航天事業的重要挑戰:如何有效處理“太空垃圾”

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小编:4月24日是“中國航天日”,在這一天我們要弘揚航天精神、普及航天知識、激發全民族探索外層空間的創新熱情。航

4月24日是“中國航天日”,在這一天我們要弘揚航天精神、普及航天知識、激發全民族探索外層空間的創新熱情。航天是高風險事業,在享受航天探索帶來的成果的同時,也需要關注航天活動中的風險因素,了解航天事業面臨的挑戰。

航天飛行中危險性較大的階段是航天器穿越大氣層的過程,在這一階段燃料燃燒和空氣摩擦產生的高溫使飛行充滿了風險。當航天器穿過大氣層進入軌道飛行后,其外部環境就變得相對穩定,但此時航天器仍面臨若干安全風險,其中由航天活動本身產生的“太空垃圾”便是一個重要挑戰。

隨著上世紀50年代人類具備了進入太空的能力,越來越多的衛星、飛船被發射入軌,使得地球附近的太空不再空曠。然而,人類制造的機器設備都有著設計上的使用壽命,各類航天器也不例外。當航天器出現故障,或者達到了使用壽命,電源、燃料耗盡,航天器便無法繼續運作,人類也會失去對它的控制。這時,失去了利用價值的航天器便成為了名副其實的太空“垃圾”。

與地面上的交通工具不同,失去動力的航天器不會立即墜落。地球上的飛機、輪船和汽車都依靠它們自身的動力保持運動,當動力中斷時,地面上的交通工具將在各種阻力的作用下很快停止運動。但太空中的航天器不同,由於航天器依靠自身運動具有的慣性抵消地球重力,而太空中又缺乏阻礙航天器運動的阻力,因此當失去動力時航天器不會立刻墜落。雖然在近地軌道附近高層大氣仍然對航天器的運動存在微弱的阻礙作用,但由於大氣的影響很小,需要日積月累才能顯著改變航天器的運動速度,使航天器在重力的作用下落回地面。所以,失效的航天器有可能在軌道上繼續飛行幾年、幾十年甚至幾千年。由於舊的失效的航天器一時難以落回地球,而人類又在不斷發射新的航天器,使得飛行在軌道的航天器越來越多,其中失效成為太空垃圾的航天器也越來越多。

失效的航天器數量很多,當這些失控的航天器互相碰撞,以及由於殘余燃料爆炸等原因解體時,還會產生大量新的空間碎片,這些太空中飛速飛行的物體會對正常工作的航天器產生巨大威脅。在電視報道中,我們常能看到宇航員在飛船中輕輕飄舞,仿佛太空中的一切都是緩慢和輕柔的,這是一種錯覺。宇航員之所以能在飛船中輕舞,是由於他和飛船在同一個軌道上,即具有相同的速度、高度和軌道角度。一旦軌道參數不同,兩個不同軌道上的物體將存在巨大的相對速度,這種速度差值可能比飛行的子彈還要快得多,使得任何一小塊碎片都可能具有徹底摧毀另一顆衛星的能量。2009年2月10日,俄羅斯已報廢的宇宙-2251號衛星與美國的銥星33號衛星發生了碰撞,碰撞不僅損壞了正常工作的衛星,還產生了若干新的空間碎片。2013年5月,升空不足一個月的厄瓜多爾飛馬座衛星與前蘇聯時期遺留的火箭殘骸發生了擦碰,導致飛馬座衛星太陽能電池板受損,衛星進入不受控的旋轉狀態,與地面失去了聯系。

太空垃圾對航天器存在巨大威脅,因此各航天國家都對太空垃圾的處理方法進行了研究。解決太空垃圾最根本的辦法是減少太空垃圾的產生,如對報廢衛星進行受控墜毀處置以及將到達壽命末期的高軌道衛星移入墓地軌道等方法,都可有效減少大型太空垃圾的產生。此外,通過對使用完畢的運載火箭末級進行“鈍化”處理——排除殘余的燃料和氣體,也可避免火箭殘骸爆炸產生更多的空間碎片。對於已經形成的太空垃圾,在現有技術下進行回收和清理是困難的,且在經濟上無法承受。因此,各國隻能通過監控空間殘骸的軌跡並調整正常工作航天器的軌道來實現對太空垃圾的規避。對於宇宙飛船、空間站等載人航天器,在設計時也會考慮微小太空物體撞擊對航天器安全的影響。

太空垃圾問題的最終解決需要各國通力合作。如果太空遍布了太空垃圾,那麼任何一國的航天器都無法安全飛行。因此,各國應盡可能地共享太空垃圾的軌道數據,從而最大限度地避免正常衛星與太空垃圾碰撞,進而避免產生更多新的太空碎片。更為關鍵的是,各航天國家需要正確處理政治軍事矛盾,以免因為國家間的沖突加重太空環境的污染。美俄等具備先進太空技術的國家都擁有主動摧毀在軌航天器的能力,如果這些國家因為軍事沖突對敵對國家航天器進行大規模的打擊,可能在極短時間內產生大量空間碎片,而這些碎片又會與其它在軌物體碰撞產生連鎖反應,最嚴重時有可能使人類喪失進入宇宙空間的能力。因此,各國需要在技術、政治、軍事等方面都加強合作,才能保護我們的太空環境,維護我們共同的家園。(中國航天科工二院二部 盧天宇 工程師)

(責編:郝孟佳、熊旭)

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