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什么人是高空垃圾的,为了营救太空游历的前景

时间:2019-10-08 20:04来源:科学
还记得来自《芝麻街》中喜欢收集垃圾的奥斯卡(Oscar theGrouch)吗?现在一个被用于收集轨道碎片的太空船现在以其名字命名。这种半自动飞行器被称为OSCaR(“废弃航天器的捕获和移

还记得来自《芝麻街》中喜欢收集垃圾的奥斯卡(Oscar the Grouch)吗?现在一个被用于收集轨道碎片的太空船现在以其名字命名。这种半自动飞行器被称为OSCaR(“废弃航天器的捕获和移除”)。目前伦斯勒理工学院的一个学生团队正在开发该飞行器。

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人类在征服太空的同时,也在地球轨道上留下了大量报废的航天器,产生了一批批无人问津的“太空垃圾”。数据显示,目前已有超过60万块大于1厘米的“太空垃圾”在地球轨道上游离,更小体积的碎片则数不胜数。如何清理这些太空垃圾,成为航空航天研究领域的当务之急。

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外层空间的污染正迅速接近危机点。防止轨道变得无法使用将需要我们在地球上使用的同样的方法。

不久前,欧洲“太空碎片移除”项目组成功完成了世界上首次“鱼叉捕获”太空碎片的在轨试验,这意味着人类将可以使用航天器发射“鱼叉”和“渔网”来清理太空垃圾。事实上,近年来科学家进行过不少清理太空垃圾的大胆尝试,开启了“空间大扫除”的奇思妙想。请关注今日出版的《解放军报》的详细报道——

OSCaR将是一个CubeSat,意味着它将是一个小型矩形卫星。事实上,OSCaR将由三个连接的10 x 10 x 10厘米CubeSat装置组成。一个单元将容纳其推进剂和推进模块; 另一个将包含其数据存储、GPS和通信系统; 最后一个将容纳四个枪管,射出连接在系绳上的网。

欧洲航天局清洁空间项目负责人路易莎·因诺琴蒂(Luisa Innocenti)说:“情况很危急。”她认为,如果我们继续向外层空间扔垃圾,整个轨道就会变得无法用于卫星。噩梦般的情景是凯斯勒现象的开始,在这种现象中,一次碰撞产生的碎片会产生进一步的影响,造成一种自我维持的影响,危及卫星并威胁到空间飞行的未来。摆脱那些已经存在的东西是一个开始,但是为了保持我们头顶上的环境处于可用状态,我们需要采用一些好的基于地球的智慧:减少、再利用、再循环。

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这个想法是多个OSCaR将被带入更大的航天器轨道,然后释放。根据已知碎片位置的目录,每个CubeSat将前往附近的一个,可能是来自地球操作员的少量远程指导。

减少卫星的数量将是一个棘手的问题。2018年,有390多个物体被送入轨道,这一数字可能还会继续上升。埃隆·马斯克(Elon Musk)的SpaceX最近获得了将12000颗卫星送入轨道的许可,以从太空提供互联网覆盖,OneWeb打造的名为星座(constellation)的卫星互联网络,希望对另外900颗卫星做同样的事情。

谁是太空垃圾的“清道夫”

当OSCaR靠近碎片时,其前部单元中的热、光学和雷达成像系统的组合将有助于它瞄准目标。然后它将射出其中一个网,抓住碎片并通过网的系绳抓住它。因为航天器将拥有四个这样的网,所以每次任务总共可以收集四个太空垃圾。

对因诺琴蒂来说,这使得碎片缓减至关重要。她说:“如果有人发射了一颗卫星后的第二天就把它丢弃在那里,清理工作就没有意义了。”她主张“为毁灭而设计”,在卫星任务结束后的25年内对卫星进行自毁编程。这意味着要么将飞行器炸向附近的“墓地轨道”,要么确保其在大气中安全燃烧。

■左晓勇 张瑷敏

一旦完成任务,OSCaR将自动退出轨道,在重新进入时将自身及其收集的碎片带入地球大气层。

“如果我们继续向外太空扔垃圾,整个轨道就可能无法使用”

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“有一个非正式的协议已经存在了几年,那些把太空物体放在那里的人应该具有良好的公民素养,”正在领导设计航天器的学生团队的Kurt Anderson教授说。“我们设想有一天,我们可以派出一整套OSCaR,共同开展大量碎片工作。”

