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超7000噸太空碎片繞地球飛行 航天器空間安全如何保障

2017年01月13日 10:25:11  來源:科技日報(bào)
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  最近兩個(gè)多月里,天宮二號,神舟十一號,長征五號,一連串的太空發(fā)射活動(dòng),讓國人一次次抬起頭,仰望那一片深邃的星辰大海。

  為了保障出征太空勇士和航天器的星途坦蕩,不同領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員殫精竭慮,這其中,研究空間碎片監(jiān)測移除技術(shù)的專家同樣肩負(fù)重任。

  在神舟十一號飛船載著兩名航天員升入太空的三天后,40多位學(xué)者齊聚北京香山飯店,以“空間碎片監(jiān)測移除前沿技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展”為主題,進(jìn)行了為期兩天的研討。在這第573次香山科學(xué)會議上,“任重道遠(yuǎn)”是與會者提到最多的詞,可見星辰大海的征程漫漫,需要更多學(xué)科專家共同攻堅(jiān)克難。

  ——惡化——

  空間碎片數(shù)量急劇增長

  聯(lián)合國和平利用外層空間委員會(UNCOPOUS)和機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(IADC)對空間碎片的定義是:地球軌道上在軌運(yùn)行或再入大氣層的無功能的人造物體及其殘塊和組件。

  據(jù)介紹,從1957年第一顆人造地球衛(wèi)星升空以來,截至2015年底,人類共進(jìn)行了近5000余次航天器發(fā)射活動(dòng),把6700余顆航天器送入軌道。在所有發(fā)射的航天器中只有近一千多個(gè)航天器在有效服役,而其他的因喪失功能而變成了空間垃圾,不少已經(jīng)隕落。同時(shí),已發(fā)生過260余次在軌航天器或火箭解體/爆炸/撞擊(破碎)事件。它們產(chǎn)生了數(shù)量眾多的太空垃圾,形成了一個(gè)人為的外層空間環(huán)境——空間碎片環(huán)境。

  到2016年9月底,空間碎片總的質(zhì)量達(dá)到了7000噸。近地空間中,毫米級以上不同尺度的碎片數(shù)以億計(jì)。

  “更為緊迫的是,近年來,空間碎片的增長速度非?臁!北敬螘h執(zhí)行主席、中國空間技術(shù)研究院李明研究員在主題報(bào)告中介紹說,在低地球軌道區(qū)域,厘米級空間碎片由2005年的30萬個(gè)增長到2015年的50萬個(gè),年增長率達(dá)15%。根據(jù)美國空間碎片研究專家Kessler的研究結(jié)果,按照目前的碎片增長速度估算,如果不采取任何措施,未來70年后碎片數(shù)量將達(dá)到發(fā)生碎片鏈?zhǔn)阶矒粜?yīng)的臨界值,之后近地空間將徹底不可用。

  由于在軌衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加,使得空間碎片碰撞風(fēng)險(xiǎn)急劇上升。美國宇航局、歐洲空間局的統(tǒng)計(jì)研究均顯示:空間碎片撞擊占空間環(huán)境引發(fā)各類衛(wèi)星失效事件的比例也在逐步增長。

  ——趨勢——

  天基系統(tǒng)技術(shù)正當(dāng)時(shí)

  如此隱患巨大的太空垃圾,讓世界各國的科研機(jī)構(gòu)都在絞盡腦汁地尋找破解之路。

  目前,國際空間站專門加設(shè)防護(hù)層以應(yīng)對毫米級碎片的撞擊。多國航天機(jī)構(gòu)也要求發(fā)射入軌的運(yùn)載火箭末級和壽命末期的航天器需作鈍化處理,即排空剩余燃料,對蓄電池和其他有能量部件做失能處理,從而減少產(chǎn)生更多碎片的風(fēng)險(xiǎn)。

