分享

1亿多块太空垃圾,从哪来往哪去?

 公元2012 2022-02-05

击蓝字 '方位地理学' 关注我们

美国洲际导弹防御系统雷达网公开的监测数据显示

围绕地球转动的太空垃圾估计有1亿多块

这些大小不一、数量巨大的太空垃圾从何而来

又将对我们人类产生什么影响

本期策划,带大家探知太空“拥挤”的一面。

太空垃圾会“锁死”航天的未来吗?

若从太空中观察地球,会发现这颗蔚蓝色行星的外层,漂浮着数量巨大的各类碎片。

这些碎片大多是人类发射到地球大气层之外、已经停止工作或正在运行过程中的航天器意外解体所形成的。能够追踪到的、直径大于12厘米的碎片,人类对其进行编号。截至目前,仅编目的碎片就有3万片之多,小的更是数不胜数

这些碎片失去了其原有的功能,但却占据着宝贵的空间轨道资源,且不受控制地横冲直撞,可能威胁到卫星安全,所以它们被形象地称为“太空垃圾”。

图片

太空垃圾电脑模拟图 来源:美国航空航天局

太空垃圾并非自古以来就存在。实际上,在1957年之前,太空是很“寂静”的。随着经济、国防、科研的需求,人类开始不断开发空间资源,形形色色的航天器来到了外空间,除了地外探索,如火星、月球探测等,大多数卫星都集中在地球周围。而这些航天器在退役、自然解体或意外碰撞后,不可避免地产生大量碎片

空间碎片主要集中在500千米至800千米高度的轨道上,这里也是现役卫星运行所处轨道。因此,随着更多卫星不断加入,太空势必会更加拥挤不堪。而当航天器和太空垃圾在同一时间出现在同一个坐标点上,碰撞就难免会发生。

美国航空航天局(NASA)曾放置了一个长期暴露装置LDEF,这个“活靶子”130平方米的外表面,不到6年时间被砸出了3.4万个深坑;国际太空站前指挥官Chris Headfield也曾描述,在太空站时,这种因为太空垃圾突然撞击所造成的异响非常常见,几乎每天都会遇到,可见撞击频率之高。而随着航天科技的不断发展,更多的航天器发射升空,在越来越拥挤的卫星轨道,这种频率势必还会增加。

太空垃圾对航天器所造成的伤害也非常大。根据动能计算公式,对于这些碎片而言,动能更多取决于其速度而非质量,可怕的是这些碎片相对于航空器的平均速度而言非常之高,可以达到每秒10千米的超高速,因而常常会有与航天器“同归于尽”的情况发生。也因此,各国航天业不得不将躲避太空垃圾纳入设想中,并投入更多研发力量。

图片

设想中太空垃圾清洁卫星“清洁太空一号”

撞击更严重的时候就会产生大量的次级碎片——一次碰撞会产生许多的碎片,这些碎片之间再次碰撞,引发一系列的次级碰撞,如同原子裂变反应,产生指数级增长的碎片。

1978年,美国科学家凯斯勒提出一种假设,当太空垃圾密度达到一定阈值时,会产生一种“凯斯勒”现象,即碎片之间的碰撞不断叠加,直至将所有航天器损毁。

彼时,人类依赖的大量科技,如GPS等将会荡然无存,地球外层将被蒙上一层非常密的太空垃圾网,不仅无法发射任何飞行器,甚至无法对这些太空碎片进行清理,地球将被人类自己产生的太空垃圾封锁。

凯斯勒的这个假设并非空穴来风。实际上,科学家已经开始担忧这种趋势,他们认为,如果任由这种现象持续下去,人类航天之路被“锁死”的预言就并不仅仅是危言耸听了。

深海之下,埋藏着人类的光辉与梦想

1971年10月10日,在苏联耶夫帕托利亚飞行控制中心,气氛凝重。工程师们深知,礼炮1号空间站“大限将至”,再也等不来新的载人航天任务了。总指挥含泪下达命令,礼炮1号空间站进行最后的点火,进入可控再入阶段。次日,一团金属烈焰向南太平洋方向的一处深海区飞去。这座在轨运行175天、绕行地球2929圈的人类第一座载人空间站,终于“魂归大海”。

图片

礼炮1号空间站概念图

礼炮1号空间站的最后归宿地,是科学家早就为其选定好的。这里位于南太平洋,南极昆仑站所在区域被称为“人类不可接近之极”,而这片海域的正式名称是“海洋难抵极”,因为这里距离最近的陆地大约都有2700千米。

