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人类触角伸向太空带来的问题:太空污染

2013年10月30日 13:24
来源:科技日报

 

能够把触角伸入太空去开发利用宇宙资源,无疑是人类文明的伟大进步和科技的巨大飞跃。不过,这种进步和飞跃已使人类活动玷污了原本洁净的太空。

  太空污染,这个在人类把触角伸向宇宙时不曾想到的问题,已经实实在在地摆在人类面前并且日益尖锐。国际社会真正认真地考虑太空污染这个问题还是在上个世纪八十年代后期,那时近地轨道的“脏乱”状态不仅对宇航员的生命和长期运行卫星的安全,而且对地球人类都构成了严重威胁。从那时起,关于近地宇宙空间污染问题的现实性成为许多国际组织论坛和联合国“和平利用宇宙空间”会议的议题。科学家也把这些人造宇宙新事物列入天文学研究范畴。

  所谓太空垃圾,是指人类在空间开发活动中留在太空里的一些废弃物,大到废弃的卫星和各种航天器的金属部件,小到航天器解体产生碎片。在地球引力的作用下,它们按一定的轨道环绕地球飞行,形成一条危险的垃圾带。

  太空垃圾制造太空险情

  事故一:“2004年3月,设在德国达尔姆斯达特的欧洲卫星测控中心的工作人员处于极度紧张状态。计算机计算结果显示,欧洲雷达卫星ERS-2正与俄罗斯10年前发射的火箭残骸接近,相距大约可近到160米,很可能发生碰撞。为此,测控中心马上采取措施,操纵卫星改变飞行轨道,避开了残骸,相距仅有300米。”

  这是最近在欧洲卫星测控中心召开的“空间垃圾问题”大会上专家所描述的情景。专家称,倘若不是及时改变了卫星飞行轨道,后果将不堪设想。

  事故二:据刚刚出版的美国宇航局相关出版物《太空》杂志介绍,前不久,太空中发生了一幕十分罕见的太空“碰碰车”场面,一截在近地轨道中运行了31年的美国火箭末级推进器与在同轨道中飞行了5年的中国火箭末级推进器当空相撞,相撞位置在距离地面上空885千米处。

  1974年,美国成功发射了ThorBurner2A火箭并将一颗人造卫星顺利送入了预定轨道。随后,该火箭的末级推进器就一直留在近地轨道上,绕地飞行了30多年。2000年,中国的“长征4号”运载火箭顺利升空,第三截末级推进器在完成使命后也顺势留在了太空中,并在同一轨道运行。

  来自中美两国的太空垃圾运行轨道于今年1月17日重叠,双方迎头相撞并相继发生爆炸,爆炸过程中,美国火箭推进器迸射出3块巨大的碎片,它们已经被美国太空监视网络系统捕捉到并记录在案。

  专家称,就目前空间环境而言,从理论上说,每隔十年将可能有一颗卫星被空间垃圾撞上。按俄罗斯的计算方法,自1957年俄罗斯发射第一颗卫星以来,应当有10至20颗卫星被撞。

  空垃圾已逾百万件

  据资料显示,1961年,美国的一颗“转播”系列卫星发生爆炸;1964年苏联设计师通过地面遥控完成“宇宙—50”卫星定向引爆;1964年美国发射核动力海洋卫星失败,放射材料坠入印度洋;1978年苏联“宇宙—954”卫星坠落到加拿大北部;稍晚时候美国空间站“SKAILEB”碎片散落到澳大利亚的沙漠里……

  自1957年10月4日苏联成功发射世界上第一颗人造卫星———“卫星1”号至今时光已经过去了40多年。在这段漫长而短暂的时间内人类已经把数千台大大小小的空间仪器送入了太空。如今,它们的大部分(通常卫星寿命为10—15年)都已经完成了自己的使命成了太空垃圾,它们在日夜不停地绕地球飞行。

  据估算,大大小小的太空垃圾的数量高达“百万”个,总重量可能有上千吨。在这些体积极小的垃圾面前人类只能哀叹自己的无为。无论天文望远镜还是雷达都无法对它们进行观察和监测。

  太空垃圾主要分三类

  目前,认真研究近地空间的人为污染问题的著名单位有两家,它们分别是美国航天局(NASA)宇宙空间研究和空气动力学部和俄罗斯科学院天文学研究所。在它们的研究中最重要的一项工作是把宇宙垃圾进行级别分类。进入它们研究视野的有尺寸为10—30厘米的低轨(高度从200千米到2000千米)小目标,还有尺寸约为1米的地球同步轨道(高度为35800千米)上的较大客体。

