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人类头顶上方的8000吨垃圾该如何解决?

点赞:0 | 浏览:86791 | 发布于:2021-12-03 17:13:05
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  空间碎片危机何解?

  中国新闻周刊记者/杜玮

  发于2021.11.29总第1022期《中国新闻周刊》

  当地时间11月15日,俄罗斯进行了一场反卫星导弹试验,将己方一颗废弃卫星击碎。卫星位于地球上空约480公里,服役近40年。这随即引发美俄双方激烈争执。俄国防部称,“按照试验时间和轨道参数,所产生的碎片未曾、也不会对空间站、航天器和太空活动构成威胁。”美官员则称,试验产生的1500多个可追踪碎片及更多不易发现的小碎片将在轨道上停留数年或更久。这会对包括国际空间站、各种人造卫星在内的各类航天器安全造成影响。

  不容忽视的是,废弃的卫星或卫星解体,以及与火箭残骸碰撞等产生的碎片将带来大量太空垃圾,这一问题由来已久且日渐凸显。人类头顶上方,就是浩瀚无边的垃圾场,垃圾存量超过8000吨。可以想象,各类航天器的运行就是在大大小小、飞速运行的垃圾间闪转腾挪。

  在地球上,实行的是“谁污染、谁治理”的原则,但这一切在太空尚属空白。

  北京大学地球与空间科学学院教授焦维新对《中国新闻周刊》说,清除太空垃圾的根本难题并非在于技术。最关键的是,迄今为止,从发射卫星到清除垃圾,都缺少国际性公约以及法律法规的约束。

  碎片超亿的太空垃圾场

  俄罗斯废弃的卫星名为Kosmos-1408,是一颗军用侦察卫星。国际空间站飞行在距地大约420公里的高度,较Kosmos的飞行高度低五六十公里。当Kosmos“粉身碎骨”后,碎片四散到更高或更低的离地高度。国际空间站每90分钟绕地球一圈,这意味着每90分钟空间站会靠近或通过碎片带。空间站上有七名航天员,四名来自NASA(美国宇航局),两名来自俄罗斯,一名来自欧洲宇航局。在导弹发射后最初几小时内,七名航天员一度躲进美国太空探索技术公司(SpaceX)的载人龙飞船和俄罗斯联盟号宇宙飞船中。最坏的打算,航天员们将乘坐这些“救生艇”逃离太空,回到地球。

  焦维新说,早期一些照相侦察卫星及用于探测低层大气的科学卫星会处在离地400公里左右的高空,属低轨道卫星。除此之外,绝大部分应用卫星,包括气象卫星、对地观测卫星等的飞行高度都在700公里到1200公里之间。围绕地球的所有太空垃圾中,失效卫星以及卫星、火箭残骸等碰撞、解体而形成的碎片占比近八成。失效卫星本身就是一个大碎片。

  处于不同轨道高度的空间碎片,寿命也不同。比如,高度在400公里以下的碎片,在四处游荡的过程中,因为有一定大气阻力,寿命衰减就会较快,几个月就寿终正寝,进入大气层,回地球“入土为安”。600公里高度的碎片轨道寿命为几年,600公里至800公里为十几年,800公里至1000公里为几十年。如果是1000公里或2000公里高度以上的碎片,寿命则可长达百年乃至上千年。

  焦维新分析说,俄罗斯这次击碎卫星产生的低轨碎片在太空中停留的时间不会太长。而且,碎片衰减还受到空间天气如太阳耀斑等的影响。若空间天气较恶劣,其轨道衰减会加快。

  越是卫星密集轨道,空间碎片数量越多。高度在2000公里以下的近地球轨道LEO,20000公里左右的中地球轨道MEO,以及高度在36000公里左右的地球同步轨道GEO是空间碎片的密集运行区域。碎片家族有着个头大小之分,根据欧洲航天局的最新预估,围绕地球运行直径大于10厘米的空间碎片有34000个,1厘米到10厘米的碎片数量约为90万个,直径在1毫米至1厘米之间的碎片有1.28亿个。

  碎片无论大小,危害都不容小觑。在科幻电影《地心引力》中,美航天飞机维修哈勃望远镜期间,因俄罗斯击碎一颗俄方废弃卫星,导致大量空间碎片产生,将航天飞机及望远镜击毁。通常空间碎片都以第一宇宙速度(7.9公里/秒)量级的速度运行,这相当于狙击步枪子弹飞行速度的几倍。一个直径10厘米的太空垃圾就可以将航天器完全摧毁。一颗以第一宇宙速度运行的卫星,被1厘米大小、以同样速度运行的碎片撞击,后果相当于卫星受到一辆1吨重、以50公里/小时速度行驶汽车的撞击,只能“以身殉职”。数毫米大小的太空垃圾可能使航天器无法继续工作。小于0.1毫米的碎片主要引起航天器表面烧蚀和贱蚀,会使太阳能电池效率降低。

