激光大战太空垃圾:让其减速 最终跌入大气层


1957年10月,人类第一颗人造地球卫星从前苏联拜科努尔基地升入太空,奏响了人类征服太空的序曲。自此,一批又一批火箭将人造卫星送上太空。五十多年过去了,除了载人航天飞行器最后回到地球,其他上天的人造物体都围绕地球运动着。那些曾经辉煌过的“金属体”,伴随着使命的结束,被遗弃在太空,变成了金属碎片,最终成为“太空垃圾”的一部分。
2008年,欧洲航天局地面控制中心公布的电脑模拟图像显示,“太空垃圾”已经让地球上空成了一个垃圾场。如何清理太空垃圾,成为人类接下来的研究重点。
激光加入回收太空垃圾的行列
3月11日,新加坡《联合早报》报道,澳大利亚一组科学家正在研究从地球发射激光,来分解绕着地球旋转的太空垃圾,以减少这些碎片可能会引发的一系列卫星撞击事件。澳大利亚国立大学天文与天体物理学研究院院长克莱思在接受采访时表示,这项工程非常可能成为现实,相关设备可能在10年内运作。
“澳大利亚用激光回收垃圾的做法,应该就是通过激光让太空垃圾减速,最终让它跌入大气层。”中国科学院空间中心研究员都亨在接受《中国科学报》记者采访时分析道,“目前人类回收太空垃圾的方法几乎都是先令其减速,然后重新坠入大气层。这样太空垃圾会在坠落过程中烧毁,不会对地面产生太大的影响。”
其实,澳大利亚并不是最早开始希望用激光回收太空垃圾的国家,美国也曾在2011年设想使用激光去推动这些碎片,使其偏离轨道,从而避免它们相互之间发生碰撞。“太空垃圾有大有小,重量从几十到几百公斤不等。所以回收的手段也不尽相同。”都亨说,“有些可以用机械手臂抓住,有些则需要被网住,最终被送回大气层。”
太空中的潜在杀手
随着太空垃圾的增多,人类航天活动也随之受到威胁。2005年1月17日,NASA忧心忡忡地公布,南极上空885公里,发生了一起看似偶然的“宇宙交通事故”——一块31年前发射的,美国雷神火箭推进器遗弃物,与中国发射的长征四号火箭碎片相撞。2013年5月,厄瓜多尔唯一一枚卫星在升空后不足一个月,就与太空中火箭残骸相撞失灵。这些都提醒着人们,太空垃圾对航天安全日益严重的威胁。
人们最早发现太空垃圾是在20多年前,加拿大某气象台宣布,发现英仙星座附近有星体爆炸。后来才弄清楚,这不过是一颗废弃人造卫星在太阳光反射下造成的效果。
不仅在外太空,人类的生活也慢慢受到了太空垃圾的影响。“由于地球外层大气的减速作用,每年都会有一部分太空碎片落入地球大气层。只是大部分都在坠落的过程中烧毁了,所以人们没有发觉。”都亨说。但是这并不代表太空垃圾没有威胁到人类的日常生活。
湖南省绥宁县就曾经迎来天外的“不速来客”,据媒体报道,2012年3月31日,“亚太7号”通信卫星“长征三号乙”运载火箭一级残骸钢架打断一低压线后,打破一民房屋顶的瓦片,坠落于绥宁县黄土矿乡牛栏冲村水田里,另外一片残骸则坠落于田基上。无独有偶,在英国,一块重达1.8公斤的金属从天而降,砸穿了一对老夫妇的房顶,所幸的是没有造成人员伤亡。
但是,这些还不是太空垃圾最可怕之处。“凯斯勒症候群”(KesslerSyndrome)才真正令太空垃圾引起航天学者的重视。1978年,一位美国宇航局的天文学家唐•凯斯勒提出了一个令人沮丧的观点:随着太空撞击事件的增加,新生出大量碎片。迟早有一天地球大气销毁太空垃圾的速度将跟不上太空垃圾的增长速度。那样一来,地球外围空间就会出现一层永久性的“太空垃圾云”,从而使得太空环境变得非常危险,无法进行航天活动。这种理论就被称为“凯斯勒症候群”。
试想一下,这些太空垃圾以6~7公里/秒的速度飞行,他们隐藏着巨大的杀伤力:一块10克重的太空垃圾撞上卫星,就相当于两辆100公里/时的小汽车相撞,卫星会在1.5秒内被打穿或被直接击毁。而且每一次太空垃圾的相互碰撞不会互相湮灭,而会产生更多的碎片,再次增加太空垃圾的数量。
回收难在何处
为此,人类自很早以前已经在思考如何回收这些太空垃圾,并提出各种构想,可惜的是,这些构想一直止步于理论,并没有国家真正实践。“回收太空垃圾成本太高,几乎和发射一枚人造卫星的花费一样多。”都亨解释说,“考虑到成本,如果卫星损坏,只是其中部分零件需要更换便可再次应用,那么回收就是值得的。如果卫星已经全部报废,那么回收就没有太大意义了。”不过,这只是太空垃圾回收难点之一。另外一层隐忧是,有些国家担心有人以回收太空垃圾为由,向他国的航天器进行攻击,因此对于哪个国家执行回收任务以及具体方法,各国并没有达成协议。
而与花费高额的太空垃圾回收费用相比,有科学家主张在避免产生太空垃圾上下功夫。比如,在卫星上加装一个廉价的折叠式气球,一旦卫星寿终正寝时,气球内便会充满氦气或其他气体。当气球与地球的大气层外稀薄的大气接触时就形成额外的阻力,降低卫星速度,从而缩小卫星轨道半径,让其坠入大气层。或者卫星上天时带一根由特殊材料制成的绳子,长约5公里左右,卫星失效后可以控制它释放,绳子将切割地球磁力线并导电,进而在地磁场的作用下产生下拉作用,将卫星在短期内拖入地球大气层烧毁。不过,到底哪些方法有效,还需要实践证明。
延伸阅读
清理太空垃圾的奇思妙想
太空弹弓
为了节省燃料,美国得州农工大学提出“弹弓卫星太空清扫器”,能够捕获太空垃圾,再将太空垃圾投向地球大气层燃烧,之后使用动量航行至下一个太空残骸目标进行清除。
立方太阳帆
英国提议建造“立方太阳帆”,即使用小型人造卫星带动太阳帆捕获太空残骸至低轨道。最初计划于2011年实施,但目前该计划仍在筹划之中。
电动系链
2014年初,日本宇宙航空研究开发机构提议“电动系链”策略来有效消除太空残骸,电动系链的电流可以减缓人造卫星碎片或者太空垃圾的速度。减速的人造卫星碎片将逐渐降落至地面,燃烧殆尽。
脱轨任务
该太空任务是2014年初提出的,旨在搜寻并清除轨道高度为800~1000公里极轨道区域的废弃人造卫星残骸,欧洲宇航局拟发射一个“太空捕捉器”,通过“织女星”火箭发射,重量为1.6吨。
太空垃圾处理器
目前,美国一家航天公司提出一个叫作“太空牧羊犬”的设想,它能够利用太空动力使太空垃圾得到较好的处理。这个设想是使用一种可重复使用的太阳能航空器来清理太空垃圾。太阳能航空器利用太阳能电池板充电后,它上面的电流与地球磁场相互作用,产生推动太空垃圾的动力,太空垃圾也就进入大气层被烧成灰了。


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