太空垃圾威脅：新指導規範幫助應對太空軌道碎片威脅

2020-09-05 天文在線

簡介：面臨日益增長的太空航行器，以及航行器碰撞帶來的災害，太空行業利益相關者成立SSC發布自願性指導規則以避免減少太空垃圾危害。

圖解：電影《太空垃圾3D》中描繪的太空垃圾場景

圖源：《太空垃圾3D》

太空——這最後的邊疆也許需要一些管制。

大約有2000顆運營中的人造衛星正圍繞地球疾馳，這些衛星中有氣象衛星、通信衛星，以及其他執行各類任務的衛星。而隨著太空飛行器製造成本和發射成本的降低，人造衛星的數量也在穩定上升，甚至將會迎來飛躍。

例如，太空探索公司（SpaceX）、亞馬遜公司（Amazon）、一網公司（OneWeb）都計劃在不久的將來組建衛星數量龐大的衛星群。2019年5月，太空探索公司發射了該公司「星鏈」衛星群的首批60顆近地軌道衛星，按計劃「星鏈」的衛星數量最終將達到12000顆。

圖解：太空探索公司「星鏈」計劃標誌與衛星群示意圖

圖源：legitreviews

這些即將部署的繞地太空飛行器並非都是由財力雄厚的公司或者政府機構運營，相當一部分衛星將由一些進入空間技術領域不久的新公司運營，這些公司在幾年前甚至未曾想過會成為太空俱樂部的一員。

事實上，這已經在發生，「坦率來講，即便是小學也能負擔得起發射小型實驗衛星的費用。」航天技術公司Maxar的首席技術官沃特·斯科特（Walter Scott）告訴太空網（Space）。

斯科特等人指出，開放的太空是件好事，但是也帶來一些風險。隨著繞地軌道變得越來越擁擠，衛星相撞的風險也在增加，尤其是那些在缺乏運營經驗人員控制下的簡易衛星。

衛星相撞是一個大問題。例如，2009年2月，運營中的美國通訊衛星「銥星-33」與俄羅斯報廢衛星「宇宙-2251」相撞，到當年10月撞擊產生了約1800個新碎片，佔當時可監測軌道碎片的10%。（然而，大多數的太空垃圾因太小而不能被追蹤，數百萬個太空微粒繞地飛行但無法被我們的儀器發現）

圖解：「銥星-33」與「宇宙-2251」相撞事件與太空垃圾清理設想

圖源：necsus-ejms

每一個軌道碎片都是一顆疾馳子彈，以每小時數千英裡的速度穿行在太空中，對其他太空飛行器構成潛在威脅。理論上講，一次相撞可能會導致另一次相撞，繼而引發下一次，以此類推造成一連串的災難，這種情況被稱之為「凱斯勒現象」（Kessler syndrome）。

太空安全聯盟（SSC）指出，如果太空飛行器的製造方和運營方遵循一些簡單的規則，就可以避免凱斯勒現象的發生，至少可以將其在近期發生的機率降到最低。

SSC是一個由太空工業利益相關方建立的組織。2019年9月，SSC制定了一份名為《可持續太空運營最佳行為規範》的文件，文件中擬定了太空工業參與者自願遵循的行為規範。

SSC指出，跨機構空間碎片協調委員會和聯合國和平利用外層空間委員會已經制定過減少太空垃圾的指導準則，但是這些準則最後一次修訂是在2007年，並沒有考慮到後來大量新發射的立方體衛星、小型衛星、衛星群。這些新型太空飛行器在空間姿態感知、操作控制、設計方面均有很大的技術進步，為拓展已有的空間技術行業準則和減少太空垃圾的行為規範提供了可能。

《最佳行為規範》中一個重要的建議是，所有在距地面400km高度以上空間運行的太空飛行器都應具備將太空飛行器推離可能發生相撞軌道的推進系統。400km高度是一條自然分界線，國際空間站就是在這個高度運行。不會有人想讓失控的衛星途徑空間站的運行軌道返回地球。而低於400km的空間內有足夠的大氣，對報廢太空飛行器產生的阻力足以使其迅速降低軌道墜入大氣層。