不过,它还有一个很特别的名字——“尼莫点”。不错,这正是儒勒·凡尔纳所著科幻小说《海底两万里》中鹦鹉螺号潜水艇尼莫船长的名字。而“尼莫”一词则来自拉丁语的“Nemo”,直译为“无人”。

图片

尼莫点示意图,图片来源:《卫报》

尼莫点于1992年由加拿大克罗地亚裔测量工程学家赫尔沃耶·卢卡泰拉发现,离它最近的陆地为三座遥遥相望的南半球岛屿——皮特凯恩群岛中的迪西岛、复活节岛西南角的莫图努伊岛和南极洲外海的马厄岛,三者分别位于其北方、东北方及南方,至尼莫点的距离均远达2688千米

以此长度为半径、尼莫点为中心,将上述三岛以圆周串连起来,可圈出一片与整个北美洲面积相当、毫无任何陆块夹杂其中的汪洋大海。

由此,令人意想不到的事情发生了——距离尼莫点最近的有人类出没的地方不在地球上。相比之下,位于400千米高空中的国际空间站人员离它更近

而这片海域在仰望星空的同时,也成为国际空间站等世界航天器的“坟墓”。老旧的卫星、火箭部件和空间站在外太空的旅程结束时,都被送到太平洋的这个荒凉之地,永远安息在漆黑的海底。

航天器的最终归宿主要有两个,要么被送入“坟场轨道”,要么被送回地面,在地球大气层中被烧毁。

处于地球同步轨道上的航天器一般会被发射抬升到比近地轨道高上千千米的“坟场轨道”上去,而近地轨道的失效航天器会被送回地面,坠落进入大气层。大部分小型卫星会在距地面高度80千米至120千米的范围内被燃烧销毁,并不会真的落回地球表面。但对于诸如空间站这类大型航天器,不能完全烧尽,它们通过大气层后仍会留下残骸

图片

图为火箭正在发射,人类发射的航天器是太空垃圾的主要来源。图片来源:美国宇航局

这些残骸,最终都会受控坠落到这片“航天器坟场”中。这片区域不仅没有人类活动,而且由于洋流影响,周边的海洋环境不足以供养海洋生物,所以就连海洋生物也很少,唯有部分海底细菌可以存活。可以说,这里几乎是一片寂静死海

2001年3月23日凌晨,在结束了长达15年的任务、绕地球飞行8万多圈后,苏联“和平”号空间站开始了它生命的最后一段旅程。

一艘对接的货运飞船点燃发动机,使“和平”号离开轨道,返回地球。这座120吨重的空间站进入大气层,解体后如流星般坠落。斐济附近的不少渔民曾经目睹燃烧着的残骸从天空飞过,无法全部燃烧销毁的剩余残骸,落入尼莫点附近的水中坟墓。

从1971至2016年,在这片约1500平方千米的水域下方4000米深处,有260多个航天器长眠于此,其中大部分属于俄罗斯,包括140余艘太空补给船、6个礼炮号空间站。我国之前发射的天宫一号、天宫二号空间实验室以及天舟一号货运飞船在任务结束后也在此“安息”。在该区域沉睡的其他航天器还有国际空间站各种货运飞船,包括日本的6艘HTV货运飞船和欧洲空间局的5艘自动运载飞船,甚至还有SpaceX火箭。

不远的将来,已经进入“暮年”的国际空间站,也将在此长眠。国际空间站从1998年开始绕地球运行,如今已延长服役时间至2024年,但已经显出老化迹象。

科学家们运用那些晦涩难懂的公式、符号、图纸建造而成的“星空探索者”承载着人类的光辉与梦想,它们见过灿烂星辰,最后荣归大海,就像世界各地的沉船一样,它们将变成一片栖息地、一处珊瑚礁,一种全新的生命。

人造卫星安全回家有多难?

不想在宇宙深处咀嚼孤独,也不想在无人海域保持静默,退役的人造卫星许愿回家“安享晚年”,真有那么难?

