近地軌道變成太空垃圾場,有通用萬能的清理方案嗎?

北京時間6月1日消息,據國外媒體報道,儘管有很好的技術演示,但對於日益嚴峻的軌道垃圾處理問題,並沒有一個萬能的解決方案。一場太空時代的“共同悲劇”就在我們的眼皮之下悄然發生,或者確切地講,就在我們的頭頂之上正在進行着,然而研究人員對於如何阻止它,還沒有達成共識。

半個多世紀以來,人類向近地軌道拋擲物體的數量越來越多,近地軌道現已變成一個以地球為中心的太空垃圾場,在這個日益擁擠的太空領域,各國對太空發射的限制條件很低,多數國家的態度一直保持寬容——在近地軌道上,似乎總是有空間可以發射航天器。

近地軌道變成太空垃圾場,有通用萬能的清理方案嗎?

在經歷幾十年的航天領域高速發展之後,近地軌道殘留了許多廢棄的火箭推進器,太空中漂浮着螺栓和油漆碎片,固體火箭發動機殘骸,報廢或即將報廢的人造衛星,以及反衛星測試散落的碎片,所以這些都可能對正在運行的航天器構成威脅,最近該現象會惡性循環,導致近地軌道變得過於擁擠,航天器存在更大的安全危機。

不斷發射人造衛星,碰撞風險日益增大

當前近地軌道可能變得更加糟糕,因為數以千計的人造衛星即將升空,例如:SpaceX公司的“星鏈”,它將構建一個寬帶互聯網系統,“星鏈”僅是眾多類似項目中的一個,另一個名為“OneWeb”的大型星座項目現在部署之中,亞馬遜公司的“柯伊伯項目”正在尋求不久的將來創建一個由3200顆人造衛星組建的巨型衛星群。

伴隨着人造衛星群數量逐漸增多,軌道航天器也變得越來越險象環生,例如:國際空間站定期調整運行軌道,從而避開潛在的危險碎片,更糟糕的是,近地軌道全面碰撞威脅日益增大,產生越來越多的危險太空垃圾,2009年2月,一顆報廢的俄羅斯宇宙衛星與一艘商業銥衛星相撞,產生大量碎片。

尋找方法清除至少一部分太空垃圾,應該是全球優先考慮的事情。上世紀70年代末,科學家就預言可能出現的場景——隨着太空垃圾的密度增大,級聯、自維持失控產生的碎片碰撞將不斷循環發生,最終可能使低地球軌道變得太危險,無法維持大多數空間活動。

現在科學界已達成共識,太空碎片環境已達到一個“臨界點”即使停止所有航天器發射,碎片也會繼續增加,但是只有銥衛星類型的碰撞事件才能引起所有人的關注,而事實是此類碰撞事件已成為在所難免的事情。

至於凱斯勒綜合症,該現象已悄然開始了,目前近地軌道碰撞事件隨時都可能發生,但不是大規模碰撞事件。

關於潛在太空垃圾碰撞事件的各種猜測,促使科學家提出許多種太空碎片清理方法,例如:太空網、激光爆炸、太空魚叉、巨大泡沫球、太空繩索、太陽帆、以及收集太空垃圾的機械手臂和觸手,這些方法均被提出作為清除軌道垃圾的解決方案。

為了應對這種令人擔憂的狀況,一個新加入的項目是剛剛啟動的“太空清潔工演示周期結束服務(ELSA-d)”,這是日本一家衛星服務公司“太空清潔工(Astroscale)”開發的兩顆衛星任務,它包括一顆旨在安全移除軌道碎片的“服務”衛星和一顆“客戶”衛星。該項目旨在展示一種能捕捉穩定甚至是翻滾物體的磁性系統,無論是用於處置,還是在軌道上維護,在經過多階段測試之後,服務衛星和客戶衛星都將一起脫離軌道,在墜入地球大氣層的過程中解體。

目前,ELSA-d衛星正在地球軌道上運行,該任務於3月22日通過俄羅斯“聯盟號”火箭發射升空,並將許多其他人造衛星搭載進入太空。太空清潔工公司創始人兼首席執行官Nobu Okada表示,ELSA-d衛星將證明其清除太空碎片的能力,並推動監管方面的發展,推進報廢和活躍碎片清除服務的商業應用,這次發射是朝着“造福子孫後代的太空安全和可持續發展”邁出的重要一步。

雖然ELSA-d衛星和其他技術是清理太空碎片的積極進展,但它們並不是“萬靈藥”,儘管一些太空垃圾清除項目取得了成功,但僅靠這些任務仍無法完全解決當前近地軌道的動態困境,而且太空垃圾的增長擴散勢頭基本上有增無減。

有通用萬能的太空垃圾解決方案嗎?