清洁空间计划正在调查可折叠的卫星,这些卫星在重返大气层时打开,以确保它们充分燃烧,而低轨道卫星的帆则会产生足够的阻力,使它们滑翔下来。RemoveDEBRIS是最近进行的一系列碎片清除实验的团队,它已经开发出了自己的版本,一种牵引帆,以使其测试航天器脱离轨道。

制图:王晨光

科学 5

人类在征服太空的同时,也在地球轨道上留下了大量报废的航天器,产生了一批批无人问津的“太空垃圾”。数据显示,目前已有超过60万块大于1厘米的“太空垃圾”在地球轨道上游离,更小体积的碎片则数不胜数。如何清理这些太空垃圾,成为航空航天研究领域的当务之急。

低地球轨道

不久前,欧洲“太空碎片移除”项目组成功完成了世界上首次“鱼叉捕获”太空碎片的在轨试验,这意味着人类将可以使用航天器发射“鱼叉”和“渔网”来清理太空垃圾。事实上,近年来科学家进行过不少清理太空垃圾的大胆尝试,开启了“空间大扫除”的奇思妙想。请看——

在卫星退役时找到清空燃料箱和断开电池的方法也将降低爆炸的风险,但在这之前,还需要更多的实验。

防不胜防的“太空杀手”

再利用可能是一个更有吸引力的选择。SpaceX和由亚马逊的杰夫·贝佐斯(Jeff Bezos)创建的蓝色起源公司(Blue Source)已经开创了可重复使用火箭的先河,它们承诺将转向绿色空间飞行。但从长远来看,它们可能不会对环境友好:通过降低发射成本,它们还可能增加我们发射到太空的物质的数量。

太空垃圾是指宇宙空间中除正在工作着的航天器以外的人造物体,废弃的助推器、退役的卫星、飞船残骸、航天器表面脱落物、陶瓷碎片、遗失的手套甚至是航天器泄漏的油漆、液滴,都可以算作是太空垃圾。

再利用的另一个选择可能来自为处理碎片而提议的那种机器人捕捉臂。这些卫星可以用来为卫星提供服务,或者使死掉的卫星复活。总部位于科罗拉多州的Altius Space Machines公司正在研制一种名为MagTag的磁性连接器,它可以连接到卫星上,让服务飞行器能够锁定和传输数据、供电,甚至提供软件更新。这一切可能意味着航天器可能很快就会获得故障保险。

2009年2月10日,执行电话中继任务的美国“铱星-33”号通信卫星,在太空中偶遇退役多时的俄罗斯“宇宙-2251”号通信卫星。“铱星-33”与这枚已经成为“僵尸”的航天器相撞,立刻粉身碎骨,直接分解成大约2100块碎片。

然而,完全成熟的回收利用还有一段路要走。美国国防部高级研究计划局曾考虑使用机器人系统捕捉旧碎片,并将其转化为新卫星,但已放弃这一做法,转而开发航天器在轨服务。一些公司甚至考虑用太空垃圾建造飞行器,以完成更远的任务,比如登陆火星。但是,由于大多数捕获机制仍在开发中,而且在轨道上建造某些东西的难度很大,将卫星连接在一起的几率仍然很低。

可别以为这些太空碎片对航空航天行动的影响微不足道,如今它们正成为防不胜防的“太空杀手”。

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根据欧洲太空总署的估算,那些高度位于300-450公里近地轨道上的太空垃圾时速高达28800千米,位于36000公里地球静止轨道上的垃圾时速也达到了10800千米。这就意味着,仅一块直径10厘米高速飞行的碎片就可以轻易摧毁飞行器,对卫星、国际空间站、载人飞船造成致命威胁。此前,国际空间站就曾出现过为躲避太空垃圾,宇航员紧急转移到载人飞船中的场景。

科学,中地球轨道

太空垃圾不仅不会自生自灭,而且还会“繁衍生息”。科幻电影《地心引力》中就曾出现过这样的场景:一枚人造卫星在遭受导弹袭击后,形成了不断扩大的太空碎片云团。事实上,太空垃圾在空中相互碰撞后,会产生更多的碎片,而新的碎片又会将这一扩散过程持续进行下去,这就是所谓的“凯斯勒现象”。可以想象,如果我们再不对太空垃圾加以控制,未来的太空极有可能被这些垃圾覆盖。