其实,并不是所有人造卫星在结束任务后都面临在大气层中“灰飞烟灭”的命运,返回式卫星在完成太空任务后,就能够安全“回家”。

返回式卫星的研制和应用是卫星发展史上的一个重要突破。我国是目前掌握返回式卫星技术为数不多的国家之一。然而,要使卫星在预定的时间、地点返回,要求具备的条件可谓严苛,需要解决一系列复杂的技术难题。

首先

卫星必须进入预定轨道,并正好经过预定回收地区上空。由于回收卫星一般是低轨道卫星,受大气阻力和地球形状等因素影响,其轨道会发生偏离,因此,必须精确测算出卫星的实际轨道,才能确定返回指令的发出时间。卫星返回前先要脱离原来的运行轨道。卫星脱离原有轨道的速度为再入速度,其与地平线所形成的俯角称为再入角。卫星重返大地对再入角的要求十分严格,一般须在3度至5度,运载火箭的点火时间、推力方向、推力大小与时间长短都会影响到再入速度和再入角的准确度。

其次

卫星在降落过程中,会摩擦生热。尤其是当它降到离地面60千米至70千米时,会与大气层摩擦产生大量的热能,使其表面发生燃烧。这就需要卫星表层由特殊的耐高温材料制成。

此外

地面和卫星相互配合使卫星能准确地转变成返回的姿态,是返回的关键。卫星返回地面过程中必须不间断地对卫星进行精确测量和全程跟踪,并根据实测轨道参数对卫星的程序控制数据进行必要控制和管理,为此就要建立更大范围、更多功能的地面测控网。

最后

卫星降落到离地10千米至20千米时,必须使用降落伞来再次降低速度,而降落伞的打开必须非常准时。卫星回收的一系列程序中,都包含复杂的技术问题,难度是很大的。

以上种种,都是针对返回式卫星的具体措施。而退役的人造卫星则会因燃料不足、难以把控或成本过高等,无法“回家”,最终要么被送入“坟场轨道”,要么返回地球,在大气层中燃烧殆尽,或者带着残余坠入深海,了结此生。

皓月繁星,也许只是发光的太空垃圾

当你感叹星空的美妙绝伦时,可曾想过,它的另一面,也许是一圈巨大的“太空垃圾场”,且足足有8000多吨……

中国第一个进入太空的航天员杨利伟曾回忆说,在太空里听到了许多“咚、咚、咚”的响声,但不知道是为什么。

那么这种声音来自哪里?有网友调侃道:这难道是外星人在敲击飞船?专家分析,这可能是由于舱内温度变化导致气体热胀冷缩,造成舱体变形时的声响;还有可能是太空垃圾撞击飞船时发出的声音

太空垃圾的“元年”是1957年。当年10月4日,苏联发射了世界上第一颗人造卫星“斯普特尼克”1号,人类利用航天器探索外层空间的新纪元从此开启。“斯普特尼克”1号卫星直径约58.5厘米,把它发射到太空的那枚火箭脱落的碎片,被认作是太空垃圾“第一块”

除了漂浮的火箭残留的碎片、废弃的卫星,还有一些意想不到的“奇葩”太空垃圾,比如人类骨灰、高尔夫球、价值10万美元的工具箱、3.5亿枚小铜针、“动物宇航员”的尸体等。还有一只被美国宇航员丢失的手套,在太空中漂浮了20多年。

1997年,当太空殡葬服务被首次推出时,《星际迷航》系列作品的创作者吉恩·罗登贝恩的一部分骨灰被装入唇膏大小的胶囊送入太空,环绕地球轨道6年之后焚毁在地球的大气层里。

图片

太空打高尔夫球示意图。图片来源:北京晚报

2006年11月,俄罗斯宇航员米哈伊尔·秋林在国际空间站外打出一杆有着历史性意义的太空高尔夫球,然而这项太空活动并非是为了“好玩”,而是一个太空广告合作项目。自进入地球轨道后,这枚高尔夫球似乎也变成了太空垃圾,留在了太空中。

另外,踏上太空的不仅只有人类,还有很多“动物宇航员”。它们为人类的宇航事业、生物事业等做出了不凡的贡献,如小狗、猴子、兔子、鱼、蜘蛛等。如果这些动物不幸“牺牲”,大多数情况下,它们的尸体会在太空中漂浮数月甚至数年,然后在掉落大气层时被焚烧。第一个上太空的动物是一只名叫莱卡的小狗,因惊吓和中暑衰竭为太空探索付出了生命。据了解,它的尸体连同太空舱,在2007年时还滞留在地球轨道上。

在航天技术日益发达的今天,去太空旅游、在失重中漫步的梦想不再遥远。太空垃圾的问题对于人类来讲似乎只是一种“烦恼”,还没有到达危机级别,但如果太空垃圾长期得不到妥善处理,会对卫星体系甚至地球造成严重影响,将来处理起来会更难。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 全屏 打印 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多