  今年5月,在对国际空间站机械臂的一次常规检查中,专家发现机械臂上有一个被微小碎片撞击的小孔。但好在这是一次“幸运的撞击”,并未影响机械臂阶段性运行。

  LEO的凯斯勒效应已开始

  让焦维新更担忧的是, 如今像SpaceX、One Web等卫星运营商打着联通全世界的旗号,在低地轨道布设小卫星,将增加卫星碰撞的可能性,“这将是未来太空最大的危险”。2009年2月10日,在西伯利亚泰梅尔半岛上空770公里的高度,美国铱卫星公司的铱星33号和俄罗斯的宇宙2251卫星发生碰撞,撞击时的相对速度为11.6公里/秒,产生至少2000多片碎片。这是人类历史上首次近地轨道人造卫星碰撞事件。碰撞时,铱星仍处于工作状态,俄国卫星已废弃多年。

  马斯克的SpaceX计划于2027年前实现“星链”宏图,部署共计12000颗低轨道卫星,至今已有1700颗卫星在轨运行。除此之外,马斯克预计还将向低地轨道贡献30000颗小卫星。SpaceX的竞争对手波音、亚马逊等近来也在向联邦通信委员会提交申请,预计向近地轨道发射总计35000颗商用卫星。此外,One Web也将像SpaceX一样,发射总计超过40000颗卫星。今年10月,非洲国家卢旺达宣布了更为疯狂的发射计划,将在未来发射32万颗小卫星。根据联合国的外层空间物体指数,截至 2021 年 9 月,LEO 总共有大约 7500 颗运行中卫星。

  焦维新说,地球同步轨道卫星的发射,会由国际电信联盟进行调解,以保持卫星间有一定间隔,彼此不干扰,发射数量有限定。但除此之外,尤其对于低地轨道卫星发射来说,在哪里发射、发射多少颗并没有一定之规,通常是各国先到先得,跑马圈地。

  1978年,美国宇航局科学家唐纳德·凯斯勒曾提出一种假设,当低地轨道物体密度足够高时,物体间碰撞会产生碎片,碎片又会与其他物体碰撞,产生更多碎片。一系列连锁反应后,最终,会导致卫星轨道资源被碎片包围,造成永久性破坏,以致无法开展太空活动。这被称为“凯斯勒效应”。凯斯勒认为,目前业界已达成共识,碎片环境已达到临界点,即便现在停止所有发射,碎片依然会继续增加。至于凯斯勒效应,“它已经开始了,虽然碰撞尚不剧烈,规模也还不大”。

  亚伦·博利是英属哥伦比亚大学的一名天文学家。他在今年3月发表在《科学报告》上的一篇文章中提到,在LEO轨道,已有超过12000个直径10厘米及以上、可追踪的碎片。如果统计直径降至1厘米,碎片数目可能达上百万个。诸如星链等低成本卫星的普遍扩散进一步加剧了LEO的环境压力。博利还分析说,虽然SpaceX声称发射卫星将在5到6年使用寿命结束时主动离轨,但离轨的整个过程需要6个月。如果其他公司也如此操作,这意味着数以千计的离轨卫星将缓慢穿过同一个拥挤的空间,构成碰撞风险。离轨的卫星将被追踪,以避免和碎片近距离交会。但能否真正避免“太空交通事故”,这取决于各个运营商间能否持续沟通与合作,目前这样的合作是“临时和自愿”的。

  焦维新分析说,像星链计划中的小卫星姿态控制等都更随意,在太空中的运行也更“任性”。根据美国哈佛大学天体物理家乔纳森·麦克道威尔的分析,截至去年10月,SpaceX发射的卫星中大约有2.5%可能已失效。麦克道威尔说,这一故障率并不高,但如果乘以星链计划庞大的总量,这将意味着会制造出大量的“硬核”垃圾。

  除了使太空更为拥挤,小卫星的集聚还会对天文观测造成影响。太阳光从航天器上反射,会使得天空可能变亮两到三倍。由于卫星大部分为铝制,大量卫星及碎片再入大气还会带来铝在大气中的沉积,火箭发射产生的黑碳、烟灰会使得气候变暖,破坏臭氧层。当碎片落回地球,还有可能给人类带来意外袭击。