  太空垃圾大体可分为三类。第一类是用现代雷达能够监视和跟踪的比较大的物体,主要有各种卫星、卫星保护罩、火箭推进器等,这类垃圾目前可能有近万个;第二类是体积小的物体,如发动机等在空间爆炸时产生的碎片,其数量估计至少有几百万颗;第三类是核动力卫星及其产生的放射性碎片,根据资料显示,到现在,这类卫星在地球轨道上产生的碎片估计有3吨。

  太空垃圾重达3000吨

  实际上,在监控太空垃圾过程中,一个非常具体的步伐是苏美两国军人在为了完成导弹防御任务时迈出的。苏美两国分别建立了近地空间监控系统,该系统装备了远程雷达和一些光学仪器,这些光学仪器用来发现、跟踪并获得太空客体坐标信息和图像,从而判断它们的“身份”,以便分析太空安全形势。

  现在,绕地飞行的10万多个、尺寸超过10厘米的各种空间客体都处在这样系统的监控之下。它们当中约有8000个列入官方数据,其中仅有约500个是正在工作的空间仪器,占1/16,其余的大多数是耗尽动力的卫星、末级火箭及发射产生的各种碎片等。有资料显示,人类在把目光投向宇宙空间的近几十年里已经向太空发射了2万多个客体,总重量超过3000吨。

  评价太空污染非常重要

  研究证实了推测,距地球850千米—1200千米、被人类开发利用的近地轨道和对地静止轨道充满了垃圾,可谓“混乱不堪”。在那里有气象卫星和地球探测仪器,甚至还有很多带有核动力装置的空间仪器。在这样的高度上,核动力仪器能够存在几百年。

  由于太空垃圾和航天器之间的相对飞行速度很大,即使它们间发生轻微的碰撞,也会给航天器造成巨大损坏。专家认为,任何一个厘米级的垃圾与卫星碰撞足以使其丧失工作能力。倘若这颗卫星上安装有核动力装置,那么这样的事故就会造成难以预测的灾难。因此说,太空垃圾虽然有的体积不大,但其杀伤力却非常惊人。根据科学家的说法,一颗迎面而来的直径为0.5毫米的金属片,足以击穿密闭的宇航服,甚至把一颗人造卫星撞“残”;一颗直径为0.1厘米、飞行速度为10千米/秒的粒子足以击毁核动力装置而酿成大祸。因此,评价太空这种复杂形势的危险性迫在眉睫。

  现在,由于宇宙空间利用者急剧增多,要想准确地对我们地球周围的宇宙垃圾的变化进行预测已经不可能了。一些小型卫星的升空入轨和大型全球通信系统的建立使这种监测工作变得难上加难。

  为了降低这种碰撞风险,科学家暂时找到了一个唯一的出路,即建立一种计算模型来计算太空中各种可能发生的大灾难,如爆炸或与太空垃圾发生高速碰撞而导致的空间仪器和运载工具的破坏和解体等。俄罗斯科学家认为,在这种严峻的形势下,除了在专门试验基础上建立并完善宇宙垃圾模型外,就是要研究太阳系中物体迁移过程的共性,弄清那些可能光临地球的宇宙“客人”并进行分类;最后就是经常性地观测人造客体并对其进行光学测量监控。

  值得庆幸的是,时至今日我们人类还算非常幸运,没有遭到太空垃圾袭击。不过,无论是自然天体,还是人造客体残片,它们随时可能给人类造成麻烦的行为举动无法让人类掉以轻心,这个严峻的形势要求人类迅速建立专门的监测机构。日前,一个专门针对“太空垃圾”的观测中心———中国科学院空间目标与碎片观测研究中心在中科院紫金山天文台投入使用,从而为我国航天领域建起安全预警系统。

  太空安全日益严峻

  当今,为了满足空间研究需要,人类正在把越来越复杂的装置、甚至计划把组装工厂搬上太空,而且这样的搬运工作又需要更大运力的火箭来完成,其结果必然使太空污染加剧。如一枚“德尔塔”系列运载火箭第二级的爆炸会造成1300多块碎片。美国宇航局(NASA)和俄罗斯天文学研究所根据近年进行的一系列研究得出这样的结论:处在低近地轨道上的垃圾有40%多是卫星和火箭第二级爆炸造成的。

