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彰显中国担当,小身材带来大压力

发布时间:2019-09-12 08:46编辑:生命科学浏览(149)

    微小卫星:小身材带来大压力

    验证碎片清除技术 攻关空间机器人领域

    微小型卫星快速发展,星座计划层出不穷,可能会为空间环境带来更多垃圾处理的压力——

    “太空环保” 彰显中国担当

    ■本报记者 倪思洁

    图片 12015年6月,中国国家航天局空间碎片监测与应用中心揭牌仪式举行

    长征六号运载火箭一箭成功发射20颗微小卫星;长征十一号运载火箭搭载4颗微小卫星飞向太空;“吉林一号”商用微小卫星组星发射升空……

    近日,绕地球飞行6年半的“天宫一号”从南太平洋中部区域再入大气层,绝大部分器件在空中分解并烧蚀销毁。社交网络上有外国网友晒出“天宫一号”残骸进入大气层燃烧的影像:先是有几块闪亮的碎片在空中快速滑行,不久后碎片燃烧起来,在天空拖拽出数道耀眼的光轨。

    最近,一颗颗成功发射的微小卫星,让人们看到了“微小卫星 ”模式下展开的商业蓝海。然而,当人们为微小卫星的低门槛欢呼之时,空间碎片研究专家却在为一个名为“凯斯勒现象”的预言倍感担忧。在他们看来,如果不加以规范或控制,微小卫星或将为早已垃圾遍布的地球轨道带来更大压力。

    与之前一些外国媒体所担心的完全不同,天宫一号完美谢幕,既没有对地面造成任何威胁,也没有制造太空垃圾。实际上,作为负责任的航天大国,中国一直致力于“太空环保”,不仅尽力呵护太空环境,而且尽其所能参与太空碎片和太空垃圾的清理行动,为营造安宁有序的太空环境做出自己的贡献。

    “连高中生都在做卫星”

    约7500吨太空垃圾高速飞行

    微小卫星技术发展迅猛,各航天大国提出的微小卫星星座计划规模也越来越大。美国Space X公司申请使用4000颗卫星覆盖地球,以提供互联网信号;美国卫星互联网公司One Web计划利用648颗卫星提供互联网服务。2014年6月,美国航天基金会在《2014年航天报告》中提出,未来几年微小卫星将占据更多市场份额。

    说起太空垃圾,人们可能首先会想起那些从太空坠落的人造飞行物残骸。事实上,几乎每周都有航天器残骸落入大气层,其中大部分都会在再入大气层时燃尽,基本不会对人类构成威胁。真正危害巨大的太空垃圾是那些在地球轨道中掉不下来的废弃物。火箭科学家称之为空间碎片或轨道碎片,指宇宙空间中除正在工作着的航天器以外的人造物体,包括航天器发射过程中产生的碎片、航天器表面脱落的太阳能面板和油漆、火箭和航天器爆炸碰撞产生的碎片,甚至是宇航员在太空行走时失手落下的手套。这些碎片在地球轨道上以3-8公里每秒的速度高速运动,碰撞时相对速度可达每秒10公里以上。一块直径10厘米的太空垃圾就可以将航天器完全摧毁,几毫米大小的碎片就有可能使它们无法继续工作。

    “在以色列,连高中生都在做卫星。”中国航天科技集团公司五院副院长李明在接受《中国科学报》记者采访时感慨地说。

    自苏联研制发射的第一颗人造地球卫星斯普特尼克一号上天至今的60多年间,人类已先后将7500余颗卫星送入太空。它们一方面给人类生活方式带来革命性变化,另一方面也产生了太空垃圾。目前,人类发射的卫星中有4300颗依然在太空漫游,只有约1200颗依然在运作,约有7500吨太空垃圾在绕地球飞奔,且数量正以每年2%-5%的速度增加。这些不受控制的太空垃圾无时无刻不对卫星、航天飞机以及国际空间站的安全构成威胁。

    微小卫星星座任务的大量出现,让李明和同行们都捏了把汗。“我们担心,将来低轨道会变成‘凯斯勒现象’的爆发区。”

    太空垃圾频频“交通肇事”

    “凯斯勒现象”是1978年由美国科学家唐纳德·凯斯勒提出的一个假设。这个预言认为,当在近地轨道上运转的物体多到一定程度时,这些物体碰撞后产生的碎片会形成更多撞击,最终近地轨道将被危险的太空垃圾覆盖。

    曾经相当长一段时间,美苏等航天大国根据当时流行的“大天空理论”,并没有认识到太空碎片的危害。该理论认为,鉴于太空无比辽阔,它们与航天器相遇的概率极低,再则,太空碎片最终都会再入地球大气层自行烧毁。因而,产生任何废弃物或火箭碎片等太空垃圾都不会有什么危害,哪怕一个巨大的太阳能电池板碰巧脱落在太空,人们能做的也只是祝它“一路顺风”。然而,该理论面临的问题是随着人类航天活动逐渐变得密集和空间碎片的持续增多,太空已经不再显得那样“辽阔”,相反,逐渐变得“拥挤”起来,航天器与太空碎片相撞的概率大大增加。另一方面,太空碎片虽然会再入自行烧毁,但是问题是需要多久,有些可能只需要几年,而那些处于较高轨道的可能几十年也不会进入地球大气层。

