太空垃圾变废为宝

2009年02月19日09:31  来源:中国科学报

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    欧洲太空总署监测表明,在地球赤道同步轨道附近宽度不到1米的条带内约有1000多颗卫星,仅有约300颗在正常工作,多数则已成为空间垃圾。空间垃圾必然会越积越多,严重影响着太空环境,污染着赤道同步轨道附近宝贵的空间环境资源。
 
    空间垃圾的清除,一直是令科学家头疼的难题。中国科学院空间科学与应用研究中心研究员都亨曾向《科学时报》记者坦言,“虽然人们提出过很多靠外力清除空间垃圾的设想,但至今均未实现。”
 
    对于这些盘踞在太空的垃圾,我们有什么办法减轻它们的危害呢?
 
    发表在《中国科学G辑》第38卷第12期的《退役卫星的多生命周期利用》一文,提出了同步通信卫星多生命周期利用的概念,实现了退役通信卫星的第二次生命周期的利用。该文第一作者、中国科学院国家天文台研究员施浒立接受《科学时报》采访时表示:“有效延长退役通信卫星的可利用寿命,使通信卫星资源达到近极限利用,延缓其成为空间垃圾的时间,真正起到保护空间环境的积极作用。”
 
空间资源保护乏术
 
    “人类在保护地球环境的同时,还必须尽早重视对空间资源和空间环境的保护。”在施浒立看来,有效保护空间资源具有极为重要的社会效益和经济效益。他说,“尤其,地球同步卫星轨道资源对全人类来说是不可多得的极其宝贵的空间资源,与人类社会的发展和进步具有非常重要和密切的关系,也是人类利用的最有实际效果的空间资源之一。”
 
    但是,这个宝贵的资源正在被同步轨道上大量废弃退役通信卫星所污染。
 
    中国卫星通信集团公司副总裁陆绥熙介绍,在地球赤道同步轨道上有众多同步通信卫星,因火箭推力的限制,卫星携带的调整卫星位置及姿态的燃料有限,当燃料消耗殆尽时,同步通信卫星的使用寿命也将结束。
 
    卫星公司为了保证客户业务不被间断,能连续运,必须在卫星寿命结束前的一段时间里,发射新的同步通信卫星去替换寿命末期的同步通信卫星,完成卫星的新老更替。陆绥熙说:“当原来处于寿命末期的同步通信卫星被换下来成为退役星时,按照现行的国际规定,必须对卫星作‘死亡处理’,即关闭卫星上的电源,把卫星推离开原地球同步轨道位置,使卫星进入‘坟墓’轨道,漂移成为空间垃圾。”
 
    随着时间的推移,大量废弃的退役卫星积集在同步轨道附近,污染着空间同步轨道的环境,并严重威胁着处于同步轨道位置上在轨工作的卫星的安全,“这无疑对人类进一步充分利用同步轨道资源造成很大影响”。
 
    可见,宝贵的同步卫星轨道资源是亟待保护的,但人们一直没有找到解决这个问题的有效方法。
 
废物利用歪打正着
 
    其实,“多生命周期利用”的概念来源于绿色制造业,是基于最大限度地利用资源和最低限度地产生废弃物的环保理念,指本代产品报废或停止使用后,产品或其有关零部件在下一代或多代产品中循环使用。
 
    “我们是突发奇想,歪打正着了!”施浒立笑着说。
 
    原来,退役卫星的多生命周期利用的研究诞生于中国区域定位系统(CAPS)的验证系统的研发过程。
 
    面对美国GPS、前苏联GLONASS、欧洲伽利略计划这些巨资项目,2002年,中科院国家天文台原台长艾国祥院士及其同事希望通过一些新的理念来实现经济实惠的区域导航定位。于是,他们提出了转发式卫星导航定位系统的设想,这种系统可以少发射甚至不发射专门的导航卫星
 
    “与美国的GPS、前苏联的GLONASS以及我国自主研制的北斗等卫星定位系统相比,CAPS的卫星星座是创新型的。”
 
    中科院国家天文台研究员韩延本介绍,在CAPS验证系统的研制过程中,首先租用了在轨商用同步通信卫星上的信号转发器,组成验证系统的星座。但是,由于租用的卫星都处于地球同步轨道上,理论上难以实现三维定位。
 
