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  • 太空垃圾

    太空垃圾(Space debris、Orbital debris或Space junk)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。 美国国家航空航天局(NASA)将投资研发二维宇宙飞船,这种航天器使用特殊的二维薄膜材料制成,可以包裹住太空垃圾并使其离开轨道。 二维宇宙飞船的推进剂以液体形式储存在两片薄膜之间宽度为10微米的缝隙中。一个大小为1平方米的二维宇宙飞船重量约为35克,因此这种宇宙飞船将大大降低太空发射的成本。 这一项目是NASA创新先进概念计划(NIAC)筛选出的13个研究方案之一。NASA创新先进概念计划旨在资助研发利用最前沿技术的革新性系统 。

    编辑摘要
    • wanghui6438由于太空垃圾以轨道速度运行,若与它们相撞可能会严重损坏尚在运作的太空飞行器,甚至威胁到宇航员在舱外活动时的生命安全。

    目录

    基本介绍/太空垃圾 编辑

    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。

    产生历史/太空垃圾 编辑

    太空垃圾电脑模拟图 太空垃圾电脑模拟图

    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。[1]

    陆地污染/太空垃圾 编辑

    太空垃圾不仅给航天事业带来巨大隐患,而且还污染了宇宙空间,给人类带来灾难,尤其是核动力发动机脱落,会造成放射性污染。美国和前苏联在空间的核反应堆中有1吨的铀—235及其他核分离物。

    产生因素/太空垃圾 编辑

    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:

    太空垃圾 太空垃圾

    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。  

    这就是那只丢失并在太空中飘荡了20多年的手套 这就是那只丢失并在太空中飘荡了20多年的手套

    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。  

    历史事件/太空垃圾 编辑

    1961年至1963年美国西福特计划

    1984年美国反卫星导弹试验

    2007年中国反卫星导弹试验

    2008年美国燃霜行动

    2009年卫星碰撞事件

    2013年厄瓜多尔卫星撞击事件  

    主要危害/太空垃圾 编辑

    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   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。

    危害事故/太空垃圾 编辑

    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。

    躲避垃圾

    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。  

    垃圾现状/太空垃圾 编辑

    太空垃圾 太空垃圾

    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   。

    解决对策/太空垃圾 编辑

    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。

    躲避垃圾/太空垃圾 编辑

    外媒2012年9月26日报道,为躲避太空垃圾,国际空间站(ISS)的位置可能需要做出调整。

    美国宇航局(NASA)26日表示,一个俄罗斯废弃卫星的碎片和一艘印度火箭的残骸27日将飞近国际空间站,存在撞击空间站的可能。若有必要,国际空间站27日可能会做出移动。

    据悉,国际空间站内有三名航天员驻扎。他们会借助对接在空间站上的欧洲补给宇宙飞船的动力来移动空间站。欧洲宇宙飞船本来应该已经离开,因为通讯故障,返航时间才被延误。

    太空垃圾飞行的速度很快,万一被撞击,国际空间站可能会受损。美国宇航局表示,不能确定俄罗斯卫星碎片的大小。  

    太空环境已经严重污染,太空垃圾主要产生者特别是美国当然要负主要治理责任,但是在治理过程中,加强国际合作,提高行为透明度至关重要,美国不仅在迈向和保持航天强国过程中产生了大量太空垃圾,而且还在进行太空武器试验过程中,用导弹摧毁报废卫星制造了很多太空垃圾。比如,冷战期间,美国为确保战争情况下在全球范围内稳定进行无线电通讯,启动了在太空散布数亿根铜针,形成一个8公里宽,38公里长云环的“西福特计划”,这些铜针中的相当一部分最终成为了太空垃圾  

    各国措施/太空垃圾 编辑

    美国

    太空垃圾:美国宇航局提出了一项“清理”近地太空的激进方法。美国密歇根大学的一个科研组正在研究一种利用气体“脉冲”射击太空碎片的新技术。这种被提议的新系统名叫太空碎片清除(SpaDE)系统,它将通过把大气气体脉冲发射到目标碎片必经路线上,增加太空垃圾的摩擦力,令其下降坠落到地球大气层里。

