清除地球軌道碎片太空垃圾的難題

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兩枚"重型獵鷹"(Falcon Heavy)助推器同步完成了垂直登陸,場面令人震驚窒息。幾分鐘之後,呈現在世人面前的是另一幅令人難忘的景象——一輛鮮紅色的"跑車"在沿著地球軌道運行。來自太空探索技術公司(SpaceX)的埃隆·馬斯克(Elon Musk)因為成功完成發射這枚阿波羅"土星5號"(Apollo's Saturn V)運載火箭之後尺寸最大的火箭而受到廣泛讚譽。但是,這輛"跑車"卻引發了爭議。

它可能是太空科學的推動者,或者是一次成功的公關營銷活動,但也可能是另一個臨時性的、可能具有危險性的太空碎片?

從宇航員的手套到廢棄的航天器和單級火箭,地球軌道上凌亂地散佈著超過50萬枚彈球大小的碎片和2萬多枚板球大小的碎片。但是,碎片的危險程度並不與碎片尺寸成正比。

隨著新一輪太空競賽的開展,中國、印度等更多國家加入了探索宇宙的行列,人類將在地球軌道內製造越來越多的漂浮殘骸。下一代太空科學家將面臨一個重大挑戰:如何確保未來的航天器在這不斷擴張的"垃圾地帶"中生存?

相關人員目前正在尋找方法讓全球的太空機構能前瞻性地處理這些可能具有致命性的碎片。

美國國家航空航天局(NASA)軌道碎片首席科學家Jer Chyi Liou說道:"毫米級別的軌道碎片造成的穿透風險最大,因為它對在近地軌道上的大都數航天器會產生很高的衝擊速度。"

這些微小碎片的速度超過子彈的飛行速度,最高接近3萬英里/小時(4.8萬公里/小時)。

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Image caption 碎片尺寸不一,最小的像油漆斑點那麼小,最大的是報廢的衛星(圖片來源: Nasa)

2018年2月初,聯合國宇宙空間和平利用委員會(Committee on the Peaceful Uses of Outer Space)科學和技術分委會(Scientific and Technical Subcommittee)第55次會議在維也納召開。此次會議上,Jer Chyi Liou陳述了關於太空碎片環境及NASA運營和研究情況的最新進展。僅2017年,全球就開展了86次發射活動,在地球軌道上放置了超過400架航天器。

"地球軌道上的物質總量超過7600噸,"Jer Chyi Liou說:"美國戰略指揮部(US Strategic Command)的空間監視網(Space Surveillance Network, SSN)正在跟蹤約2.3萬個大型物體。此外,有數以千萬計或更多的碎片由於尺寸太小,SSN無法跟蹤,但這些碎片的尺寸仍足以威脅人類航天活動和機器人飛行任務的實施。"

此外,太空還存在被稱為"凱斯勒症候群"(Kessler Syndrome)或"凱斯勒效應"(Kessler Effect)的風險,即一個碎片碎裂並撞擊另一個碎片,引發一連串撞擊,最終污染衛星的整個軌道。從遠程通信到災難監控,太空已成為人類日常生活的一部分,任何衛星的丟失都是一個嚴重的問題。

2007年,太空碎片數量激增,因為中國在一次反衛星裝置試驗中有意擊毀了"風雲-1C"氣象衛星。兩年之後,美國"銥33"通信衛星與俄羅斯報廢的"宇宙2251"衛星發生了碰撞。這兩次事件都在很長一段時間內產生持續性的後果。

去年,美國國家航空航天局利用無人駕駛航天器實施了21次防碰撞演習,其中四次演習的目的是躲避"風雲-1C"衛星產生的碎片,兩次演習的目的是躲避"銥33"和"宇宙2251"碰撞所產生的零部件。

避免潛在碰撞的一個方法是改變物體軌道令物體"讓路"。但是,由於碎片數量巨大,需採取所有必要的手段開展持續的觀察和預測活動。

"美國國家航空航天局將雷達、望遠鏡與現場測量相結合,對尺寸小至亞毫米級別的物體進行監控(但不是跟蹤),"Jer Chyi Liou說道。

國際空間站上的美國國家航空航天局太空碎片感應器(Space Debris Sensor)圍繞地球軌道運行。該感應器尺寸為1立方米,厚度約20厘米,外形有點像工具箱,於2017年12月連接至國際空間站歐洲"哥倫布"實驗艙的外部。它將在至少兩年的時間內開展毫米級碎片探測活動,提供關於對它產生撞擊的所有物質的信息——尺寸、密度、速度、軌道等,並確定撞擊物是來自太空還是屬於人為產生的太空碎片。