    “如果这个假设变成现实,对航天事业而言将是一场灾难,人类将再难走出地球。”在担任国防科工局空间碎片研究顾问的李明看来,届时地球周围将出现碎片层,而这些碎片会一直碰撞,直到撞成非常小的碎片。届时,人类将在很长时间内无法从事空间活动。

    太空碎片的危害早已不再只是一种“担心”而是活生生的“现实”,给世界航天事业发展造成了严重损害。1983年,美国航天飞机“挑战者号”与一块直径0.2毫米的涂料块相撞,导致舷窗被损,只好停止飞行。1986年,欧洲空间局的“阿丽亚娜”号火箭进入轨道之后不久便爆炸,爆炸残骸成为太空垃圾,致使两颗日本通信卫星遭到毁坏。1991年9月15日,美国发射的“发现者”号航天飞机差一点与苏联的火箭残骸相撞,当时两者仅仅相距2.74千米,幸亏地球上的指挥系统及时发来警告信号,否则后果不堪设想。2009年2月10日,美国铱星公司的通信卫星“铱星33”与一颗报废的俄罗斯军用卫星相撞,产生2000多片碎片,每个碎片都如同一发炮弹,能够轻易摧毁任何昂贵设备。

    国家航天局空间碎片监测与应用中心主任刘静告诉记者,面对这样的趋势,如果再不行动,未来充满垃圾的太空对微小卫星本身和其他卫星的影响都将是巨大的。

    太空碎片的威胁呼唤国际航天界采取行动。1993年10月26日,由美国航空航天局、欧洲宇航局、日本宇宙开发事业团和俄罗斯航天局联合发起的机构间空间碎片协调委员会成立。2007年,协调委员会推出了《IADC空间碎片减缓指南》,要求防止航天器在轨期间解体、正常运行期间限制释放物体,已到飞行寿命末期的航天器应当从密集轨道区域移除等。该指南得到国际社会的广泛认可。美国航空航天局的轨道碎片办公室也设定了一系列规则,包括限制可丢弃的垃圾类型,要求卫星运营商将退役的飞行器升入“坟场轨道”,以及在卫星寿命结束25年之后,使其在大气层中燃尽自毁。

    “再不开始讨论就全完了”

    中国投身太空环保不遗余力

    在轨运行的人造物体及其残块和组件,失去功能后会变成太空垃圾。目前,国际上已开始对其采取行动。如2007年联合国颁布了《空间碎片减缓准则》;2009年12月,我国也发布了《空间碎片减缓与防护管理暂行办法》,在国内首次明确航天器研制的空间碎片控制管理要求。

    作为航天后起之秀,中国一直高度重视“太空环保”工作。早在1995年,中国国家航天局就正式加入机构间空间碎片协调委员会。从2000年起,中国启动了“空间碎片行动计划”,为载人航天、探月工程等提供了空间碎片监测预警技术服务。根据该行动计划,开发了高性能防护材料和先进防护结构,颁布了《空间碎片减缓与防护管理办法》,对现役长征系列运载火箭实施末级钝化处置,并多次对废弃卫星实施离轨处理。2004年10月,“中国科学院空间目标与碎片观测研究中心”成立,并把“积极研发空间目标与碎片的探测、识别等应用技术,建成中国空间目标与碎片的实测和研究基地”列为宗旨之一,建立了管理和数据处理中心,架设了观测设备和数据通信网。2008年12月,“中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室”成立,并在卫星动力学、空间碎片碰撞预警计算等方面取得了一批重要成果,在“神舟”系列空间碎片监测预警任务中得到重要应用。

    在各种指南中,与低轨道卫星最直接相关的就是政府间空间碎片协调委员会提出的“25年规则”。中科院紫金山天文台研究员赵长印在接受《中国科学报》记者采访时介绍说,上述规则要求,低轨卫星,即1000公里以下的轨道卫星,25年内要能坠入大气层燃烧清除;对于地球同步轨道卫星,即36000公里高度的卫星,要在25年内推到比地球同步轨道高出230~250公里的“坟场轨道”上。

    2015年,中国国家航天局空间碎片监测与应用中心正式成立。它具备航天器发射预警、空间物体安全再入、航天器解体分析、空间碎片环境评估等能力。其成立有利于推进中国空间碎片技术发展,提升空间碎片管理和服务能力,保障航天器在轨运行安全,维护中国外空发展权益。据统计,该中心成立当年就发出“有碰撞风险”的红色预警达87次。特别值得一提的是,该中心通过精确分析,成功帮助委内瑞拉遥感卫星一号规避太空碎片风险。