    英国

    欲让死卫星不再变太空垃圾

    清洁太空一号卫星到2009年1月为止,英国萨里卫星技术公司(SSTL)的研究人员设计一种用于小卫星的微型电力推进器,可以将卫星安全带回地球大气层,在空中烧尽,从而避免产生太空垃圾,控制低空轨道的卫星拥挤状况。这项技术还可以将小卫星送到更远的太空。

    中国

    建立“太空垃圾”观测中心

    “中国科学院空间目标与碎片观测研究中心”2005年3月初在中科院紫金山天文台成立,将为中国在空间航天领域建起安全预警系统。

    遨龙一号空间碎片主动清理飞行器

    空间碎片主动清理飞行器在前期技术研究和地面试验的基础上,以模拟的空间碎片为目标,验证碎片清除关键技术,任务结束后进行钝化处理。2016年6月已随长征七号运载火箭发射升空并开始运行。

    俄国

    俄罗斯航天署向政府提交的“2016—2025年联邦航天计划草案”,为了清除在地球同步卫星轨道上的大型太空垃圾——报废卫星或火箭助推装置,俄罗斯联邦航天署计划投入108亿卢布(约合3亿美元)开发一种名为“扫除者”的航天器。它的设计工作预计从2018年开始,到2025年投入试运行。不过,俄罗斯航天署下设科研机构的负责人丹尼柳科表示,地球同步卫星轨道已经很拥挤,制造这种新航天器的任务将变得异常复杂。

    按照计划,“扫除者”约重4吨,可以在一个周期内(最长6个月)带走不超过10枚报废卫星或火箭助推装置。每台“扫除者”的使用期限预计达到10年,也就是说可以工作不少于20个周期。

    根据专家的描述,“扫除者”清理太空垃圾的方式可能有两种:航天器在接近报废卫星后,将目标“抓住”,送到更高的轨道,使其不影响其他航天器的飞行;或者将它推离轨道,送往地球方向,最后将其彻底“埋葬”在太平洋水域的“航天器墓地”。  

    日本

    在日本本州岛冈山县一台远程控制雷达从2011年4月6日起开始工作,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。

    瑞士

    拟发射首颗打扫卫星清理太空垃圾

    2012年2月,瑞士科学家宣布,计划研发犹如家用吸尘机的装置,或像水母触须一样的打扫卫星,为外层空间大扫除,清理废弃卫星及火箭残骸等太空垃圾。该卫星名为“清洁太空一号”,预计造价1,000万瑞郎(约合人民币6856.4万元),将于3至5年内发射。新卫星第一个任务是回收两枚分别于2009年及2010年发射的瑞士卫星。  

    国际空间站

    穿“铠甲”抵御太空垃圾

    国际空间站上的两名俄罗斯宇航员经过5个半小时的太空行走,为空间站安装金属遮蔽罩,减少太空垃圾对空间站的威胁。这次太空行走的主要任务是在俄罗斯建造的太空舱外安装5个铝制遮蔽罩,防止太空垃圾撞坏空间站。每个遮蔽罩重9公斤,宽0.6米、长0.9米。俄罗斯为国际空间站建造的生活舱已在距地面355公里的轨道上运行了7年。

    美国航空航天局一个独立工作组发布报告称,太空垃圾是国际空间站面临的威胁。安装遮蔽罩将大大提高空间站抵抗太空垃圾撞击的能力。报告估计,俄罗斯为空间站建造的设备完成的防护升级,空间站被太空垃圾撞毁的风险将从9%降至5%。

    国际规定/太空垃圾 编辑

    飞行器寿终正寝后,有能力离轨即离开有用轨道,到没用的地方去;对已编号的全部碎片,要进行全程跟踪,目的是让航天飞机、空间站、卫星对较大碎片进行避让;在飞行器设计的时候,应考虑如何针对小碎片碰撞进行有效防护等问题。  

    相关文献

    扩展阅读
    1腾讯科技网:可怕的太空垃圾
    2人民网:我国有了“太空垃圾”观测中心,2005年3月10日

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