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Image caption 美國國家航空航天局在實驗室以最高1700英里/小時的速度射出碎片,對試驗板進行測試(圖片來源: Nasa)

近地軌道內所有已知的碎片中,僅有約1/3是美國製造的。因此,美國國家航空航天局並非唯一研究太空碎片問題的機構。國際上的研究活動影響每一個在外太空開展活動的國家。俄羅斯的太空機構已簽署一份在巴西安裝新的碎片追蹤望遠鏡的協議。

旨在監控太空碎片並向衛星運營機構出售數據的私人計劃同樣擁有一定的市場。此類計劃包括美國的"ExoAnalytic Solutions"和英國的"Space Insight",後者在塞浦路斯運行一套地面感應器系統。在西班牙,"Deimos Sky Survey"利用一個望遠鏡網絡追蹤小行星、太空碎片等近地物體,並曾識別出埃隆·馬斯克的"跑車"。

但是防碰撞措施並不能處理所有碎片。四月,首個"歐洲主動清除碎片"(European Active Debris Removal)任務將由太空探索技術公司的"獵鷹9號"運載火箭發射升空。該任務旨在為國際空間站提供補給。名為"REMOVEdebris"的衛星包含兩個立方體衛星,通過釋放仿真的太空碎片驗證收回碎片的若干種方法。

此次任務的協調機構英國薩里太空中心(Surrey Space Centre)主任古列爾莫·阿格列提(Guglielmo Aglietti)表示,此次任務將測試四項關鍵技術。這四項技術包括視覺導航系統、用於捕捉碎片的網子和叉子及用於減慢碎片速度、令其墜入地球大氣中的脫離軌道裝置。

在太空中設置一套叉子聽起來匪夷所思,但它可以滿足捕捉較大尺寸碎片的所有需求。驗證工作所採用的叉子由空中客車防務與空間公司在英國製造,尺寸與鋼筆相仿。

離叉子1.5m處的吊桿上將布置一個10平方厘米大小的試驗板。之後,用繩系住的叉子將從航天器中射出,刺穿並收回試驗板。網子用於包圍並控制碎片,其原理也很簡單。

實驗用的脫離軌道裝置是一個塑料膜。它的測試必須在其他幾項測試完成後進行。"這是此次任務的最後一個階段,"阿格列提說:"在平台和它所捕捉的碎片一起脫離軌道之後啟動。"

如果REMOVEdebris獲得成功,歐洲後續將啟動更多的任務。"我們已經證實,利用相對低成本的技術可以清除太空碎片,"阿格列提說:"因此,我們希望商業機構後續可以跟進,致力於清除威脅性最大的碎片。"

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Image caption 即使是國際空間站也必須避開過去的太空活動遺留的碎片(圖片來源: Nasa)

在受控制的仿真碎片上對各項技術進行測試是任務推進的一個重要步驟。下一階段的工作是在不受控制的碎片上實施各項技術。這項工作更為複雜。歐洲航天局正在向其成員國建議在2019年底啟動一項名為"e.deorbit"的任務。

"e.deorbit將證實,我們可以將不受控制的物體安全地從軌道中清除,"歐洲航天局負責人霍爾格·克拉格(Holger Krag)說:"我們選擇的物體可能是歐洲航天局報廢的、不再響應任何地面指令的衛星。這是我們首次將該項技術應用於真實的目標衛星。"

開展碎片清除工作的航天器將安裝感應器組件,目的是安全地接近衛星。這不是一件容易的事情。克拉格表示:"接近國際空間站等受控制的物體與其對接是一項挑戰,"德國達姆施塔特市(Darmstadt)的歐洲太空控制中心(European Space Operations Centre)是克拉格工作的地方。

不受控制的衛星可能以歪斜或旋轉的姿態運行。"如果它是歪斜的,你必須和它保持同步,以便通過某種方法捕捉它。你可以使用機械臂、網子或叉子。捕捉之後的步驟是是採用某種策略讓它降落。"

歐洲航天局也曾遭遇意外。2016年8月,一個厘米級的顆粒撞擊歐洲航天局"哨兵1A"衛星上的太陽能電池板,導致動力略有下降,並使該衛星的軌道和方向出現了輕微的變化。

"我們很重視太空碎片問題,因為我們正在達姆施塔特運行著由20個衛星組成的衛星編隊,"克拉格說道:"其中有10個正在污染非常嚴重的太空區域飛行。我們必須定期實施防碰撞策略。"

關於太空碎片問題的規模,克拉格的看法頗為務實。他說:"我們可以限制但不能完全避免碰撞風險。我們只能盡力而為。"

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