浪费空间

奇思妙想的“空间大扫除”

地球的轨道上塞满了垃圾。自从1957年苏联人造卫星Sputnik1发射以来,我们头顶上的天空已经变得越来越拥挤,到处都是我们放置或倾倒的物体和碎片。空间垃圾越多,与工作卫星或航天器发生灾难性碰撞的可能性就越大。

清理太空垃圾的前提条件是对太空垃圾形成准确的感知。科学家曾在国际空间站上安装了一个特殊传感器,用以记录空间站被微小太空垃圾击中的次数。目前,国际空间站持续跟踪着约2万个直径10厘米左右的太空碎片,但据估计仍有成千上万个微小碎片没有被探测到。

宇宙清理

在精准感知太空态势的基础上,人们开启了“空间大扫除”的奇思妙想。欧洲此次实施的“鱼叉捕获”试验,正是“太空碎片移除”项目的第三项试验任务。试验卫星装有“鱼叉”等任务载荷,在试验中用倒刺钩住了目标,成功将太空垃圾“收入囊中”。此前,“太空碎片移除”项目组于2018年完成了首次飞网抓捕立方星的在轨试验。下一步,该项目还计划开展拖曳帆试验,试验卫星将通过拖曳帆带动被捕获的模拟太空碎片拖离轨道。

由于轨道上的碎片给航天国家带来了越来越严重的问题,工程师们正忙着想出解决办法。以下是一些最有创意的想法。

与太空碎片移除有异曲同工之妙的,还有日本“电动系绳”方案。其原理是通过太空“放风筝”的方法,在飞船上携带700米长的电动系绳,在太空中锁定并抓取太空垃圾,最后拖曳着太空垃圾进入地球大气层烧毁。

系绳

日本工程师研发的具有清扫功能的自主机器人卫星,有望成为第一个太空垃圾“清扫工”,它能够利用地球磁场产生的电能吸引地球轨道上的碎片。2020年开始,欧洲科学机构将推出各种服务型太空机器人,用于延长通信卫星的寿命,并可拾取废弃卫星等太空垃圾。此外,瑞士研究人员正计划为卫星配备一个圆锥形的探头,用以推动太空垃圾改变原来的轨道。

就当是太空钓鱼吧。靠近一块碎片,把它钩在一条绳子上,然后把它拖回大气层。听起来很简单,但是很多事情都会出错。2017年,日本宇宙航空研究开发机构测试了其Kounotori综合系绳实验,该试验本应在末端部署一条720米长的电缆绳。缆绳和地球磁场之间的相互作用将产生一种足够大的力量,足以将任何钩状碎片拖入预定的轨道。不幸的是,这根绳子一直没有解开。

警惕潜在的空天对抗

网兜

事实上,太空垃圾清理不仅是一般技术难题,同时也是关乎国家空天安全的战略问题。用来移除太空碎片的技术,很容易就能用来捕获正常运行的卫星。未来这些技术一旦发展成熟,在成为太空垃圾“清道夫”的同时,也不可避免地会成为空天对抗的武器。

如果鱼竿做不到这一点,试着用另一种方法钓鱼。一个由欧洲委员会资助的太空公司和研究机构组成的财团,计划用网兜捕捉碎片。早些时候,该小组在轨道上进行了一次测试,将它的5×5米长的凯夫拉尔网吊在一个为实验而释放的小型立方体卫星上。角落里的重物帮助网包裹垃圾,而电动绞盘则充当拉绳将其拉紧。在未来,网兜将被拴在航天器上,然后航天器可以卷起碎片或将其拖出轨道。

正是看到了太空垃圾清理技术在未来空天对抗中所蕴含的巨大军事价值,各国军队大力加强对这一技术的研究。

鱼叉。

目前,利用激光技术进行太空垃圾清理成为国际研究的热点。欧洲早在2011年就开始实施“激光移除太空垃圾碎片”项目。俄罗斯国家航空航天局正在研制一种威力强大的激光炮,能通过聚焦强激光束使太空垃圾直接汽化。日本研究人员也提出了在航天器上加装光纤激光器方案,通过发射强大的激光脉冲,将太空垃圾打入地球大气层中烧毁。

