作者:黄明明 来源:科学时报 发布时间:2011-11-14 8:43:12
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空间碎片:隐形的达摩克利斯之剑

能把废弃物从太空收回来,就必然能对别国卫星“为所欲为”。太空垃圾清除仍是非常敏感的军事问题。董怡辰制图

11月8日,在太原卫星发射中心某光学点号,技术人员正在为天宫一号躲避太空垃圾搜索每一段运行轨道。新华社记者 刘彬摄
 
为了防止被撞,天宫一号舱体被加装特殊的防护装置,并在科学家的严密监测中运行。即便如此,谁也不能保证它不会遇到太空中的危险“访客”——空间碎片。
 
空间碎片的每一次互相撞击都会产生更多碎片,进而每一个新的碎片又多了一个新的碰撞危险源。这些太空垃圾如同悬在人类上空的“达摩克利斯之剑”,而破解之道难寻。
 
本报记者 黄明明
 
这是一个非常庞大的群体。它们围绕着地球,以每秒10公里左右的速度飞行。即便是一次不经意的碰撞,也足以彻底毁掉与之相遇的飞船和卫星。
 
空间碎片,又名空间垃圾,其形成和地球上的污染路径相似。在人类航天活动伊始,没人会把这当成一个问题。近年来,随着空间碰撞事件以及空间碎片“回娘家”事件频发,这群数量庞大的飞行物成为各国航空活动中的棘手难题。
 
为防止这些“不速之客”的伤害,天宫一号“穿上”了2至3毫米厚的金属外衣——舱体上设计了特殊的防护装置,并携带防护板。中科院紫金山天文台在云南、黑龙江、盱眙三个观测点每天都在紧张监测着。
 
即便如此,谁也不能保证,两年的在轨运行过程中,天宫一号不会遇到危险“访客”。
 
人类频繁的空间活动,带来成倍增长、数以百万计的空间碎片。令航天专家头疼的是,每一次互相撞击并不能让碎片湮灭,而是产生更多碎片,进而每一个新的碎片又多了一个新的碰撞危险源。由于在地面无法对它们进行直接观测,因此不能确切掌握它们的运行轨道。
 
这些太空垃圾如同是悬在人类上空的“达摩克利斯之剑”,而破解之道难寻。
 
太空垃圾已达“临界点”?
 
废弃的空间站、人造卫星和火箭爆炸后的碎片,甚至是螺栓、推进器、电池板、绝缘材料、涂层片,都是空间碎片的来源。
 
关于太空垃圾的确切数字一直在波动。一些碎片在重新进入轨道时会燃烧,并且产生新的碎片进入轨道。因此,统计空间碎片是一项异常庞大的工作。
 
“2000千米以下的近地轨道、2万千米高度的中轨道和3.6万千米高度的地球同步轨道是空间碎片的集中分布区。”中国空间技术研究院副院长、空间碎片行动计划首席专家李明对本报记者表示。
 
据美国航天局(NASA)公布的统计数据,10厘米以上大小的太空垃圾已经达到17000片;2.5到7.5厘米大小的超过20万片;更小的则数以百万计。
 
最新有关空间碎片的报告——美国全国研究委员会9月1日公布称,地球上空的太空垃圾数量已“达临界点”,对于航天器和宇航员而言,当前的空间环境正在变得越来越危险。
 
此前,NASA的科学家曾警告,即使不再发射航天器,到2055年,由碰撞产生的新碎片数量也将超过落回地球和燃烧掉的碎片总数。
 
对此,中科院空间中心研究员、中国空间碎片行动计划前首席科学家都亨表示,空间垃圾临界点这一说法在上世纪70年代末就提出过,后来在上世纪80年代各国采取了相应的措施,使空间垃圾上升势头有所减缓。
 
“这个临界点是多少,肯定存有争议,至少到现在为止还没有来临。”都亨对本报记者说。
 
对于这一临界点在什么时候会来临,都亨表示,这和人类空间活动的频繁度有很大关系,如果没有空间战争等特殊因素,目前还尚待时日。但如果空间碎片多到一定程度,达到临界密度,就会发生雪崩效应。
 
