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太空垃圾(Space debris 或 space junk)是指在繞地球軌道上運行,但不具備任何用途的各種人造物體。這些物體小到固態火箭的燃燒殘渣,大到在發射后被遺棄的多級火箭。由於太空垃圾以軌道速度運行,若與它們相撞可能會嚴重損壞尚在運作的航天器,甚至威脅到宇航員在艙外活動時的生命安全。隨著太空探索的推進,太空垃圾的數量逐年遞增,太空垃圾問題日益受到關注。

1 太空垃圾 -產生

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最早提出「太空垃圾」概念的是防空部隊的值班人員,因為監控宇宙空間的部門每天要監視5萬多個物體,太空垃圾常令他們迷惑。太空垃圾來自於因壽命已盡而報廢、或因事故和故障而失控的人造衛星、發射各類航天器時使用過的火箭本身及其一部分零件、多級火箭分離時產生的碎片、大塊碎片相互碰撞后產生的小碎片、甚至還有宇航員遺失的手套和工具等物品。它們與天然岩石、礦物質和金屬等構成的宇宙塵埃、流星體等是不同的概念。

除了進行航天任務時扔到太空的垃圾越來越多以外,已在太空的垃圾件數也會自行增多,即當脫離主體的火箭中還含有的剩餘燃料在太空爆炸時,便會生成無數個碎塊,形成更多的太空垃圾。

2 太空垃圾 -數量

20世紀50年代開始進軍宇宙以來,人類已經發射了4千多次航天運載火箭。據不完全統計,太空中現有直徑大於10厘米的碎片9千多個,大於1.2厘米的有數十萬個,而漆片和固體推進劑塵粒等微小顆粒可能數以百萬計。

截止2009年,太空垃圾大約已有2.5萬塊。由於其中許多物體在進入大氣層時燒掉了,能夠看到的大約有9000件。到2009年1月為止,太空垃圾空間碎片總數已經超過4000萬個,總質量已達數百萬千克,大於10厘米。

根據美國宇航局NASA負責監測太空碎片部門的官方數據,近地空間大多數的太空垃圾屬於俄羅斯和獨聯體國家(5833顆),其中包括1402顆衛星,4431顆運載火箭殘骸等「垃圾」。美國排在第二,總共製造了4824個垃圾,包括1125報廢衛星和3699運載火箭殘骸等碎片。而中國製造的太空垃圾超過3388個(88顆廢衛星和3300個其它碎片),少於俄羅斯和美國。

2011年9月1日,美國的研究報告顯示,在地球軌道上的太空垃圾數目已達到臨界點,相撞的機會大增,並威脅1000個人造衛星的安全。該報告稱,地球軌道上已有2.2萬餘件可以偵測到的太空垃圾,其中不少是發射導彈后被摧毀的衛星碎片。

3 太空垃圾 -危害

2013年3月12日俄羅斯聯邦航天署署長弗拉基米爾·波波夫金在俄聯邦委員會圓桌會議上表示,如果不解決太空垃圾問題,人類可能在未來20年內失去地球同步衛星軌道。

影響航天事業
太空垃圾太空垃圾

太空垃圾,由於飛行速度極快(6-7公里/秒),因此都蘊藏著巨大的殺傷力,一塊10克重的太空垃圾撞上衛星,相當於兩輛小汽車以100公里的時速迎面相撞衛星會在瞬間被打穿或擊毀。 這些太空垃圾已經成為航天事業發展的絆腳石。

它們的飛行速度極快,發生碰撞時可以釋放出極大的能量。越來越頻繁地發生垃圾碎塊危險地接近人造衛星的事件,太空垃圾已經影響到航天工作者的科研工作。科學家指出,空間碎片的數量達到一定程度,有可能產生「雪崩」效應,使航天活動無法進行,近地空間完全失去使用價值。