  美國具有國際上最為先進(jìn)和完善的空間碎片地基光學(xué)和雷達(dá)觀測手段,從2009年開始啟用陸基雷達(dá)陣組成“空間籬笆”,系統(tǒng)監(jiān)視空間碎片,這一系統(tǒng)正升級到第二代,最近幾年開始發(fā)展天基監(jiān)測手段。歐洲空間局和俄羅斯也各自組建了空間碎片監(jiān)測系統(tǒng),提供空間碎片跟蹤觀測和搜索發(fā)現(xiàn)、碎片編目及碎片特征探測、衛(wèi)星的碰撞預(yù)警、運(yùn)動(dòng)模型及軌道演化等服務(wù)。

  中國空間技術(shù)研究院總體部的潘騰研究員認(rèn)為,現(xiàn)有的空間碎片地基監(jiān)測手段無法達(dá)到對空域、時(shí)域的無縫覆蓋,不能達(dá)到全天域、全天候、全天時(shí)監(jiān)測。發(fā)展天基監(jiān)測技術(shù)是空間碎片跟蹤與監(jiān)視的大勢所趨,最終形成天地系統(tǒng)一體化、全天時(shí)、全天域、全天候、廣尺度、多手段對碎片的監(jiān)視能力。預(yù)計(jì)美國在2018年具備5厘米以上約10萬個(gè)空間碎片的監(jiān)測編目能力和空間事件的快速感知能力,低軌定位精度10米、高軌定位精度100米,可實(shí)時(shí)監(jiān)視重要空間碎片。

  除了監(jiān)測,空間碎片的移除技術(shù)也是各國研發(fā)的重點(diǎn)。據(jù)中國空間技術(shù)研究院總體部的譚春林研究員介紹,所謂主動(dòng)移除是指對地球低軌道上的碎片進(jìn)行降軌使其進(jìn)入大氣層燒毀,對地球同步軌道碎片使其升軌而進(jìn)入墳?zāi)管壍,從而達(dá)到保護(hù)在軌航天器不受碎片撞擊或大幅降低撞擊風(fēng)險(xiǎn)的目的。根據(jù)碎片尺寸大小的不同,目前實(shí)施的技術(shù)主要有機(jī)械臂抓捕、飛網(wǎng)捕捉、太陽帆和激光移除等多種方式。

  ——思路——

  系統(tǒng)優(yōu)化與頂層設(shè)計(jì)

  據(jù)了解,我國的空間碎片監(jiān)測在最近幾年有了較大發(fā)展。成立近一年的空間碎片監(jiān)測與應(yīng)用中心,已具備了在軌風(fēng)險(xiǎn)評估、航天器發(fā)射預(yù)警、空間物體安全再入、航天器解體分析、減緩評估、地球同步軌道軌位安全性分析、空間碎片環(huán)境評估等能力。

  另一方面,我國空間碎片主動(dòng)移除技術(shù)研究和國外幾乎同時(shí)起步,正在從概念研究向關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)過渡,并部分向天基技術(shù)驗(yàn)證轉(zhuǎn)移。但由于缺乏明確的項(xiàng)目計(jì)劃和工程牽引,無法常態(tài)化運(yùn)行,難于實(shí)施碎片環(huán)境治理任務(wù)。

  與會專家呼吁,對于這個(gè)關(guān)系我國太空探索權(quán)益和保障空間資產(chǎn)安全的重要領(lǐng)域,應(yīng)有全局和系統(tǒng)思想,超前謀劃,統(tǒng)一部署,并提出了發(fā)展“1個(gè)系統(tǒng)、2個(gè)平臺和3個(gè)產(chǎn)品”組成的空間碎片環(huán)境治理系統(tǒng)的發(fā)展思路,即“建設(shè)包括由天基空間碎片移除衛(wèi)星星座、天基空間碎片監(jiān)測衛(wèi)星、空間碎片移除中心組成的一個(gè)系統(tǒng);發(fā)展由空間碎片監(jiān)測移除技術(shù)集成地面試驗(yàn)平臺、空間碎片超高速撞擊效應(yīng)集成地面試驗(yàn)平臺組成的兩個(gè)平臺;研制空間碎片自主離軌通用化產(chǎn)品、空間碎片在軌感知通用化產(chǎn)品、航天器多功能防護(hù)結(jié)構(gòu)通用化產(chǎn)品構(gòu)成的三類產(chǎn)品”這樣一個(gè)發(fā)展思路,進(jìn)一步加大共性關(guān)鍵技術(shù)和科學(xué)問題研究的投入,盡早推動(dòng)空間碎片監(jiān)測與移除專項(xiàng)工程的立項(xiàng),加快空間驗(yàn)證等工程的實(shí)施,以期及早具備空間碎片全局監(jiān)測與移除的自主能力。