1、即使是很小的太空碎片也會產生災難性的影響。這張圖片顯示了一塊鋁塊和一個小鋁球以將近每秒7公里的速度撞擊的實驗結果。

  1、即使是很小的太空碎片也會產生災難性的影響。這張圖片顯示了一塊鋁塊和一個小鋁球以將近每秒7公里的速度撞擊的實驗結果。

CelesTrak是一種跟蹤近地軌道天體的專業分析機構,該機構科學家表示:“從我們的角度來看,處理太空碎片的最好辦法並不是如何清除它,該問題就像任何環境整治一樣,預防污染比以後清理污染更重要,也容易得多,這可以避免日後投入資金解決,也就是說當完成一些太空任務后,不要將太空碎片殘留在近地軌道上。”

對於太空垃圾的問題,根本沒有“一刀切的解決方案”,移除巨大的火箭殘骸與移除同等質量的更小物體是截然不同的任務,後者軌道運動範圍較大。與此同時,像SpaceX等公司的創新方案正在大幅降低發射成本,為更多衛星進入近地軌道打開閘門,在近地軌道上,一些人造衛星不可避免地出現故障,無法回收,最終成為漂浮的太空碎片,並對正在運行的人造衛星構成威脅,除非它們被類似ELSA-d衛星的太空碎片解決方案清理,現在許多操作人員開始明白,繼續躲避越來越多的太空碎片有多麼困難和複雜。

太空垃圾包括各種漂浮物體,從納米等級的殘骸碎片,到整個航天器,例如:歐洲航天局的環境衛星,它有雙層巴士大小,是所有太空垃圾清除名單上最常見的。還有一些具有固定重量的物體,例如:金屬塊、像紙一樣薄的隔熱層,它們會對航天器造成不同類型的損害,可能需要不同的方案進行清除,但是一個“通用萬能”的方法是不可能做到的。

最大的太空垃圾風險是1-10厘米大小的碎片,它們的數量遠遠超過報廢的宇宙飛船,而且發生碰撞的可能性也很大,雖然這種尺寸大小的太空碎片可能不會造成航天器災難性破裂,但發生碰撞肯定會造成人造衛星等航天器損壞,併產生新的、更多的太空碎片顆粒。

科學家們現在將注意力轉向了巨型衛星群,他們擔心這些衛星在近地軌道環境中的影響,因為這裡已經很擁擠了,軌道動力學是不可預測的,隨着越來越多的人造衛星發射升空,希望能看到這些人造衛星運營商發布他們長期的碰撞預測模型。

毫無疑問,主動清除軌道碎片在技術上具有挑戰性,令人擔憂、也是最大的問題是,任何能夠清除現有太空碎片的成功技術,都可以作為反衛星武器,這是另一件棘手的事情,需要外交和談判,最重要的是需要國際層面的信任。

近地軌道是一個生態系統,人類必須要保護環境!

事實上,近年來人類與近地軌道的航天器密切接觸、進行維修以及破壞,已引起軍事家的極大興趣,這些快速發展的技術有潛力用於和平的太空活動或者太空戰爭,考慮到這些技術能力的雙面性,人們事先不可能確切知道它們在某一天會被如何使用。

目前,太空碎片清除的商業案例並不能賺錢,與其說是一個真正的市場,還不如說是一個“幻燈片演示”。們希望政府能幫助企業創建一個從事解決太空垃圾問題的市場,為了實現該目標,正在進行太空探索的國家必須一致認可,近地軌道是一種像陸地、大氣層和海洋一樣的生態系統,它不是無限的,所以我們需要保護環境。

太空可持續性發展指標類似於碳足跡,我們可以稱其為“太空交通”足跡,我們需要一種方法來量化“太空軌道公路”在什麼時候會出現交通飽和、無法使用的情況,然後進行資源合理分配,並討論非自願太空垃圾清理的問題,或許會對那些佔用軌道空間的死亡資產的主權所有者處以罰款,這無疑會創造一個太空垃圾移除技術蓬勃發展的市場。

目前,我們還需要一個太空垃圾分類方案,有了這樣的分類,將有助於分析需要哪些類型的技術來消除太空垃圾的不同衍生。從整體而言,這是一個簡單的數字遊戲:航天器發射數量遠超出它們返回地球的數量,按此速率發展,這不是一個很好的能量平衡。

部分國家的政策制定者對太空垃圾解決問題的反應仍然遲緩,畢竟儘管像2009年銥衛星碰撞這樣的事件產生了大量的太空碎片,它就目前而言此類現象仍然非常罕見。衛星碰撞事件就像泰坦尼克號上的乘客感覺到即將撞擊冰川,但甲板上仍有樂隊在演奏,太空垃圾是一個人們能意識到風險卻存有僥倖心理的問題,就危險的太空碎片而言,其發展態勢在朝着對人類產生威脅的方向發展,因為我們沒有改變人類的行為,未來太空垃圾帶來的威脅將越來越大。(葉傾城)