    最初,施浒立等想发射倾斜轨道的通信卫星增强基于同步通信卫星的导航星座,来解决三维定位的问题。但这会使试验周期很长,并需要大量经费。在项目进一步发展的过程中,他们提出了将退役卫星加入星座的设想。“后经我们理论分析和仿真计算,发现利用一定数量的退役卫星有助于提高导航定位的精度,从而探索到了一种更省钱、更环保的方法,即开发退役卫星的第二生命周期。”韩延本说。
 
    简单地说,就是改变卫星调控模式,只对卫星经度方向轨位进行保持和调整,优化使用退役卫星上的剩余燃料,使其演变为小倾角同步轨道卫星,从而构建一种新的导航星座。
 
    亚太卫星公司原副总裁陈吉斌告诉记者,寿命末期的通信卫星一般残留着在通常的轨位控制模式下可使用几个月到一年多的燃料,且卫星上的太阳能电池和转发器等电子设备的正常工作寿命远大于燃料的可使用时间。“在新的控制模式下,可以将剩余燃料延长使用寿命约10倍左右,从而可使卫星上的资源被最大限度地充分利用。”
 
    以亚太1号卫星退役后被再利用为例,该星在2004年被新的替代卫星置换下来时,按通常的调控模式,燃料的可使用期限还剩余3~6个月。这时,卫星上的太阳能电池和电子设备仍然完好,24个转发器均能正常工作,甚至6个备用转发器还尚未使用过。在新的轨位控制模式下,该退役卫星成为小倾角的倾斜同步轨道卫星,被作为CAPS系统的星座成员至今已连续正常工作了4年多,发挥了非常重要的作用,产生了显著的社会效益和经济效益。
 
    陈吉斌指出:“与此相反,没有考虑退役卫星的再利用时,亚洲1号卫星进入寿命末期,被新发射的卫星置换后退役,作了死亡处理,被废弃成为同步轨道的空间垃圾。”
 
二次利用变废为宝
 
    “采用退役卫星获得的效果,可能是人们以前不曾想象到的。”施浒立告诉记者,“虽然CAPS系统目前所用卫星较少,但在中国及周边地区已经达到美国GPS系统粗码的导航定位精度,退役卫星在其中起到了应有的作用。”
 
    CAPS项目组已向亚太卫星公司购买了即将退役的亚太1号卫星和亚太1A卫星,把它们调控为小倾角的倾斜同步轨道卫星后,作为CAPS系统的星座成员发挥了定位和通信两大作用。施浒立介绍,利用通信卫星上丰富的转发器频带资源,已经开拓出一类使用微小终端的低信息速率的卫星通信,弥补当前地面通信手段(如短波、超短波、GSM/CDMA等网络)对边远地区及海上的通信覆盖不足的缺陷。
 
    从2006年开始,使用微小终端的卫星短信息数据双向通信系统开发成功后,陆续应用于陆上车辆“动中通”试验和海洋船舶等移动载体的定位和海洋数据的回传通信试验。
 
    由于设备造价低,使用方便灵活,适用面广,特别适用于有定位、授时和短信息传输要求的应用领域,包括车辆、舰船在行进中的通信。例如在发生特大的洪涝灾害和地震灾害使地面通信设施被破坏而无法通信时,CAPS的定位和通信功能就能帮助我们及时获得灾区的有关信息,对救灾起到重要作用。
 
    此外,利用退役卫星有利于维护国家的频率资源和轨位资源。因同步卫星轨道资源(轨道位置和通信频率)是极其宝贵的空间资源,各国为了本国的发展和利益,在国际上对该资源的竞争越来越激烈。陈吉斌指出:“我国已申报了一些同步卫星轨位,若在一定的期限内,没有我国的卫星去占位使用,就要降低使用级别,甚至取消我国的轨位使用权。而退役卫星恰恰可以作为在轨的有效卫星使用,从而为国家保护轨位财富与资源服务。”
 
    退役卫星的再利用时间虽然还不长,但产生的社会效益和经济效益是显著的。施浒立表示,不久的将来,将有亚洲2号、鑫诺1号、鑫诺5号和中卫1号卫星陆续退役,若再利用起来将会产生更可观的经济效益。“已处于寿命末期的退役卫星开发出第二生命周期,延缓了退役卫星成为空间垃圾的时间,为人类保护空间环境脚踏实地跨出了有效的第一步。”(陆琦)

(责编:李文(实习))
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