刺穿一颗废弃的卫星是一件危险的事情,因为你可能会撞上燃料箱或电池,从而引发爆炸,从而导致更多的碎片在太空中飞奔,或者会破坏太阳能电池板等较弱的部分。但英国萨里航天中心(Surrey Space Centre)主任古列尔莫·阿格里蒂(Guglielmo Aglietti)却对此充满信心。在过去几个月里,他监督在地球和轨道上进行了开创性的鱼叉试验,这些试验成功地证明了这一想法的潜力。他说:“我们还没有真正检测到碎片等飞走的情况。”

除了激光技术之外,天基操控技术也是未来实施太空垃圾清理的关键技术。利用天基操控技术实施空天对抗的方式主要有以下几种:

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一是欺骗。通过捕获或碰撞等方式将太空碎片移动到己方卫星、空间站等航天器周围,干扰、欺骗对方可能对其实施的空天攻击。

即使是最小的一点太空垃圾也会造成巨大的损害。

二是威慑。通过开展太空垃圾清理技术试验,捕获太空碎片或微小卫星,展示其实施太空攻击的能力。必要时,直接变轨机动到对方卫星轨道附近,对废旧卫星或较大的太空碎片实施抓捕切割。

29000个100毫米宽或更大的物体,碰撞会毁掉一颗卫星。

三是直接攻击。利用太空垃圾清理技术实施太空攻击,主要方式包括:利用机械臂、飞网、系绳等工具对卫星等航天器实施直接捕获;发射捕获装置,将卫星等航天器直接拖入大气层焚毁;操控太空碎片直接撞击对方卫星等航天器,使其功能受损或被摧毁。

250000个10毫米宽或更大的物体,碰撞可能使航天器瘫痪。

1.66亿个1毫米宽或更大的物体,碰撞会毁掉重要的硬件。

太空壁虎爪

为了进行比渔网和鱼叉更精细的控制,位于加州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室的科学家们一直在设计一种粘性的机械臂,能够抓住和操纵碎片,灵感来自壁虎脚下的毛状结构。这种结构用静电力粘住,对壁虎来说幸运的是,这种效果不会随着使用而减弱。在国际空间站上的测试表明,机械臂可以捕获和释放不同的物体,但尚未在外层空间试验。

粒子束。

抓住碎片可能是非常危险的,这使得从远处清除垃圾成为一种诱人的想法。值得庆幸的是,在太空的真空中,不需要太多的力就能让东西移动。从远处射出的带电粒子束,可以使碎片减速,并使其滚落到大气中,从而安全地燃烧起来。不幸的是,所赋予的动力也会将清理航天器推向相反的方向。这使得日本东北大学的科学家们设计出了一种能够向相反方向喷射光束的系统。被称为螺旋形推进器,可以让航天器在保持恒定距离的同时爆炸垃圾,避免危险。

激光器

当谈到美国太空部队时,将激光送入轨道似乎是一个可怕的想法。但如果他们安全地留在科学家手中呢?英国斯特拉斯克莱德大学(University of Strathclyde)的马西米亚诺·瓦西莱(Massiminiano Vasile)表示:“太空激光已经存在,但并不是非常强大。”需要更强的激光来清除碎片、蒸发小碎片或将较大的物体推入预定的轨道。对瓦西莱来说,风险在于我们最终会制造出更多的垃圾,或者把一些东西送入一个不可预测的轨道。他说:“所有这些假设都存在,但答案却寥寥无几。”因此,还有很长一段路要走。

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轨道上被跟踪物体的数量持续增长

值得保存的垃圾

在所有在轨的垃圾和碎片中,有什么值得保存的吗?有些人认为我们的星球更像是一个漂浮的文物博物馆,而不是被天体废料堆所包围。地球研究基金会的理事保罗·奎斯特(Paul Quast)说“这些天体资源有很多文化、社会经济、地缘政治和其他意义。”他认为,从太空竞赛开始60年后,人类第一次外星探险的标志物值得保存。

当旧卫星和垃圾对未来的太空飞行构成威胁时,我们应该囤积它们吗?奎斯特说:“维持行星的管理总是很重要的。”通过与清理行动合作,他相信,在照顾太空环境和保护文化遗产之间可以取得平衡,以便后代能够走出大气层,亲眼看到人类早期走出地球的一些步骤。

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