太空垃圾,地球的垃圾环。

释放双眼,带上耳机,听听看~!

我们都知道太阳系内的八大行星中四颗气体行星,木星、土星、天王星、海王星都有自己的光环,而四颗类地行星,水星、金星、火星以及我们的母星——地球都是没有光环的。

地球没有自然的光环却有人造的垃圾环!

自苏联发射人类第一颗人造卫星斯普特尼克1号以来,全世界各国一共执行了超过4000次以上的发射任务,每一次都会产生大量的太空垃圾。

太空垃圾

太空垃圾是指在绕地球轨道上运行,但不具备任何用途的各种人造物体。这些物体小到固态火箭的燃烧残渣,大到在发射后被遗弃的多节火箭。它们有撞击其它航天器的风险,某些太空垃圾在返回大气层时也会对地面安全造成威胁。

由于太空垃圾以轨道速度运行,动能巨大(每秒7km以上),若与它们相撞可能会严重损坏尚在运作的航天器,甚至威胁到宇航员在舱外活动时的生命安全。随着太空探索的推进,太空垃圾的数量逐年递增,所带来的问题日益严重,受到关注。

产生原因

人为散布

美国在20世纪60年代曾经执行过西福特计划,将4亿3000万根 铜制偶极天线(全长1.78厘米,直径25.4微米(1961年)/17.8微米(1963年)的针状物)散布在轨道上形成云状环,从而反射无线电信号以便海外的美军能更好地与本国联系。本计划散布的针状物分布于高度在3500公里到3800公里之间,轨道倾角在96度到87度之间的轨道范围,最终成为了太空垃圾 。根据当时美国联合国大使阿德莱·史蒂文森的说法,在太阳辐射压力的作用下,这些针将会在短短3年内离开轨道。但事实上直到现在仍有相当数目的针残留在轨道上, 偶然才会返回大气层

已报废卫星与用后的火箭

大部分第一节都会自然落入大气烧毁,而后面级若能达到入轨高度,一般则会进行反推来回收(早期版本的火箭可能不会拥有此功能),不过少部分情况下,会因为引擎突然爆炸或是零组件遗落、燃料估算错误而导致最终可能无法进行所谓可操作坠毁的过程。另外,虽然很多卫星达使用寿命后都会透过变轨来碰撞大气自毁,但除了高轨道卫星动能庞大、难以坠毁之外,有时候老旧卫星操作也会遇到不可预期的问题而失控。而这是目前大型垃圾的主要来源,如“高层大气研究卫星”(UARS)、尖兵1号人造卫星。

遗失的器材

在Edward Tufte所著的书籍《Envisioning Information》中提及到现存的太空垃圾当中也包括一只太空人爱德华·怀特在进行舱外活动时遗失的手套;迈克尔·科林斯在双子星座10号任务期间遗失的摄影机及和平号空间站运作15年间弃掉的垃圾袋、一个扳手和一支牙刷。参与STS-116的苏尼特·威廉斯在一次舱外活动期间也丢失了一个摄影机。STS120的工作人员在维修国际空间站上一块太阳能电池板时遗失一对钳,在STS-126中一名太空人进行舱外活动时丢失了一个与公文包大小相约的工具包。

 

在STS-126中丢失的工具包(画面正中)。

反卫星武器

美国与前苏联在60至70年代所进行的一系列反卫星武器试验为太空垃圾的主要来源之一。在理解到太空垃圾的问题与及其严重性后,大部分反卫星武器计划及其试验皆被终止。当时美国唯一一个能够运作的反卫星武器“437号计划”亦于1975年正式关闭。

美国在80年代重新启动反卫星武器计划,与渥特(Vought)公司签约研发出ASM-135反卫星导弹,并在1985年进行实验击毁了一个环绕地球525公里重2200磅的卫星,制造了上千颗大于1厘米的太空垃圾。所幸由于实验在较为低的轨道上进行,大部分的碎片被重力牵引并在大气层内燃烧殆尽。

中国在2007年进行的反卫星试验估计共造成了2300件以上(2007年12月13日的数据显示)的可被追踪的(尺寸大于高尔夫球)、35000多片大于1厘米的和100多万个大于1毫米的太空垃圾。由于在目标卫星的轨道高度大气阻力非常小,这些太空垃圾将在轨道上运行数十年后才能被逐渐耗尽。

危险性

太空垃圾一般在高300-450公里的近地轨道上以每秒7-8公里,而在36000公里高度的地球静止轨道上则以每秒3公里的速度高速运动,根据轨道倾角碰撞时的相对速度甚至可以达到每秒10公里以上,因此具有巨大的破坏力。因此太空垃圾若与运作中的人造卫星、载人飞船或国际空间站相撞,会危及到设备甚至宇航员的生命,据计算一块直径为10厘米的太空垃圾就可以将航天器完全摧毁,数毫米大小的太空垃圾就有可能使它们无法继续工作。而太空垃圾也因此成为了国际问题。

最近发生的太空垃圾碰撞事件

今年3月,美國太空部隊第18太空控制中隊(SPCS)發現中國衛星「雲海一號02星」在軌道解體,共計裂成21個碎片,原因不明。現在根據哈佛天體物理學家 Jonathan McDowell 調查結果,發現這顆衛星毀於太空垃圾重擊。可惜它升空還不到2年。

雲海一號是中國研發用於大氣海洋環境探測、空間環境探測、防災和科學試驗等目的的一系列衛星,2016年發射首顆衛星「雲海一號 01星」,2019 年再發射第二顆衛星「雲海一號02星」。

然而今年3月18日,發射入軌僅一年半的雲海一號02星被美國第18太空控制中隊發現解體殘骸。

現在Jonathan McDowell 調查表明,雲海一號02星極可能被軌道一塊太空垃圾重擊,後者來自1996年9月發射俄羅斯Tselina-2 間諜衛星的Zenit-2火箭,碎片編號48078今年3月才新增至太空垃圾目錄,約10~50公分寬。

3月18日美東時間凌晨3點41分左右,雲海一號02星和碎片相距不到1公里,因此Jonathan McDowell合理懷疑雲海一號02星就是被這塊碎片擊中。

衛星碰撞機率與軌道上物體數量的平方成正比,隨著軌道衛星分布密度增加,碰撞是必然的結果。據歐洲太空總署計算,目前約有 90 萬個1~10 公分、1.28 億個 0.1~1 公分的太空垃圾在軌道上呼嘯而過,隨著未來大量通訊衛星發射升空,碎片量也會暴增。

笔者观点

太空垃圾日益增加的问题必须尽快解决,否则会增加得更迅速。如果各国不重视及尽快清除太空垃圾,太空垃圾碰撞案会越来越频繁,并创造出更多更多新的太空垃圾。最终会造成太空垃圾布满近地轨道,令人类在数百年内无法进行太空探索甚至使用人造卫星。这等于锁死科学的发展:卫星定位失效、通讯出现问题……把人类困在地球。

 

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