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2021年09月27日12:04

  空間碎片是指地球軌道上或再入大氣層的一切已失效人造物體,包括其碎塊或部件,俗稱“太空垃圾”。

  (圖片來源:ESA)

  Part.1

  空間碎片何處來?

  空間碎片是人類航天活動的產物。空間碎片的定義非常嚴格,是指地球軌道上或再入大氣層的一切已失效人造物體,包括其碎塊或部件,俗稱“太空垃圾”。空間碎片的構成主要包括:失效航天器、火箭殘骸、操作性碎片、解體碎片(指由前三類物體在軌運行過程中爆炸或碰撞產生的碎片)。

  (版權:NASA)

  越是衛星密集的軌道,空間碎片數量越多。高度2000公里以下的低地球軌道和36000公里附近的地球同步軌道是空間碎片的最為密集的區域。從數量上看,在當前所有地球周圍的空間物體中,解體碎片佔比多達60%;火箭殘骸佔比8%;操作性碎片佔比8%;失效航天器佔比12%;另外一些還有異常碎片佔比2%。工作的航天器只占了一點點,大概10%。經觀測分析,目前已經知道的大於10釐米的空間碎片大約有2.3萬個,可能還有6000-7000個沒有看到或追蹤到,總數在3萬個左右;1釐米到10釐米之間的碎片據估計有90萬個;毫米級的碎片大概有1億多。

  Part.2

  躲避空間碎片

  在太空中,空間碎片運行速度接近第一宇宙速度(7.9km/s),是狙擊槍子彈最大出膛速度的幾倍。一旦空間碎片與航天器發生碰撞,輕則導致航天器表面磨損、功能失效,重則導致航天器的在軌解體,甚至對航天員的人身安全構成威脅。如何躲避空間碎片是航天器空間飛行面臨的一個非常嚴峻的問題。

  對航天器開展碰撞預警,避免其遭受大碎片碰撞,可以提高航天器空間飛行的安全性。碰撞預警包含發射預警和在軌預警兩個階段工作。發射預警是預測發射之後短期內有沒有碎片和航天器未來可能去的軌道、位置有危險的交會,一旦發現危險,通過改變發射時間來躲避碰撞。在軌預警是指預測穩定運行的航天器在未來一段時間內是否與空間碎片存在危險交會,一般通過控制航天器進行軌道機動規避來躲避危險交會碎片。在軌機動規避的方式有兩種:一種是改變航天器到達與碎片軌道交會點的時間,避免碰撞的發生;另一種是抬高或者降低航天器的軌道,使得變軌後的軌道與原定交會點有高度差,從而規避碰撞。

  1998年奮進號航天飛機執行任務期間拍攝到的疑似空間碎片。

  (版權:NASA)

  主要航天國家和國際組織都會對所屬重點航天器執行碰撞預警和機動規避。截至2020年,國際空間站已執行規避危險碎片操作28次,其中僅2020年就有3次。歐洲空間局(ESA)平均每顆低軌衛星每年需執行兩次避碰操作。我國神舟五號飛船開始,發射預警和在軌預警已經成為常態化的事情。隨著空間碎片環境的不斷惡化,航天器碰撞預警需求將急劇增加。

  Part.3

  清除空間碎片

  隨著航天活動的蓬勃發展,如不加以治理,空間碎片環境將快速惡化。在軌空間碎片大量累積將導致航天器運行風險隨之增加,甚至造成軌道空間無法利用。

  為維護外空活動的長期可持續發展,需要採取主動措施從地球軌道上移除一些對空間碎片環境長期演化有較大影響的空間碎片。目前,空間碎片主動清除的方式主要可以分為兩類:一類是接觸式的,如機械臂抓,網捕等;另一類是非接觸式的,如激光推移、離子束推移等。不管何種方法,其目的都是讓碎片離開當前軌道,避免再次與其他在軌碎片發生碰撞。國際上目前已經開展了一些概念研究和初步的演示驗證實驗。

  1993年,NASA提出利用地基脈衝激光器清除近地軌道垃圾的“獵戶座”(ORION)計劃。該計劃擬採用地基激光清除空間碎片,以減緩空間碎片對載人航天的威脅。後期該計劃將重點轉移至在軌的激光清除。

  2013年,英國薩里太空中心聯合歐洲多家研究機構,在歐盟第七框架計劃(FP7)資助下,啟動“空間碎片移除”計劃。2018年6月,試驗衛星“Remove DEBRIS”脫離空間站開始入軌運行。該計劃演示了空間目標的網捕、魚叉清除過程,以及碎片在軌跟蹤技術。

  2018年9月,試驗衛星成功網捕用於模擬空間碎片的立方體衛星;同年10月,試驗衛星星載探測設備對立方體衛星的旋轉和移動進行跟蹤。2019年2月,試驗衛星的“魚叉”成功撞擊並擊穿目標面板,驗證了其抓捕空間碎片的能力。

  2018年9月,空間碎片移除計劃(Remove DEBRIS)的試驗衛星,成功網捕用於模擬空間碎片的立方體衛星。

  (版權:NASA)

  2019年12月,ESA委託瑞士初創公司“清潔太空”(Clear Space)計劃已於2020年3月啟動,並將於2025年發射航天器清理ESA位於軌道上一塊碎片——織女星火箭二次有效載荷適配器(Vespa)。

  近年來,我國在空間碎片主動清除方面也取得了長足發展。2016年6月,我國發射自主研製的“遨龍一號”空間碎片主動清除飛行器,開展了空間碎片探測、識別、跟蹤與操作等在軌演示驗證試驗,為後續開展空間碎片主動清除創造了基本條件。

  2016年6月我國發射自主研製的“遨龍一號”空間碎片主動清除飛行器工作示意圖。

  作者簡介:

  江海,博士,中國科學院國家天文台空間碎片監測預警和應用研究團組高級工程師,中國科學院大學碩士生導師。長期從事空間碎片監測及數據處理技術研究,發表相關論文40餘篇,獲得發明專利多項,合作出版空間碎片相關專著1部。

  王東方,博士。現任中國科學院國家天文台空間碎片監測預警和應用研究團組工程師。主要從事空間碎片環境模型建模技術研究、航天器防護、航天器碰撞預警等研究。發表相關論文20餘篇。

  來源:中國國家天文

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