美国全国研究委员会报告还称,计算机模型显示,太空中轨道碎片的数量已多到足以持续碰撞并产生更多太空垃圾,威胁航天器的安全。报告认为,太空垃圾与温室气体、核废料存储等问题一样,短期的影响不大,但如果长期得不到处理,未来将对人类社会产生巨大影响。
 
在接受本报记者采访时,国家天文台空间碎片研究和应用中心首席研究员刘静指出,从数据模型上来看,美国的这一计算是没有问题的。如果不对空间碎片进行控制或采取清除措施,“情况将很危险”。
 
防护和减缓
 
从欧洲航天局近期公布的近地轨道区域的太空垃圾合成图片看上去让人难以置信——现在的地球如同是被蜂群围得密不透风的蜂巢。
 
虽然面临种种风险,但是补救措施几乎为零。“在对太空垃圾的处理上,主要是采用观测、预防和躲避的措施。”都亨表示,“就目前来看,最有效可行的方法就是躲。”
 
都亨介绍,躲避是建立在对空间碎片运行轨道监测的基础上。目前通用的做法是用光学望远镜观测高太空轨道,用雷达探测低轨道,对各种太空垃圾进行监测和预警。当太空垃圾可能与国际空间站、卫星等航天器相撞时,这种监测和预警可使航天器通过改变运行轨道进行躲避。
 
记者了解到,目前国际上通行的做法是加固航天器的外表,这对一定大小的空间碎片和微流星的防护有效。
 
虽然装甲越厚,安全系数相对越高。“但加装护甲也有很多局限,会对航天器实现自身功能造成影响,且重量增加也就需要更大推力的火箭才能完成发射。必须得找出新的材料——耐撞击又轻便。”都亨表示。
 
此外,有报道称,国外正设计专门清理各种太空垃圾的特殊飞船,在飞船外装有一个网状或机器触角状的特殊设备,可以捕获太空垃圾而保证自身不受伤害。
 
美国《大众科学》近日报道,一种威力强大的陆基激光器可以用来移除近地轨道上的碎片。与之前的陆基激光器系统不同的是,这套系统既能处理大块太空垃圾,也能处理小块太空垃圾。
 
对此,刘静表示,激光器是清除的一种手段,各个国家都在研究,目前有一些好的想法,但有待进一步实验验证。
 
在都亨看来,激光处理的办法容易产生新的小碎片。目前学界清除太空垃圾的想法很多,但还没有成熟的办法。
 
以回收为例,如果采用把废弃的卫星捕捉回来的办法,其花费的成本肯定要比发射的成本还高,没有国家愿意做这样的事情。
 
事实上,太空垃圾的清除是个非常敏感的军事话题,能把废弃物从太空收回来,也必然能超越任何卫星。也就是说,任何一个能变轨的卫星,都是武器。
 
都亨强调:“现在各国应开始注重清理,目前是很关键的时期,未来空间垃圾临界点的到来将对人类活动产生重大影响。”
 
这种转变,间或可以在我国近期发射的天宫一号上看出端倪。
 
在9月28日酒泉卫星发射中心例行的新闻发布会上,中国载人航天工程新闻发言人武平专门介绍了天宫一号对空间碎片的监测和防范工作。
 
据悉,除了加强空间碎片的监测和预警,天宫一号还采取了防护和规避措施。此外,在其寿命末期,将主动离轨,陨落在指定海域。
 
空间安全无国界
 
真正让国际社会开始重视空间碎片这一问题的,是2009年俄罗斯航天器与美国商用卫星在西伯利亚上空相撞。
 
“这件事实际上说明现在整个空间碎片工作存在问题。”都亨表示,“空间的垃圾已经对航天事业构成了很大的威胁,甚至涉及到国家安全,必须抢占这一制高点。
 
早在上世纪六七十年代,美国和俄罗斯就已经建立了监测网。“虽然监测网并不完全是为了空间碎片而建的,可是它可以根据空间碎片测量它们的轨道。”都亨指出,美国在低高度上主要用雷达,高轨道上主要用望远镜来测量碎片的轨道。
 
事实上,空间碎片的观测只是美国空间监视网络的一个附带功能,它的主要用途是导弹预警。所有的监测数据都由美国空间司令部首先处理,不保密部分才通过NASA在其网站上公开发布。
 
