11月16日,俄罗斯国防部发布声明,俄军方15日成功进行一次太空试验,发射DA-ASAT导弹撞毁了苏联Kosmos-1408号卫星。该卫星质量2.2吨,其轨道高度在645-679千米、倾角82.5°。爆炸产生了一千五百多块可追踪的轨道碎片,以及数十万个在轨的较小碎片。不过由于是直上式撞击,绝大部分碎片目前处于450千米-500千米轨道范围内,不会下落到四百公里的空间站轨道,但不排除有少部分侵入空间站轨道,进而造成威胁。根据最新消息,目前国际空间站和中国空间站的正常运行暂时没有受到较大影响。
我国的天和一号核心舱比国际空间站的轨道要低30千米,因此相较于处在400千米高度的国际空间站,我们离碎片轨道距离更远,受到波及的概率更低。不过,随着碎片云不断扩散,天和一号核心舱面临的风险也会不断增大。然而早在11月7日,核心舱里的三位中国航天员便对可能遭遇的碰撞事故进行了紧急撤离演练。结合后来的事情看,颇为耐人寻味。
撇开这次事件背后的政治交锋不谈,其实我们头上这片星空早已不是什么净土。自1957年10月4日苏联成功发射人类第一颗卫星以来,截止2021年的最新数据,目前在轨卫星(包括运行与非运行状态)超过七千颗。至于围绕地球转动的人造空间碎片,根据美国洲际导弹防御系统雷达网公开的检测数据,估计总共有1亿多块,尺寸有大有小,从毫米级、厘米级到米级以上不等。大于10厘米的约2万9千块,最大的甚至长达十几米;在1-10厘米之间的有75万个;毫米级的有1.66亿个。
*目前太空垃圾全球分布图,红色的就是地球静止轨道上的正常工作卫星
这些太空垃圾的来源主要有以下几种,第一类来源是航天发射活动中抛弃的多余负重,比如火箭助推器、载人火箭的逃逸塔、整流罩和未烧完的燃料等,在发射十余分钟后就将变成潜在的太空垃圾。虽然它们绝大部分都会落回地球,但是也会有少量因为各种情况留在太空中。
第二类来源是寿终正寝的卫星们。由于目前的技术限制,寿命最长的通讯卫星也仅能使用10-15年,一旦无法继续工作,它们就将留在轨道成为太空垃圾。
第三类来源是太空垃圾碰撞出的新太空垃圾。可以把这些太空垃圾想象成两块装在盆里的酥饼,不断碰撞,大块变小,小块变得更小,预计每年近地轨道太空垃圾净增长5%左右。
第四类来源是导弹反卫星实验。此次俄罗斯军方击毁废弃卫星造成的太空垃圾便是属于这一类。
近地轨道太空垃圾与航天器的相对速度大约10千米/秒,在这样的速度下,一个花生大小的太空垃圾撞击航天器时,其毁伤作用相当于子弹的100倍,很容易击穿航天器。2016年4月,一块极小的太空垃圾碎片击中了国际空间站上的Cupola对地观景台玻璃,造成了一个直径7毫米的裂纹。
*宇航员在Cupola对地观景台吹奏《马赛曲》
不过,稍微让人安心一些的是,尽管太空垃圾数量庞大,十分危险,但地球上空几百到上万公里的轨道空间还是十分广阔的,与太空垃圾相撞的概率并不大。而且各个航天大国对较大的太空垃圾的运行轨道都有监控,在航天发射及选择卫星的轨道时会主动避开这些太空垃圾的轨道。
*《地心引力》剧照
在2013年上映的科幻电影《地心引力》中便在大银幕上呈现了这些飘浮在太空中的碎片对其他在轨太空飞行器造成的巨大威胁。片中,太空碎片如同一场金属雨席卷空间站,正在舱外进行维修作业的宇航员立刻变成了在枪林弹雨里穿梭的士兵,很快便有宇航员被碎片击中,差点儿直接被冲击力带入无边黑暗的太空中。影片最后,原本三人的宇航员团队也只有桑德拉·布洛克饰演的女主角斯通博士一人得以幸存。
*片中宇航员被太空垃圾袭击
值得注意的是,片中没有直接出场的中国航天人们的表现堪称教科书级,在得到卫星爆炸、太空碎片即将袭击天宫一号空间站的消息之后立刻撤离了空间站里的宇航员,并且遥控天宫一号下降高度以避开太空碎片的袭击路线,这才为斯通博士留下了赖以逃出生天的“生命之舟”。
撤离人员和调整轨道也是现实中面临太空碎片袭击时能够采用的方法。那么有什么办法能够清理这些太空垃圾,避免影片中的危险情况发生呢?
目前处理太空垃圾的方式比较有限,主要分为自然移除和人为移除两种。自然移除主要是指太空垃圾自行进入大气层烧毁、陨落等。太阳每11-13年循环一次的活动周期对环地轨道的影响非常大,当太阳活动很强时,环地轨道上的太空垃圾很容易被地球引力或大气层影响,自行坠入大气层烧毁。
人为移除方面,各国航空航天专家提出了很多种方案。比如采用再一次航天发射的方式将一个乃至很多小型推进装置安装到废弃的大型卫星上,将它们推回大气销毁;也有采用安装太阳反射帆的方式,让太阳风将它们逐渐吹离轨道甚至吹入大气。更为有效,而且也已经被验证的方案就是直接捕获太空垃圾。
2003年播出的科幻动画剧集《星空清理者》便是一部描述人类清理太空垃圾的硬核向作品。之所以强调这篇作品的硬核,是因为原作漫画获得了2002年日本科幻星云赏,在动画制作过程中也邀请了JAXA(航空研究开发机构)的协助。另外,在2005年,《星空清理者》动画版同样获得了星云赏。漫画和改编动画双双获奖足以证明这部剧集的质量之优秀。
田名部爱是一个刚刚进入宇宙工作的新人,她怀着满腔热情加入了Technora公司的残骸课,肩负太空垃圾的清除及收集任务,在地球及月球轨道上进行垃圾清理的工作。奇奇怪怪、吊儿郎当的同事,以及辛苦却只有微薄回报的工作犹如当头一棒,理想和现实之间的差距虽然让田名部爱深受打击,但也逐渐开始了解残骸回收工作,并逐渐融入残骸课。
其中有一个情节令人印象非常深刻,某次舱外作业回收一个为了纪念某个小国家和平而发射到太空中的纪念碑,然而这个国家的战火却仍然没有平息,男主在回收时多待了15分钟,返回后面对队友的询问,他的解释是超时作业有补贴,所以多待了时间。其实真相是他为了等那个纪念碑的残骸能够划过那个小国的天空才多等了时间。
在《星空清理者》中,残骸课驾驶太空拖船,类似垃圾回收车,走到哪儿收到哪儿,利用各种工具,将经过的太空垃圾捕获并回收。这也是目前科学家们设想的最有可能实现的清理方式,除此之外还有研制专用机械臂,对废弃的卫星进行抓取;或者利用太空渔网捕获太空垃圾。我国科学家也在研究把回收船与废弃卫星用导电绳子连接,并通过绳子给卫星充电,然后由带电的绳子切割地球磁场的磁力线产生的拖力,使卫星轨道下降,从而实现离轨。
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