  ——國際——

  制定統(tǒng)一太空“交規(guī)”

  事實(shí)上,要真正解決太空垃圾難題,不僅要借助于技術(shù)手段,還需要國際社會協(xié)同合作,制定統(tǒng)一太空“交規(guī)”。在這方面,目前國際組織只是初步訂立了幾項(xiàng)原則,包括航天器到達(dá)設(shè)計(jì)壽命后,要離開有用軌道;對已編號的全部碎片,要進(jìn)行全程跟蹤等。由于涉及到的國際法比較復(fù)雜,這方面還有很長的路要走。

  據(jù)中國空間法學(xué)會的張振軍教授介紹,空間碎片主動(dòng)移除目前面臨不少法律障礙,依據(jù)現(xiàn)有的國際空間法,空間碎片盡管屬于有害物,但也并非可以自由進(jìn)行移除,未經(jīng)許可的移除可能侵犯登記國的管轄權(quán)或者所有權(quán),也會引發(fā)國際沖突及一連串法律后果。畢竟有能力移除空間碎片的國家,就有可能摘除別國的航天器,從而威脅太空安全秩序。這也在一定程度上制約著太空垃圾的清理。

  背景鏈接

  空間碎片對航天器造成可怕威脅

  1983年,“挑戰(zhàn)者號”航天飛機(jī)與一塊直徑0.2毫米的微小碎片相撞,導(dǎo)致舷窗被損,只得提前返回地球。

  1996年7月24日,法國CERISE衛(wèi)星與阿麗亞娜V型火箭殘骸相撞,導(dǎo)致該衛(wèi)星的重力梯度穩(wěn)定桿損壞,最終衛(wèi)星失穩(wěn)。

  2013年5月24日,厄瓜多爾“飛馬座”衛(wèi)星在印度洋上空與一枚由前蘇聯(lián)1985年發(fā)射升空的火箭燃料箱殘骸發(fā)生“側(cè)面撞擊”,導(dǎo)致衛(wèi)星壽命終結(jié)。

  國際空間站迄今為止為了躲避空間碎片撞擊進(jìn)行了24次機(jī)動(dòng)規(guī)避,每次規(guī)避消耗推進(jìn)劑約30公斤。

  ……

  近年來空間碰撞事件頻發(fā),國際上為躲避碎片撞擊而進(jìn)行的衛(wèi)星機(jī)動(dòng)規(guī)避已達(dá)每年30余次,而因碎片撞擊而導(dǎo)致的衛(wèi)星異;蚴录灿卸嗥鸢l(fā)生。

  李明研究員介紹說,在距地面2000公里內(nèi)的人類使用最頻繁的低地球軌道(LEO)上,空間碎片一旦與航天器發(fā)生撞擊,平均撞擊速度將達(dá)10km/s?臻g碎片與航天器撞擊產(chǎn)生極高壓強(qiáng),毫米級以上尺度的碎片會穿透航天器表面,并形成高速碎片云,破壞內(nèi)部的器件和系統(tǒng),輕則導(dǎo)致航天器表面性能衰退功能喪失,重則對結(jié)構(gòu)和載荷造成嚴(yán)重?fù)p傷甚至使整個(gè)航天器徹底爆炸解體,對航天器安全和航天員生命造成巨大潛在威脅。而墜入大氣層的大尺度空間碎片,隕落時(shí)可能有部分質(zhì)量未完全燒毀分解,也會對地面安全造成威脅。文·本報(bào)記者 游雪晴

[責(zé)任編輯:郭碧娟]

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