污染宇宙空間

太空垃圾不僅給航天事業帶來巨大隱患,而且還污染了宇宙空間,給人類帶來災難,尤其是核動力發動機脫落,會造成放射性污染。美國和前蘇聯在空間的核反應堆中有1噸的鈾—235及其他核分離物。前蘇聯共發射31顆核動力偵察衛星,其中已有兩顆給地面帶來污染:1978年,「宇宙954」號大量放射性殘骸落入加拿大的斯克拉芬海;1983年,「宇宙1402」號的反應堆芯落入南大西洋。

4 太空垃圾 -歷史事故

20世紀60年代以前,沒人聽說過太空墜落物,但是自1973年以來,每年有數百塊太空垃圾墜落地球。但由於其在經過大氣層與空氣產生的急劇摩擦使得這些垃圾在未通過大氣層時就自我燃燒殆盡,在大氣層的保護下就自我毀滅了。

1983年,美國太空梭「挑戰者」號與一塊直徑0.2毫米的塗料剝離物相撞,導致舷窗被損,只好停止飛行。前蘇聯的「禮炮—7」號空間站也多次被此類「塵埃」損壞。

1986年,「阿麗亞娜」號火箭進入軌道之後不久便爆炸,成為564塊10厘米大小的殘骸和2300塊小碎片,這枚火箭的殘骸使兩顆日本通信衛星「命赴黃泉」。

1987年,曾發生過因連接器擰不緊,「量子」艙無法同「和平」號對接的情況。當時,經驗豐富的地面控制中心認為,艙外肯定有物質干擾對接,於是派一個考察組上去檢查,結果發現那裡有一個金屬殘片。 

1991年9月15日,美國發射的「發現者」號太空梭差一點與前蘇聯的火箭殘骸相撞,當時「發現者」號與這個「不速之客」僅僅相距2.74千米,幸虧地球上的指揮系統及時發來警告信號,它才免於喪生。

1993年,加拿大某氣象台宣布,發現了英仙星座附近有星體爆炸。後來才弄楚,這不過是一顆廢棄人造衛星在太陽光反射下造成的效果。

1996年6月3日,美國一枚飛馬座火箭發生爆炸,共產生了約300000個危害性碎片。

2005年1月17日,南極上空885公里,發生了一起看似偶然的「宇宙交通事故」——塊31年前發射的,美國雷神火箭推進器遺棄物,與中國發射的長征四號火箭CZ-4碎片相撞。

2009年2月10日,美國和俄羅斯的兩顆通信衛星在太空相撞併產生大量太空垃圾。這次衛星相撞發生地點位於西伯利亞上空790公里,兩顆相撞的衛星分別是美國1997年發射的一顆銥星,以及俄羅斯1993年發射的一顆衛星。前者是銥星公司運行中的66顆通訊衛星之一,後者則是一顆報廢的俄羅斯衛星。這也是人類歷史上首次發生衛星相撞事故。

2011年9月23日,一顆已經報廢的美國「高層大氣研究衛星」,因燃料不足而失控墜落,穿越地球大氣層后,總重500公斤的26個殘留碎片會最終落在地球上的某個地方,砸中地球人的概率約為三千二百分之一。這顆「高層大氣研究衛星」重達6噸,1991年搭乘太空梭進入軌道,共服役14年,搜集了大量有關大氣中臭氧和其他化學物質的數據。美國航天局通常引導廢棄衛星進入死亡軌道或者墜入海洋,但由於「高層大氣研究衛星」燃料不足,該局已無法對其有效控制。

2012年3月24日,受俄羅斯火箭產生的一塊太空垃圾威脅,國際空間站內6名成員被迫在逃生艙內短暫躲避。

2013年5月,負責追蹤衛星運行情況的美國范登堡空軍基地空間聯合作戰指揮中心通知厄瓜多航天局,厄瓜多唯一一枚衛星「飛馬座」在印度洋上空與一枚由蘇聯1985年發射升空的火箭燃料箱殘骸發生「側面撞擊」。

