体。每天大约有50个雷达、光学或光电感应器要对天空进行大约15万次观察,但是这一监测系统却不能探测到小于10厘米的物体。直到1984年,科学家才采取取样调查的方法,对这些小物体进行了分析。而德国和美国的科学雷达可以探测到2毫米大小的物体。

尽管发射卫星的数量有所减少,监测技术也有所提高,但消除太空垃圾仍然是一个十分困难艰巨的课题。NASA、国防部和能源部正在研究一项计划,在地面上用激光来去除太空中的小型垃圾。科学家提出如果人类不能积极地控制卫星的数量和消除太空垃圾,那么人类在天空中也会像在地球上一样缺少空间。

移动雷达

在日本本州岛冈山县一台远程控制雷达从4月6日起开始工作,该雷达主要作用是跟踪太空垃圾的移动。这是世界上第一台专门用来跟踪太空垃圾移动的雷达,在其他一些国家都是借助于军用雷达来记录或确定太空垃圾。

新型雷达能测定直径为1米高度达600千米物体的位置,并能同时跟踪近十个物体。

新型雷达由几家私人公司在日本文部科学省资助下耗资20亿日元(约1800万美元)建成,该雷达将由位于日本大阪附近茨城的航天中心进行远距离控制。

有关太空垃圾的其他内容