李明透露,我国自2000年起启动了“空间碎片行动计划”,目前国内已确定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”的三大主题工程。
 
刘静表示,目前人类观测空间碎片的轨道运行,只能通过地面观测的手段完成。“这是个长期且艰巨的工作,目前只有美国有最全、最准的碎片数据。”
 
“空间碎片是全球性的问题。几乎所有的航天国家都制造空间碎片,要控制碎片的数量,需要所有航天国家的共同努力才能解决。” 刘静表示,“空间碎片对所有航空器都构成威胁,自然为所有国家所关心。空间碎片问题的解决需要全球共同的努力,最终也必须通过国际间的密切合作、发挥联合国的作用。”
 
“我国的航天活动越发频繁,将来产生的碎片也会逐渐增加。碎片一到空间就不管是哪个国家产生的了,相互之间都有撞击的可能,这是个很复杂的事。”都亨指出。
 
在采访中,一些航天专家表示,对于大质量的空间碎片来说,最有效的措施是开展国际合作,进行全过程实时跟踪、预报,采取主动规避的办法。
 
约束力的缺失
 
“空间碎片是一项既涉及世界各国的利益,也是需要世界各国联合行动才能解决的问题。”都亨表示。
 
而现实的情况是,在空间碎片的问责和处理上缺乏相应的约束和协调机制。
 
机构间空间碎片协调小组制定了《空间碎片减缓指南》,联合国和平利用外层空间委员会2007年6月也以此为蓝本通过了该指南,要求会员国或国际组织通过国家机制最大限度地减少空间碎片。
 
该指南提出了减少空间碎片的三种方法:对航天器和火箭采取钝化措施,减缓碎片的产生;设立“垃圾轨道”,腾出有价值的轨道空间,减少空间碎片对航天器的危害。
 
“但是空间碎片上升到清理层面时,会涉及到军事安全等问题,上述指南缺乏相应的约束力。”都亨表示,《国际空间法》原来的文本还没有考虑到空间碎片的问题,只考虑到了航天器。今后可能还是需要立法来解决太空垃圾的责任归属问题。
 
美国国家研究委员会Joanne Gabrynowicz亦表示,尽管现有的《外层空间条约》呼吁航天国家“避免伤害”,但并没有对产生太空垃圾的行为加以禁止。
 
更多的航天专家在呼吁,各国在对空间垃圾的处理上不应单打独斗,必须有国际协调和法律约束力。
 
太空垃圾应对措施
 
空间碎片包括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、空间物体之间的碰撞产生的碎块等。可以说,空间碎片是人类自设的隐患。
 
数量
 
40多年来,人类进行的空间发射超过4000次,送入空间并曾经被跟踪观测的物体超过26000个,其中约有1/3仍遗留在空间沿轨道飞行。目前可被地面观测设备观测并测定其轨道的空间物体超过9000个,其中只有6%是仍在工作的航天器,其余为空间碎片。
 
危害
 
目前,科学家们对太空中可能存在的近10万块废弃物担忧。这些物体通常以每秒10公里以上的速度运行,如果与其他物体相撞,每小块将产生相当于一枚手榴弹的爆炸力。一块仅有阿司匹林药片大的残骸可将人造卫星撞成“残废”,可将造价数亿元的航天器送上绝路。1983年,美国航天飞机“挑战者”号与一块直径0.2毫米的涂料剥离物相撞,导致悬窗被损,只好停止飞行。而且,大块的宇宙飞船残块将不断下落,如果在大气层中不能烧尽,将有部分坠落至地球。
 
应对
 
减少太空垃圾,归结起来是“避、禁、减、清”。“避”就是对太空垃圾进行严密监视与跟踪,并采取有效的技术手段,使航天器及时避开太空垃圾。“禁”就是国际上制定有关法规,禁止在空间进行实验和部署各种武器,限制发射核动力卫星,使空间成为为人类文明服务的和平空间。“减”就是发射航天器的国家应采取措施,尽量减少太空垃圾的增加。“清”就是发展太空垃圾清除技术,如运用激光器使大块垃圾首先改变运行轨道,然后将其汽化。
 
《科学时报》 (2011-11-14 A3 深度)
 
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