  现在,对地静止轨道上充满了对地静止卫星。它们主要是一些通讯卫星,目前它们的数量约有千颗。而且每年还以大约二三十颗的数量增长,当然还有一些卫星因老化而失去功能变成宇宙垃圾。对地静止轨道越来越拥挤,这种状态离发生“塞车”“撞车”事故已经不远了。

  此外,还有一些与对地静止仪器相关的更为严重的问题。航天器在完成使命变成垃圾并不再调整自己的轨道之后,根据天体力学定律它们开始发生“变化”,即有时脱离自己的轨道,而在某个时候可能回位。俄罗斯专家认为,这种回位事实上是现在威胁卫星安全的最大问题。现在每年都有数颗卫星上天进入轨道,而这些轨道原来的老主人(现在已经变成垃圾)在离开漫游一段时间后还将返回,它们的回位极可能碰撞现有卫星而造成灾难。这就是科学家监控对地静止轨道上所有客体及其它们位移的重要原因。这种监控可以借助大型广角照相机来完成。每天它们记录下监测区域内的情况。

  俄罗斯科学院天文学研究所有一台超大型照相机安装在莫斯科西郊的兹维尼哥罗德天文台,这架照相机能够监测宽度达100纬度的空间区域,监测尺寸大于1米的所有对地静止客体。

  监测对地静止轨道困难

  俄罗斯科学家认为,对地静止轨道上的卫星碰撞和爆炸的可能性与低轨道上的情况一样,不过对它们的残片进行寻找并开展研究却是一个十分棘手的问题。解决这个问题的第一步就是要确定它是不是发生了爆炸。而确定爆炸这个问题几乎不可能直接观测到,往往都是通过间接手段来判断推测。这些间接手段包括测量卫星的轨道参数变化和运行速度变化等。

  观察对地静止轨道上的太空垃圾碎片通常有各种仪器方案。1996年9月俄罗斯发射的“快车—2”通讯卫星上就安装有欧洲空间局研制的、用于发现小粒子并研究星际尘埃成分的仪器GORID(GeostationaryImpactDetector)。不久前,俄罗斯科学院空间研究研究所研制了计划放置在对地静止卫星上的天文望远镜,这个仪器能够发现靠近地球的陨石和小彗星等。

  航天专家提出对策

  由于太空垃圾所带来的巨大威胁,目前最好的方法就是能够及时掌握会与航天器发生碰撞的“垃圾”的走向,及时给航天器发出指令,从而避免两者发生碰撞。上个世纪90年代,美国“发现者”号航天飞机就曾经差一点与在轨道上横冲直撞的火箭残骸相撞,幸亏地球上的观察指挥系统及时发来警告信号,才避免了悲剧的发生。

  为保证卫星和各种航天器的飞行安全,欧洲空间局根据2002年制定的规定,已决定发射高轨卫星,即把卫星轨道再升高300千米,以躲避太空垃圾。另外,欧洲空间局在德国波恩附近的射电望远镜和埃芬贝格的100米射电望远镜对空间垃圾进行观测,发现地球低运行轨道上有2厘米的碎片和9毫米大小的飞行体。为对付这类小东西,国际空间站、几个大型卫星和空间探测器均在外蒙皮上加装一保护层,以防止被这些小东西撞伤。

  总体来说,为控制和减少太空垃圾对人类的潜在威胁,现在航天专家们开始研究限制空间垃圾产生、减少空间垃圾危害以及清除空间垃圾的办法有:建立太空垃圾跟踪、监视系统;提高航天器防御太空垃圾的能力,使航天器遇到空间垃圾时能够自动避让;在减少空间垃圾上做文章,开展全球协作减少航天器发射量;开辟新的轨道空间,以便避开现在广被利用的十分的拥挤轨道;研究新材料,打造抗碰抗撞的航天器,降低垃圾威胁,防止爆炸;用航天飞机回收报废卫星,减少太空垃圾;发展太空垃圾清除技术,将已完成任务的运载火箭末级转移轨道,使其返回大气层烧毁;采用降低压力等方法清除燃料箱剩余燃料以使其坠毁等。

  现在看来,日益严重的太空污染问题已经引起各航天大国专家乃至政府的重视,他们正在加大保证空间安全、保护地外空间环境的力度。因此我们有理由相信,随着人类科技的发展以及对太空环保的重视,总有一天,太空污染问题会被彻底解决,到那时,人类将重新获得一个皎洁无瑕的太空,可以毫无忧虑地欣赏繁星点点的夜空,可以做无尽的遐想……

[责任编辑:王蕊] 标签:人类 太空 卫星
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