斯科特在一篇博客中寫道，太空組織可以將距地400km以內的空間指定為「實驗區，這樣的舉措可以保證越來越多的廉價、實驗性或教育類立方體衛星運營商擁有可負擔的空間。

圖解：海拔400km以內的空間可以指定為實驗區，以保證一些衛星運行商擁有低成本運營空間。

圖源：Maxar Technologies

SSC也建議衛星設計者考慮在衛星的指令控制系統採取加密措施，防止黑客的有意破壞造成軌道撞擊災難。《最佳行為規範》還包括避免拋投太空垃圾的指導方針，例如，近地軌道（LEO）衛星的運營商應當在衛星發射合同中加入一項太空垃圾處理的要求，即通過一定的技術手段使運載火箭「上面級」再入大氣層。

圖解：2011年，歐空局兩顆「伽利略」導航衛星搭載俄羅斯「聯盟號」運載火箭發射升空，圖中運載火箭的Fregat-MT上面級從第三級火箭分離，繼續將衛星送往預定軌道。

圖源：ESA

2019年10月15日，31家太空工業利益相關方籤署了這項新的指導規範，這些團體中包括一些名聲在外的公司，如航天技術公司Maxar（數字地球公司DigitalGlobe和太空飛行器製造商SSL的母公司）、一網公司、火箭實驗室公司、銥星公司、歐洲衛星公司SES和國際通信衛星公司Intelsat。

「不能等到災難發生後再採取措施，現在正是行動的時候，可以看到Maxar和一網等運營商正在積極行動。」斯科特說。

2019年9月的兩次衛星相撞危機警示著太空迷和衛星運營商要考慮太空垃圾碰撞災難。

9月2日，歐空局緊急調整了地球觀測衛星「風神」的運行軌道，避免了與太空探索公司「星鏈」衛星的相撞，兩顆衛星相撞機率為千分之一。

9月18日，畢格羅公司的「創世紀II 」衛星與俄羅斯「宇宙-1300」衛星擦肩而過，相撞的機率為5.6%。地面人員沒有對兩顆衛星進行變軌避險，因為它們均已退役報廢，成為眾多太空垃圾的一部分。

