航天事业的重要挑战:如何有效处理“太空垃圾”

2019年04月22日09:19  来源:人民网-科技频道
 

4月24日是“中国航天日”,在这一天我们要弘扬航天精神、普及航天知识、激发全民族探索外层空间的创新热情。航天是高风险事业,在享受航天探索带来的成果的同时,也需要关注航天活动中的风险因素,了解航天事业面临的挑战。

航天飞行中危险性较大的阶段是航天器穿越大气层的过程,在这一阶段燃料燃烧和空气摩擦产生的高温使飞行充满了风险。当航天器穿过大气层进入轨道飞行后,其外部环境就变得相对稳定,但此时航天器仍面临若干安全风险,其中由航天活动本身产生的“太空垃圾”便是一个重要挑战。

随着上世纪50年代人类具备了进入太空的能力,越来越多的卫星、飞船被发射入轨,使得地球附近的太空不再空旷。然而,人类制造的机器设备都有着设计上的使用寿命,各类航天器也不例外。当航天器出现故障,或者达到了使用寿命,电源、燃料耗尽,航天器便无法继续运作,人类也会失去对它的控制。这时,失去了利用价值的航天器便成为了名副其实的太空“垃圾”。

与地面上的交通工具不同,失去动力的航天器不会立即坠落。地球上的飞机、轮船和汽车都依靠它们自身的动力保持运动,当动力中断时,地面上的交通工具将在各种阻力的作用下很快停止运动。但太空中的航天器不同,由于航天器依靠自身运动具有的惯性抵消地球重力,而太空中又缺乏阻碍航天器运动的阻力,因此当失去动力时航天器不会立刻坠落。虽然在近地轨道附近高层大气仍然对航天器的运动存在微弱的阻碍作用,但由于大气的影响很小,需要日积月累才能显著改变航天器的运动速度,使航天器在重力的作用下落回地面。所以,失效的航天器有可能在轨道上继续飞行几年、几十年甚至几千年。由于旧的失效的航天器一时难以落回地球,而人类又在不断发射新的航天器,使得飞行在轨道的航天器越来越多,其中失效成为太空垃圾的航天器也越来越多。

失效的航天器数量很多,当这些失控的航天器互相碰撞,以及由于残余燃料爆炸等原因解体时,还会产生大量新的空间碎片,这些太空中飞速飞行的物体会对正常工作的航天器产生巨大威胁。在电视报道中,我们常能看到宇航员在飞船中轻轻飘舞,仿佛太空中的一切都是缓慢和轻柔的,这是一种错觉。宇航员之所以能在飞船中轻舞,是由于他和飞船在同一个轨道上,即具有相同的速度、高度和轨道角度。一旦轨道参数不同,两个不同轨道上的物体将存在巨大的相对速度,这种速度差值可能比飞行的子弹还要快得多,使得任何一小块碎片都可能具有彻底摧毁另一颗卫星的能量。2009年2月10日,俄罗斯已报废的宇宙-2251号卫星与美国的铱星33号卫星发生了碰撞,碰撞不仅损坏了正常工作的卫星,还产生了若干新的空间碎片。2013年5月,升空不足一个月的厄瓜多尔飞马座卫星与前苏联时期遗留的火箭残骸发生了擦碰,导致飞马座卫星太阳能电池板受损,卫星进入不受控的旋转状态,与地面失去了联系。

太空垃圾对航天器存在巨大威胁,因此各航天国家都对太空垃圾的处理方法进行了研究。解决太空垃圾最根本的办法是减少太空垃圾的产生,如对报废卫星进行受控坠毁处置以及将到达寿命末期的高轨道卫星移入墓地轨道等方法,都可有效减少大型太空垃圾的产生。此外,通过对使用完毕的运载火箭末级进行“钝化”处理——排除残余的燃料和气体,也可避免火箭残骸爆炸产生更多的空间碎片。对于已经形成的太空垃圾,在现有技术下进行回收和清理是困难的,且在经济上无法承受。因此,各国只能通过监控空间残骸的轨迹并调整正常工作航天器的轨道来实现对太空垃圾的规避。对于宇宙飞船、空间站等载人航天器,在设计时也会考虑微小太空物体撞击对航天器安全的影响。

太空垃圾问题的最终解决需要各国通力合作。如果太空遍布了太空垃圾,那么任何一国的航天器都无法安全飞行。因此,各国应尽可能地共享太空垃圾的轨道数据,从而最大限度地避免正常卫星与太空垃圾碰撞,进而避免产生更多新的太空碎片。更为关键的是,各航天国家需要正确处理政治军事矛盾,以免因为国家间的冲突加重太空环境的污染。美俄等具备先进太空技术的国家都拥有主动摧毁在轨航天器的能力,如果这些国家因为军事冲突对敌对国家航天器进行大规模的打击,可能在极短时间内产生大量空间碎片,而这些碎片又会与其它在轨物体碰撞产生连锁反应,最严重时有可能使人类丧失进入宇宙空间的能力。因此,各国需要在技术、政治、军事等方面都加强合作,才能保护我们的太空环境,维护我们共同的家园。(中国航天科工二院二部 卢天宇 工程师)

(责编:郝孟佳、熊旭)

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