5 太空垃圾 -應對措施

太空垃圾太空垃圾

為控制和減少太空垃圾對人類的潛在威脅,宇航專家們提出了許多對策,歸結起來可用「避、禁、減、清」四個字來概括。

避:就是加速發展現代太空監視系統,對太空垃圾進行嚴密的監視與跟蹤,並採取有效的技術手段,使航天器及時避開太空垃圾。

禁:就是國際上制定有關空間法規,禁止在空間進行試驗和部署各種武器,限制發射核動力衛星,使空間成為為人類文明服務的和平空間。

減:就是發射航天器的國家應採取措施,盡量減少太空垃圾的增加。對末級火箭採取未燃盡推進劑和高壓氣體排空,避免末級火箭爆炸。

清:就是發展太空垃圾清除技術,對已完成任務的運載火箭末級,採取轉移軌道措施,使其返回大氣層燒毀;對已達到預定壽命的衛星,讓其獲得逃逸速度,遠離近地空間或轉用清除裝置進行清除。有些專家提出設想,運用激光的力量,使大塊垃圾首先改變運行軌道,然後將其氣化。

6 太空垃圾 -各國對策

美國
太空垃圾太空垃圾:這幅圖解展示了氣體「脈衝」是如何把太空垃圾擊落到地球大氣層,並燃燒掉的。

美國宇航局提出了一項「清理」近地太空的激進方法。美國密歇根大學的一個科研組正在研究一種利用氣體「脈衝」射擊太空碎片的新技術。這種被提議的新系統名叫太空碎片清除(SpaDE)系統,它將通過把大氣氣體脈衝發射到目標碎片必經路線上,增加太空垃圾的摩擦力,令其下降墜落到地球大氣層里。

 

英國

欲讓死衛星不再變太空垃圾

太空垃圾清潔太空一號衛星

到2009年1月為止,英國薩里衛星技術公司(SSTL)的研究人員設計一種用於小衛星的微型電力推進器,可以將衛星安全帶回地球大氣層,在空中燒盡,從而避免產生太空垃圾,控制低空軌道的衛星擁擠狀況。這項技術還可以將小衛星送到更遠的太空。

中國

建立「太空垃圾」觀測中心
「中國科學院空間目標與碎片觀測研究中心」2005年3月初在中科院紫金山天文台成立,將為中國在空間航天領域建起安全預警系統。

日本

在日本本州島岡山縣一台遠程控制雷達從2011年4月6日起開始工作,該雷達主要作用是跟蹤太空垃圾的移動。這是世界上第一台專門用來跟蹤太空垃圾移動的雷達,該雷達將由位於日本大阪附近茨城的航天中心進行遠距離控制。

瑞士

擬發射首顆打掃衛星 清理太空垃圾

2012年2月,瑞士科學家宣布,計劃研發猶如家用吸塵機的裝置,或像水母觸鬚一樣的打掃衛星,為外層空間大掃除,清理廢棄衛星及火箭殘骸等太空垃圾。該衛星名為「清潔太空一號」,預計造價1,000萬瑞郎(約合人民幣6856.4萬元),將於3至5年內發射。新衛星第一個任務是回收兩枚分別於2009年及2010年發射的瑞士衛星。

國際空間站

穿「鎧甲」抵禦太空垃圾
國際空間站上的兩名俄羅斯宇航員經過5個半小時的太空行走,為空間站安裝金屬遮蔽罩,減少太空垃圾對空間站的威脅。這次太空行走的主要任務是在俄羅斯建造的太空艙外安裝5個鋁製遮蔽罩,防止太空垃圾撞壞空間站。每個遮蔽罩重9公斤,寬0.6米、長0.9米。俄羅斯為國際空間站建造的生活艙已在距地面355公里的軌道上運行了7年。

美國航空航天局一個獨立工作組發布報告稱,太空垃圾是國際空間站面臨的威脅。安裝遮蔽罩將大大提高空間站抵抗太空垃圾撞擊的能力。報告估計,俄羅斯為空間站建造的設備完成的防護升級,空間站被太空垃圾撞毀的風險將從9%降至5%。

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