  公地悲剧

  面对无处不在的空间碎片,一句适用的古话叫“惹不起,躲得起”。主要航天国家和国际组织都会对其重点航天器执行碰撞预警和机动规避。截至2020年,国际空间站已执行规避危险碎片操作28次,仅2020年就有3次。欧洲航天局平均每颗低轨卫星每年需执行两次避碰操作。

  实现规避和预警,就要建立对空间碎片的观测和预报系统。2020年3月,美空军新一代地面雷达系统——“太空篱笆”上线。这一雷达系统位于北太平洋马绍尔群岛属地内,可追踪到近地轨道尺寸为1厘米至10厘米间的20万件太空垃圾。2017年,美国宇航局将一太空碎片感应器连接至国际空间站的一实验舱外部,用以探测在地面上难以查明的毫米级碎片。焦维新说,美国、欧洲航天局都有较为成熟、完善的空间碎片数据库,能实现对空间碎片的动态预报。航天器进而通过调整发射时间,或在轨运行时,改变与碎片碰头时间或轨道高度,达到规避目的。

  中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任王赤去年底接受媒体采访时曾表示,中国在空间态势感知、碎片减缓等技术方面虽取得一定进展,但仍无法满足太空活动治理要求。在空间目标监测上,中国主要依靠地面系统,存在“看不全、看得慢”的问题。空间碎片减缓与清除方面,主动移除技术基础薄弱,距离形成常态化运行系统要求差距明显,低成本业务化服务能力不具备。

  并不是所有碎片都能及时预报,完美闪躲。凯斯勒认为,在当今太空日益拥挤形势下,清理部分太空垃圾应成为优先项。多国已展开了一些“太空大扫除”的试验和行动。2018年4月,英国萨里航天中心联合欧洲多家研究机构,启动了“清除碎片”项目,测试了用网、鱼叉等捕获太空垃圾的方法。“太空鱼叉”可以击碎较大的太空垃圾,碎片再通过垃圾搜集网和脱轨装置进入大气层自行焚毁。

  今年3月,一家日本卫星服务公司研发的“终结碎片生命”卫星由俄罗斯联盟号火箭发射升空。这款“神器”的“杀手锏”在于其磁性系统,既能抓住平静如水的物体,也能捕获兴风作浪的碎片。当将“凶手”捉拿归案后,卫星将和碎片重回大气层,同归于尽。2025年,欧洲航天局还将联手一家瑞士初创公司,启动首个清除过往太空垃圾的任务。这次任务将启用一个实验性的四臂机器人,来捕获2013年发射的织女星火箭留下的碎片。这块太空垃圾位于距地球800 公里的上空,重约100公斤。

  焦维新说,未来发射的卫星,最理想的报废方式是接近轨道寿命时,还留有些燃料,主动减速,进入更低轨道,最终坠入大气层销毁。目前,对于太空垃圾的处置方式基本上任其自生自灭。就处理空间碎片而言,最大问题是没有国际上的公约来约束。“一件事情既没有利益驱使,又没有法律约束,谁会有自觉性去做。”焦维新说。得克萨斯大学奥斯汀分校轨道碎片专家Moriba Jah分析说,至少从目前看,空间碎片清除的商业案例并不能货币化,与其说是真正的市场,不如说是PPT演讲。

  另一重隐忧还在于,如今开发的清除碎片“利器”都可用作反卫星的武器。美国佐治亚理工学院国际事务学院副教授玛丽埃尔·博洛维茨说,近年来,对航天器的在轨维修等操作都引发了军事人员的极大兴趣。这些快速发展的技术有着双重用途,“有可能用于和平的太空活动,也可能用于太空战争”,“不能提前确定它们在哪一天将如何使用”。这样的迷局需要外交谈判和协商,以及国际层面的信任来解决。

  1968年,美国生态学家加勒特·哈丁在《科学》杂志上提出“公地悲剧”的概念,指面对有限的资源,如果每个人只从自身短期利益出发,一切将变得不可持续。此时此刻,在人类头顶上方,正在经历着一场太空公地悲剧。越来越多卫星涌入近地轨道,人们对此的态度总是宽容的:似乎总有空间,能再发射一次。

  《中国新闻周刊》2021年第44期

  声明:刊用《中国新闻周刊》稿件务经书面授权 【编辑:王诗尧】

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