航天|清理太空垃圾,各國都有啥高招?

2020-11-27 中國科普網

人類自1957年10月4日第一次發射人造衛星——斯普特尼克1號進入太空以來，第一個太空垃圾便已誕生。

太空垃圾包括因壽命已盡而報廢、因事故和故障而失控的人造衛星、發射各類太空飛行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、大塊碎片相互碰撞後產生的小碎片，甚至還有太空人在太空作業時遺失的手套和工具等物品。

據不完全統計，從1957年到2005年，世界各國發射成功了約6000個太空飛行器，其中俄羅斯3121個，美國1802個，其中通信衛星1671顆，遙感衛星2107顆，導航衛星384顆，科學衛星和試驗衛星1049顆，空間探測器140個。

一些太空作業過程也會意外地遺留下太空垃圾。在愛德華·塔夫特所著的《構想信息》書中提到現存的太空垃圾當中，包括太空人愛德華·懷特在進行艙外活動時遺失的一隻手套，麥可·科林斯在雙子星座10號執行任務期間遺失的攝影機及和平號空間站運作15年間棄掉的垃圾袋、一個扳手和一個牙刷，參與STS-116（第120次太空梭計劃）的蘇尼特·威廉斯在一次艙外活動期間也丟失了一個攝影機，STS120的工作人員在維修國際空間站上一塊太陽能電池板時遺失一對鉗子。

太空垃圾的另一主要來源是冷戰時期反衛星武器的研發，美國與蘇聯在上世紀60至70年代所進行的一系列反衛星武器試驗製造了大量太空垃圾。

太空垃圾一般在高300-450公裡的近地軌道上以每秒7-8公裡高速運動，而在36000公裡高度的地球靜止軌道上則以每秒3公裡的速度運動。根據軌道傾角碰撞時的相對速度甚至可以達到每秒10公裡以上，具有巨大的破壞力。

因此，太空垃圾若與運作中的人造衛星、載人飛船或國際空間站相撞，會危及到設備甚至太空人的生命。

據計算，一塊直徑為10釐米的太空垃圾就可以將太空飛行器完全摧毀，數毫米大小的太空垃圾就有可能使它們無法繼續工作，而太空垃圾也因此成為了國際問題。

目前比較具體的太空垃圾清理方案設想有五個，包括「彈弓-衛星太空清掃器」「立方太陽帆」、大氣層爆炸、「雷射掃帚」、太空清理衛星。

美國德州農工大學提出「彈弓-衛星太空清掃器」的設計方案。該方案能夠捕獲太空垃圾，再將太空垃圾投向地球大氣層燃燒，之後使用動量航行至下一個太空殘骸目標進行清除。

英國提議建造「立方太陽帆」，使用小型人造衛星帶動太陽帆捕獲太空殘骸至低軌道。最初計劃於2011年實施，但目前該計劃仍在籌劃之中，期待生產商薩裡太空中心製造更多小型人造衛星來實現。

美國維吉尼亞州雷神BBN科技公司的丹尼爾-格雷戈裡提出一種策略——在大氣層製造「爆炸」，使人造衛星殘骸進入低軌道燃燒。他們在高海拔平原釋放氣球爆炸，2012年初進行的研究測試表明，該方法足以擾亂低地球軌道太空殘骸的運行路徑。

美國航空航天局希望研製「雷射掃帚」，它主要針對直徑1—10釐米的太空垃圾。「雷射掃帚」鎖定某個太空垃圾目標後，將發出一束雷射，照射在太空垃圾背離地球的一端，使之部分升華為氣體。就像噴氣式飛機的原理一樣，利用氣體的反作用力推動太空垃圾朝地球的方向運動，最終使其進入大氣層，與大氣層產生強烈摩擦而燃燒自毀。

瑞士航天中心正在研發一種超快仿生手臂，將其安裝在「清潔空間一號」衛星上，捕捉並回收太空垃圾。瑞士航天中心希望這個機械手臂能在0.05秒內抓住各種不規則形狀的拋擲物。

我國新一代運載火箭長徵七號，2016年6月25日首飛搭載的遠徵1A上面級，為中國未來空間碎片清理等軌道服務奠定了工程應用基礎，對於中國空間運輸與應用系統的發展具有裡程碑意義。首飛火箭搭載載荷「遨龍一號空間碎片主動清理飛行器」也在探索太空垃圾清除相關技術。

來源：科普時報

作者：鹿跳跳 中科院地質地球研究所

編輯：吳桐

終審：尹宏群

圖片來源於網絡

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