    尽管这一规则适用于大小卫星,但刘静表示,对于微小卫星来说它并不具有实践价值。“微小卫星运行任务时间短、发射连续不断,对空间环境的影响是持续性的,因此很难用25年来约束它们。” 李明表示,现在很多高校和非航天企业都在从事微小卫星制造,而且微小卫星越做越小,很多卫星没有轨道控制能力,甚至有的可达到几厘米大小,超出了空间碎片编目能观测到的范围。未来一旦其任务结束,就会成为非常危险的空间威胁。

    中国空间技术研究院副院长、空间碎片行动计划专家李明介绍说,中国已确定实施了以数据库为载体的“空间碎片探测预警工程”、以防护设计专家系统为载体的“空间碎片防护工程”和以空间碎片减缓设计标准为载体的“空间环境保护工程”的3大主题工程。

    “如果微小型卫星的规则现在还不开始讨论,等问题出现就全完了。”刘静说。

    2016年6月25日,“太空环保”迎来历史性时刻:“长征七号”运载火箭携带“遨龙一号”空间碎片主动清理飞行器发射成功。“遨龙一号”是世界上首个主动的轨道碎片离轨清除实验项目,它装载了一台机械臂,模拟抓取废弃卫星和太空碎片,并将它们带到大气层烧毁。这是中国在世界航天领域独领风骚的杰作。

    “让微小卫星各行其道”

    中国载人工程航天办公室副主任武平说,“遨龙一号”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。中国国家航天局秘书长田玉龙则进一步表示,中国在空间碎片清除、空间站建设等需求牵引下,空间机器人及空间人工智能发展迅速,将在空间环境治理机器人等领域开展技术攻关。

    建立新规则已是国际共同努力的新方向。今年4月,联合国外空委法律小组委员会决定,将空间交通管理和微小卫星作为下届会议的议题。

    (综合本报和微信公号《界面》报道)

    在刚结束不久的国际宇航大会上,来自印度、意大利、英国、加拿大的IADC成员在分析了商用微小卫星的空间碎片减缓问题后提出,在轨的25年留轨期或许应当被缩短。

    凯斯勒综合征

    “最容易想到的办法,就是在微小卫星管理中引入‘空间交通管理’的概念,让不同规模的微小卫星各行其道。”李明说。

    木叶凋落的冬夜,家住美国北卡罗来纳州的凯斯勒喜欢在屋后架起一台小型天文望远镜,观察那些闪耀在蓝岭山脉上空的星星。这台1978年的星特朗望远镜虽然不是最先进的家用天文观测设备,但仍被凯斯勒视若珍宝。望远镜出厂的那年,正是凯斯勒发表让他在航天界享有盛誉的著名论文的一年。当时,被分配到休斯敦美国航空航天局约翰逊航天中心环境影响项目办公室的凯斯勒,对人类在茫茫太空制造的垃圾产生了兴趣。

    “空间交通管理”并非新概念。1982年,国际空间法研究所的研究人员最早提出这一概念。正如马路上有人行道、慢车道、快车道之分,空间交通管理也在设法让不同规格的卫星运行在不同的轨道上。李明建议,在管理小型卫星时,可以限制不同重量的卫星能滞留太空的最长时间,然后根据滞留时间线确定小型卫星的轨道高度。

    通过对轨道碎片的研究,凯斯勒写出了开创性论文《人造卫星的碰撞频率:碎片带的产生》。在论文中,他描绘了一个噩梦般的情景:废弃的卫星和其他轨道碎片将不断积聚,直到不可避免地发生碰撞,相撞的物体会粉碎成无数同样危险的碎片,引发连锁反应式的系列碰撞,“结果就是,随着时间的推移,碎片数量呈指数级增长,在地球周围形成碎片带”。这种现象,后来被称为“凯斯勒综合征”。凯斯勒预测,这样的碰撞将发生在未来30-40年之间。

    “比方说,我们可以规定10公斤以下的小型卫星可存在1年,发射轨道高度最好不要超过400公里。这样在大气阻力的影响下,它就可以在1年左右的时间里,在自身不带推动装置的情况下掉进大气层烧毁。”李明说。

    论文发表后,美国国家航空航天局设立了轨道碎片办公室,由凯斯勒负责,但并没有拿出什么实际措施来应对太空垃圾问题。“他们不喜欢我发现的东西。”凯斯勒回忆道。毕竟,那时距人类开始制造太空垃圾只有20年。而且,在斯普特尼克一号上天后一直持续了近20年的美苏太空竞赛中,如何处理太空垃圾也远远不是个值得优先考虑的问题。

    《中国科学报》 (2015-11-12 第1版 要闻) 更多阅读 微小卫星平台技术入选全国高校十大科技进展 微小卫星助力“神九”应急搜救 我国首颗皮卫星平稳运行八天八夜 重3.5kg为中国最小 中国造微小卫星有望实现空间“数据接力”

    (微信公号《界面》供稿)

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