圖解：歐空局「風神」衛星，「風神」衛星與「星鏈-44」衛星軌道示意圖

圖源：cite-espace

作者: Michael Wall

FY: 牧心

如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處


相關焦點

  • 太空垃圾汙染嚴重 同步衛星軌道受到威脅
    美國國家研究委員會曾在2011年發出警告稱，地球上空的太空垃圾數量已經達到「臨界點」，太空中軌道碎片的數量已多到足以持續碰撞並產生更多太空垃圾，威脅太空飛行器的安全。 　　據美國宇航局估計，地球周圍尺寸超過彈珠的軌道碎片在50萬塊左右，尺寸超過板球的碎片在2.2萬塊左右。
  • 太空垃圾或致同步衛星軌道報廢【2】
    據美國宇航局估計，地球周圍尺寸超過彈珠的軌道碎片在50萬塊左右，尺寸超過板球的碎片在2.2萬塊左右。低地球軌道的碎片以大約每小時2.8萬公裡的速度飛行，即使尺寸很小，也能給衛星造成巨大破壞，同時對太空人的安全帶來致命威脅。在已經編目的太空垃圾中，大約有70%位於距地面約2000公裡以內的低地球軌道，時刻威脅著各種衛星的安全。更為可怕的是，地球周圍的太空垃圾雲仍在不斷擴大。
  • 太空碎片威脅著地球上的人類！地球人怎麼辦？
    太空碎片威脅著地球上的人類 人類自1957年以來就一直在發射東西 科學家稱，數以百萬計的垃圾在我們的星球上盤旋，可能引發一系列災難性的碰撞，有可能擊落正在運行的衛星目前，目前，大約有2300顆活動衛星繞地球軌道運行，但還有3000y遺棄的垃圾衛星。大約有35000個大於10釐米的物體在軌道上運行，此外還有數百萬個較小的碎片。
  • 俄官員稱太空垃圾系地球同步軌道衛星最大威脅
    【環球網報導 記者 朱曉磊】據俄新社3月12日報導，俄羅斯聯邦航天署署長弗拉基米爾•波波夫金於12日表示，太空垃圾是地球同步軌道上衛星的最大威脅。他說，如果國際社會不採取緊急措施保護太空飛行器，未來20年內地球同步軌道將布滿垃圾。波波夫金說：「大多數太空飛行器和主要通訊衛星所處的地球同步軌道的獨特資源或在未來20年內因太空垃圾消失殆盡。
  • 太空垃圾成災，已構成潛在的災難性威脅
    據公開資料顯示，來自美國，俄羅斯，中國，日本以及歐盟等國，國際組織專家小組對處在近地軌道以下空間威脅性最大的太空垃圾進行了分析篩選，並擬制了一份太空垃圾清單。據了解，目前太空站中廢棄的這類垃圾共有16.5萬個，其中危害性極大的垃圾就有50個。
  • 太空垃圾雲正不斷擴大 或致同步衛星軌道報廢
    有關太空垃圾的話題在近幾年持續得到國際社會的關注。太空垃圾也被稱為軌道碎片，是圍繞地球軌道運行的無用人造物體，既包括已經「壽終正寢」，但仍在空間軌道兜圈子的各類衛星、被遺棄的運載火箭推進器殘骸等，也有太空飛行器意外爆炸或者碰撞形成的碎片，還有一些螺絲和墊圈之類的零部件。
  • 頭頂上的威脅，太空垃圾碎片對人造衛星究竟有什麼影響
    更多的空間碎片雲已經成為一個越來越大的威脅，特別是對不能移動的衛星。解決方案是開發更好的分析和圖形工具，使商業衛星運營商能夠預測越來越多的碎片群在哪裡，以及這些數據如何隨時間變化。大多數碎片都在LEO（低地軌道），那些微小的物體會定期落入大氣層並汽化。所以，空間碎片圖是一個正在進行中的工作。
  • 太空垃圾如何清理?用魚叉擊中太空垃圾碎片
    一項名為RemoveDebris（清除碎片）的太空垃圾清理衛星項目通過關鍵測試，項目衛星用類似於魚叉的設備成功刺穿太空中的模擬碎片。據統計，太空中散布著從廢棄的火箭部件、報廢衛星，再到散落的螺母和螺栓等各種太空垃圾。美國國防部現在對地球軌道上堆積的50多萬件人造碎片進行跟蹤。所有這些太空垃圾對經過的太空飛行器，比如說國際空間站以及耗資數十億美元的衛星構成了日益嚴重的碰撞威脅。
  • 俄羅斯火箭在地球軌道破裂 65顆碎片是否構成太空威脅？
    俄羅斯航天局周日證實，過去發射中使用的其中一枚火箭已經漂浮在太空中，該火箭已經破裂，碎片進入了軌道。俄羅斯衛星在地球軌道破裂 65顆碎片是否構成太空威脅？該機構表示，Fregat-SB高層火箭曾於2011年用於將俄羅斯科學衛星Spektr-R送入軌道。該機構在一份聲明中證實，「崩潰發生在2020年5月8日」，位於印度洋上方0500至0600GMT之間。俄羅斯官員說：「目前，我們正在努力收集數據，以確認碎片的數量和軌道參數。」
  • 歐洲計劃用「太空爪」清理軌道垃圾
