太空垃圾危机

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  1957年10月4日,苏联成功发射了第一颗人造地球卫星,揭开了人类空间时代的序幕,同时也为太空送去了第一批垃圾。当时,飞行任务完成后,卫星的装载舱、备用舱、仪器设备及其他遗弃物都留在了卫星轨道上。此后,随着人类太空史上的一次次壮举,太空垃圾与日俱增。
  
  什么是太空垃圾
  
  太空垃圾即空间碎片。机构间空间碎片协调委员会(IADC)制定的《空间碎片减缓指南》中关于空间碎片的定义是“空间碎片,是指轨道上的或重返大气层的无功能人造物体,包括其残块和组件。”如完成任务的火箭箭体和卫星本体,火箭的喷射物,在执行航天任务过程中的抛弃物,因空间物体之间的碰撞产生的碎块等,它们占用了越来越多的太空空间,是空间环境的主要污染源。
  研究近地空间人为污染问题的两个著名单位——美国航天局宇宙空间研究和空气动力学部、俄罗斯科学院天文学研究所的最重要的一项工作,就是把太空垃圾进行级别分类。进入其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。他们把太空垃圾大体分为三类: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,这类垃圾目前估计有近万个;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个;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顾及有3吨。
  
  航天器相撞事件
  
  2009年2月11日,美国航空航天局(NASA)和军方证实,美国一颗为私营公司所有的商用通信卫星,与俄罗斯一颗已经报废的卫星10日在西伯利亚上空相撞,这是太空中首次发生的完整的在轨卫星相撞事件。此次撞击事件被美国国防部空间监视网观测到。发生相撞的卫星分别为美国铱卫星公司的“铱33”卫星和俄罗斯的“宇宙2251”军用通信卫星。前者重约560千克,于1997年发射;后者重约900千克,发射于1993年,之前已处于报废状态。美国专家估计,卫星相撞将会产生至少数千个太空碎片。目前美国宇航局已监测到卫星相撞后产生的数十个较大碎片。这些碎片已分成了两团碎片云。
  此前,人类曾通过轨道测算确认过三起重大的太空垃圾与航天器相撞事件。
  1991年12月底,俄罗斯一颗失效卫星“宇宙1934”撞上了本国另一颗卫星“宇宙926”释放出来的大碎片,结果前者~分为二,后者零碎到无法跟踪。
  1996年7月,法国的“樱桃”通信卫星被多年前“阿丽亚娜”运载火箭入轨时产生的一枚碎片击中。当时,该碎片以每小时3 1万公里的速度与卫星相撞,结果卫星主体虽没有受到损伤,却导致一个观测装置受损,卫星运行超出正常范围。
  
  2005年1月17日,在太空中飞行了31年的美国“雷神”火箭废弃物和此前中国发射的长征四号火箭的残骸,以每秒5.73公里的相对速度相撞。结果长征四号火箭残骸的近地点轨道下降了14公里,美国的火箭废弃物一分为四。
  50年来,空间碎片总数已经超过4000万个,总质量已达数百万千克。大于10厘米,地面望远镜和雷达能观测到的空间碎片平均每年增加200个,总数已经超过18000个。
  
  太空垃圾的治理
  
  国际社会真正认真地考虑太空垃圾这个问题还是在上个世纪80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。
  人们似乎重复走上了与地球环境相同的“先污染,后治理”的老路,可是治理空间环境比治理地面环境要困难得多。目前采取的措施主要有以下几个。
  依法治理 目前涉及空间环境保护的法规在形式上是设计标准或指南。第一个国际性的指南是机构空间碎片协调委员会制定的,于2002年取得会员国一致同意的《空间碎片减缓指南》。我国也已经颁布了第一份控制空间碎片产生的航天业界行业标准——《空间碎片减缓要求》的第一部分,这将使我国对空间碎片的控制法制化。
  加强监控建立太空垃圾跟踪、监视系统。在监控太空垃圾的过程中,一个非常具体的步伐是冷战时期,苏美两国军人在为了完成导弹防御任务时迈出的。当时,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,这些光学仪器被用来发现、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。对于太空垃圾带来的巨大威胁,目前最好的防治方法就是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。
  现在,由于宇宙空间利用者急剧增多,要想准确地对地球周围的宇宙垃圾的变化进行预测已经不可能了。而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,科学家找到了临时的解决办法,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。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,还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”并对其进行分类,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。
  目前绕地飞行的10万多个尺寸超过10厘米的空间客体都处在这样系统的监控之下。它们当中约有8000个被列入官方数据,其中仅有约500个是正在工作的空间仪器,仅占总数的6.25%,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。我国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,已在中科院紫金山天文台投入使用,它为我国航天领域建筑其安全预警系统。
  调整轨道 开辟新的轨道空间,以便避开现在被广泛利用的十分拥挤的轨道。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3DO千米,以躲避太空垃圾。
  增强抗撞能力 提高航天器防御太空垃圾的能力。欧洲空间局用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时,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了保护层,以防止被这些小东西撞伤。
  另外,他们还积极研究新材料,打造抗碰抗撞的航天器,争取降低垃圾威胁,防止爆炸。
  减少垃圾 限制空间碎片的产生。“因为在现阶段,有的空间碎片还不可避免地要产生,所以只能限制而不能杜绝”。所以,目前各空间机构都同意开展全球协作,减少航天器发射量,这可以有效减少空间垃圾。除此之外,各空间机构还积极发展太空垃圾清除技术,清除已有的空间碎片。如让完成任务的航空器离开轨道陨落,或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等,这些都是比较可行并正在实行的办法。另外,大家还积极采用降低压力等方法清除燃料箱剩余燃料,使其坠毁。
  建保护区 采取区域性措施,保护航天活动最有价值的区域。目前,包括中国在内的世界主要航天国家(组织)共同倡议在地球外层空间划出两个必须受到保护的空域,即近地轨道受保护区和地球同步轨道受保护区,以减少空间碎片对航天器的威胁。
  目前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……
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