“太空垃圾與“太空籬笆”

陳亦凡

【摘 要】探索和利用太空資源是人類共同的心愿，人類在探索和利用太空資源的同時，也給太空環(huán)境帶來了改變，有些改變甚至給人類的探索活動本身帶來了不利影響。本文通過介紹“太空垃圾”的產(chǎn)生原因說明人類給太空帶來的影響，通過討論“太空籬笆”的技術(shù)原理說明人類在治理太空環(huán)境方面付出的努力。

【關(guān)鍵詞】太空垃圾；太空籬笆；太空資源

中圖分類號： X738 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0291-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.132

【Abstract】Exploring and utilizing space resources is a wish of common mankind.However，human space activities has changed the space environment.Some activities even impeded mankind from the objective of exploring and utilizing space resources.In this paper，the causes of "space junk" is introduced，to show the bad impacts of humans activities on space environment.Also，the“space fence” technology is described to illustrate the efforts made by mankind in harnessing the space environment.

【Key words】Space Junk；Space fence；Space resources

1 太空垃圾

當(dāng)你在夜晚仰望星空，看到星光閃閃，是否能夠想到其中一些閃閃發(fā)光的并不是星球而是一些太空垃圾。自從人類發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星，至今已有60多年的時間，空間技術(shù)取得飛速發(fā)展的同時，人類的空間活動也制造了數(shù)以億計的空間碎片，也俗稱為太空垃圾?？臻g碎片的幾種來源包括：壽命到期的衛(wèi)星、運載火箭末級、衛(wèi)星星體自然解體碎片等，另外，航天員在太空活動時不慎遺失的工具、零部件、防護(hù)用品等物品也可成為空間碎片；截至2017年10月，人類能夠觀測到的空間碎片數(shù)量達(dá)到2萬多個，對人類的航天活動造成的影響越來越大?？臻g碎片的巨大破壞力源于其速度，1g空間碎片的能量相當(dāng)于24g炸藥爆炸時釋放的能量。因此，空間碎片對航天活動的威脅不容忽視，2009年2月10日美國1997年發(fā)射的一顆銥星，與俄羅斯一顆報廢衛(wèi)星相撞，導(dǎo)致銥星失去功能，嚴(yán)重影響了美銥星衛(wèi)星通信系統(tǒng)的正常工作。另外，若空間碎片的數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模，有可能因“連鎖”反應(yīng)產(chǎn)生“雪崩”效應(yīng)，導(dǎo)致碎片數(shù)量急劇增加，近地空間完全失去使用價值，使太空探索活動徹底無法進(jìn)行。

2 太空籬笆與太空環(huán)境治理

對于在軌的空間碎片，人類也不是毫無辦法，為了減少空間碎片危害，保護(hù)在軌航天器正常運行的對策主要有三：空間避碰、碰撞防護(hù)和碎片控制。

空間避碰通過精確計算航天器和空間碎片的運行軌道，預(yù)測它們之間在未來某個時刻的交會距離，當(dāng)交會距離小于某個閾值時，通過改變航天器運行軌道，規(guī)避空間碎片，避免碰撞。

碰撞防護(hù)是指通過在航天器表面敷著特殊材料，給航天器“披甲戴盔”，或者通過設(shè)計將航天器經(jīng)不起撞擊的脆弱部件安置在不易被撞擊的部位，以避免毫米級和微米級空間微小碎片的撞擊。

碎片控制是指一是限制空間碎片的產(chǎn)生，通過國際協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)立空間活動章程，規(guī)范人類的太空活動，減少因違章操作產(chǎn)生空間碎片的機(jī)會，例如，禁止航天員在太空出倉活動中隨意丟棄物品于太空；二是實施高價值軌道保護(hù)策略，保護(hù)太空活動最具價值的空間軌道，減少對航天器的威脅，即在高、中、低軌道都指定一些利用價值不大的軌道，用作報廢航天器的“垃圾場”，在航天器工作壽命即將結(jié)束時，利用剩余的推進(jìn)動力將航天器推進(jìn)到最近的“垃圾場”；三是清除已有的空間碎片，清除方法包括被動清除和主動清除，被動清除方法是指使用衛(wèi)星上的相關(guān)裝置產(chǎn)生氣動阻力，迫使衛(wèi)星提早離軌，并最終墜入大氣層燒毀；主動清除方法是指利用衛(wèi)星向空間碎片噴射發(fā)泡液體，從而增加空間碎片的面積質(zhì)量比，提高空間碎片空氣阻力，最終導(dǎo)致空間碎片提早離軌，墜入大氣層燒毀，或者利用空間機(jī)器人抓捕空間碎片，例如，日本試驗成功了利用金屬網(wǎng)捕獲空間碎片的方法，即利用金屬絲制成巨大的捕捉網(wǎng)，直徑可達(dá)幾百米到幾千米，當(dāng)衛(wèi)星飛行任務(wù)完成后，根據(jù)地面站指令打開衛(wèi)星上的捕捉網(wǎng)開始捕獲空間碎片，該方法特別適合捕獲近地軌道上直徑小于10cm的空間碎片，完成碎片捕獲任務(wù)后，衛(wèi)星向金屬網(wǎng)通電，從而與地磁場產(chǎn)生相互作用，產(chǎn)生制動力，使衛(wèi)星離軌。

為了實現(xiàn)空間避碰和清除空間碎片，就需要準(zhǔn)確預(yù)測航天器的空間的位置，為此人們構(gòu)建了電磁籬笆系統(tǒng)，如圖1所示，實際上電磁籬笆是由地面多部工作于S波段和VHF波段雷達(dá)發(fā)射的電磁波在太空中形成的一道“屏障”，當(dāng)有空間物體穿越電磁籬笆屏?xí)r，根據(jù)物體穿越不同電磁屏之間的時間間隔和穿越位置就可以確定物體的飛行軌道，即確定空間目標(biāo)的飛行軌跡。太空籬笆就像天眼一樣時刻觀測著空間碎片的行動軌跡和狀態(tài)，未來人類對空間碎片的監(jiān)視能力將達(dá)到20萬個目標(biāo)，顯著提升人類太空活動的保障能力。

3 結(jié)論

不斷地探索和利用太空是人類的天性，我們有理由相信只要人類能夠正確地規(guī)范自己的太空活動，盡可能少地改變太空的原始環(huán)境，同時積極利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)恢復(fù)已受到影響的太空環(huán)境，人類與太空就能夠和諧相處，并能充分利用太空資源。

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