    太空爪利用機械臂抓取太空垃圾概念圖圖片來源：歐洲空間局本報訊歐洲空間局本周確定了一項2025年的發射任務：清理太空。該任務計劃在飛行軌道上捕獲並處理太空垃圾。由瑞士一家公司建造的ClearSpace的構造近似於一顆小型衛星，該設備會用爪子抓牢太空垃圾，並將其護送至較低軌道，二者一同進入大氣層並燃燒。據《科學》報導，歐空局此項行動獲得了積極評價，迄今為止，太空軌道上散落的碎片對正在工作的衛星和太空人造成了威脅，且這種負面影響越來越大。地球周圍的空間已經變得越來越擁擠，但如今採取清理行動的國家或機構數量並不多。
  • 清理太空垃圾又有新招數
    李會超　　新聞背景　　據報導，美國仁斯利爾理工大學的工程師團隊正在研發一種名為OSCaR的小衛星，以較為低廉的成本搜尋和收集軌道上的空間碎片，為應對日益嚴重的太空垃圾問題提供新的解決方案。　　實際上，除了OSCaR外，各國航天科技人員們還提出了多種清理太空垃圾的設想，其中有不少都已經付諸實踐。
  • 太空垃圾數量達「臨界點」 威脅太空人和人造衛星的安全
    據美國上周四發布的一份報告，地球軌道上太空垃圾的數量已經達到「臨界點」，有撞擊風險，而後可能產生更多碎片，威脅太空人和人造衛星的安全。　　美國全國研究委員會在報告中稱，美國宇航局需要制定新的戰略計劃，以減小火箭殘骸、報廢衛星、以及數千塊其它太空垃圾的危害。這些軌道太空垃圾時速高達1.75萬英裡(28164公裡)。
  • 地球軌道太空垃圾已達臨界點
    威脅上千衛星安全，太空人環境越來越危險　　地球上空的太空垃圾。（效果圖）　　上世紀90年代，一塊太空垃圾墜落在美國。晶報訊 美國全國研究委員會1日公布報告稱，地球上空的太空垃圾數量已經達到「臨界點」。該委員會呼籲美國航天局採取措施減緩太空垃圾的影響。
  • NASA：隨著太空碎片垃圾在軌道上的堆積，碰撞的危險越來越大
    美國宇航局局長吉姆·布萊登斯汀（Jim Bridenstine）說：「 在2020年進行了3次機動以避免碎片。在過去的2周中，出現了3個引起高度關注的潛在聯結。碎片越來越嚴重！」即使是一小部分垃圾也是一個主要威脅。
  • FCC希望清理太空垃圾 正在醞釀具體規則
    為了幫助清理地球軌道上的 50 多萬件太空碎片，美國聯邦通訊委員會（FCC）也希望出一份力。
  • 太空垃圾 從何掃起
    近地軌道上存在大量的廢舊衛星、火箭碎片和碰撞碎片，如何降低這20000多個物體對太空交通帶來的威脅，是困擾研究人員的一個難題。2017年，全球共發射了400多顆衛星，是2000~2010年年均水平的4倍多。未來幾年，如果波音、OneWeb等公司繼續向太空部署數百至數千顆通信衛星，那麼這些擬發射的「巨型衛星」還會繼續增多，勢必會給太空交通帶來災難。
  • 如何「科學」地清理太空垃圾?
    構成地球「行星環」的物質並非星體碎片和巖屑，而是人類親手製造的「白色汙染」——太空垃圾（Space debris）。地球的「行星環」　　什麼是太空垃圾　　太空垃圾又有空間碎片或軌道碎片之稱，主要包括世界各國的運載火箭和太空飛行器在發射過程中產生的碎片與廢棄不用的衛星，以及太空飛行器爆炸、碰撞過程中產生的碎片等。
  • 英國計劃打造能幫助太空碎片移除的衛星
    據外媒報到單，英國政府宣布，一家總部位於英國的公司將幫助建造旨在清理太空碎片的Clearspace-1衛星。這顆衛星被戲稱為The Claw（利爪），它將於2025年開始執行任務。據了解，當The Claw進入太空，它就會像鉗子一樣收集碎片然後控制它們重新進入地球大氣層，最終在那裡燃燒殆盡。
  • 如何科學地清理太空垃圾?
    什麼是太空垃圾太空垃圾又有空間碎片或軌道碎片之稱，主要包括世界各國的運載火箭和太空飛行器在發射過程中產生的碎片與廢棄不用的衛星，以及太空飛行器爆炸、碰撞過程中產生的碎片等。處理大氣層外的這些「白色垃圾」，刻不容緩。太空垃圾的治理太空垃圾所引起的「雪崩效應」已經開始得到科研人員的高度重視。目前應對太空碎片這些「冷殺手」的主要手段就是規避碎片。
  • 巨網捕獲太空垃圾只是「前菜」，「利爪」太空保潔才是「殺手鐧」
    數百年來，太空中垃圾可以說已經是堆積如山了。給軌道上的衛星安全造成了極大的威脅，各國也準備清理。這不，英國即將建造的「利爪」衛星，將成為全球首顆精準清除太空垃圾的利器。這些碎片對未來的任務和人類在太空中的存在構成了威脅。計劃於2025年發射的「太空一號」任務——又名「利爪」，是首個致力於移除軌道上現有物體的太空清潔神器。這是邁向更清潔太空環境的重要第一步。在控制它重返地球大氣層之前，「利爪」會用鉗子一樣的長臂來收集碎片，讓它安全地分解，確保安全。