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垃圾分类这么火 太空垃圾属于哪一类?

来源:光明网2019-07-16 18:48

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  最近,垃圾分类成为了大家新的关注点,除了地面上的垃圾需要分类、清理、再利用,远在太空中的垃圾也需要人类投注更多的目光。自1957年人类发射第一颗人造卫星,目前已将超过8000颗卫星送入地球轨道,那么这些卫星运行过程中所产生的太空垃圾属于垃圾分类中的哪一类呢?

  Q:太空垃圾指的是什么?

  吴相彬:太空垃圾如果用学科语言表述,被称作空间碎片。是指在轨运行或再入大气的无功能的人造物体及其残块和组件。通俗地说需要满足两个条件,一是发射到太空中的人造物体,二是本身没啥功能或失效了。

  1、遗弃的航天器和运载火箭箭体残骸。每个航天器有其自身的工作寿命,运行几年后,或因燃料耗尽,或因载荷元器件不工作而报废。同时,航天器上天离不开火箭,火箭中的一部分会随航天器进入地球轨道,绕着地球转个没完没了。这些火箭和报废的卫星就属于空间碎片。目前仍在轨的失效航天器数量超过5000个。

  2、航天器发生爆炸和碰撞解体产生的碎片。这些垃圾都在各自的轨道上运行,有些储存着燃料,时不时就炸给你看或撞给你看。迄今为止,近地空间发生了大约200多次爆炸和碰撞解体事件,产生的碎片数量占碎片总量的50%以上。2009年美国和俄罗斯的卫星意外相撞,已发现的产生的10cm以上的碎片就有两千多个。

垃圾分类这么火 太空垃圾属于哪一类?

  图1 太空垃圾

  3、固体火箭点火产生的燃烧物。航天器使用的固体火箭点火上千次产生的三氧化二铝熔渣,目前数量已达千万量级。

  4、核动力发动机的冷凝剂。在1980年至1988年期间,前苏联共发射了16颗采用核动力的雷达卫星,估计产生26万个直径在3毫米到4厘米的冷凝剂颗粒滞留在1400公里高度的轨道上。

  5、太空实验。1961年和1963年,美国开展空间科学试验,把数百万簇铜针撒在3600公里高的极地轨道上。

  6、在轨操作产生的操作性碎片。航天器在轨操作过程中会产生碎片和脱落物,如“一箭多星”发射时的卫星支架、相机及望远镜镜头盖等。还有航天员的生活垃圾,之前不太讲究,直接打个包,顺窗户一扔,成了名副其实的太空垃圾。这些地面上的湿垃圾,在太空却成了有害垃圾!

  Q:地球周围大约有多少太空垃圾?

  吴相彬:目前空间碎片总质量达到几千吨,美国已编目尺寸大于10cm的在轨碎片数量已超过23000个,尺寸在1cm至10cm之间的碎片约70万个,尺寸小于1cm的碎片数以亿计。注意这里是按照尺寸分类说明的,因为尺寸关乎到碎片的危害。

垃圾分类这么火 太空垃圾属于哪一类?

  图2 1957年至2017年空间物体数量变化趋势图

  Q:太空垃圾会带来哪些危害?

  吴相彬:这些太空垃圾的危害主要包括两个方面:对天上的卫星、对地面的人员。

  先说天上的事。高中的时候学过一个著名的物理量——动能,动能等于质量乘以速度的平方的一半。质量和速度越大的物体能量越大,这些太空垃圾的速度大约10km/s。照此计算,一个瓶子盖之类的小东西的能量和时速百公里的汽车相仿。怼你一下,就问你怕不怕!当然,这些碎片也不是每个都那么强大,具体还要看质量,通常可以用尺寸来衡量。

  1、大碎片。尺寸10cm以上。这些碎片有个特点:个头大、能量高,撞上谁,谁over。但也不是对他们一点办法没有,个头大也是致命缺陷,可通过望远镜或者雷达等设备探测到,通过观测数据确定轨道,提前计算出未来可能与哪些物体具有较高的撞击风险。

  2、中碎片。尺寸1mm-10cm。这种碎片最讨厌,看不见、防不住、数量多,怼上也over。对待中碎片目前没什么办法,只能从加强观测和加强防护两方面加强研究。现在明白为什么航天员出舱是一件很危险的事了吧,表面上是出舱遛个弯,可是你却不知道什么时候会飘过来个碎片,向他们致敬!

  3、小碎片。尺寸1mm以下。这些碎片占绝大多数,但是由于太小了,根本看不到,所以没法走先观测后规避的路线,只能硬抗。不过现在的防护技术对这些小东西还是有能力防御的,被这些碎片击中的航天器可能造成小的伤害,但不至于完全失效。

垃圾分类这么火 太空垃圾属于哪一类?

  图3 太空垃圾艺术示意图

  说完天上的事,咱再说说地上的事。空间碎片离我们这么远,有啥危害呢?空间碎片除受到地球的万有引力以外,还受到来自太阳、月球、地球大气层等多种力的作用,在这些力的共同作用下,某些碎片的轨道会缓慢发生改变,具体地说就是高度越来越低,最后落到地面上。我们应该庆幸在地球外包裹了一个叫大气层的东西,很多碎片在陨落过程中,会在大气层中烧毁,但也有个头超大烧不干净的,最后落到地面上。

  1、有毒有害。大部分火箭或航天器的燃料都含有剧毒,这都属于有害垃圾,一旦落到地面,危害极大。为了清理这些落地的有害垃圾,就需要斥巨资。1978年1月24日,前苏联雷达卫星发生故障,在加拿大上空解体,卫星上30kg浓缩铀和反应堆陨落,放射性碎片遗洒在800km长的地面带上,造成了严重污染,清除的费用高达1400万美元。

  2、直接撞人。太空垃圾撞人确实发生过一起,也是唯一的一起。1997年春天,有一位美国的Lottie Williams女士在晚上遛弯时,肩膀被一个东西撞了一下,事后确认是一个火箭残骸形成的碎片。她有幸成为第一个也是唯一一个被太空垃圾砸到的地球人。

  Q:太空垃圾属于哪一类垃圾?该如何清理?

  吴相彬:太空垃圾可以分成有害垃圾和可回收垃圾两种。

  1、有害垃圾。这部分主要是那些完全没有再利用价值的碎片,解体碎片就是典型的有害垃圾,那些在用卫星要时时刻刻盯着它、防着它。

  2、可回收垃圾。还有一小撮属于可回收垃圾。就是那些功能完好,但燃料耗尽的卫星。如果能将其加加油、维修下,又能满血复活了。特别是一些地球同步轨道的卫星,这些卫星本身设计寿命很长,很多在携带的燃料耗尽后,载荷仍能继续工作,直接放弃未免可惜。一些国家提出在轨延寿的研究,希望能够通过对其加注燃料,进行简单的维修实现这些卫星的再利用。

  加拿大的MDA公司提出了利用空间机械臂对GEO寿命末期卫星开展燃料加注延寿的设想,即利用空间机械臂系统首先完成对目标卫星的抓捕,然后在打开目标卫星的注排阀门,最后插人软管泵入适量燃料,此外该系统还具备一些简单的维修功能,能够排除诸如太阳帆板打开等故障。

垃圾分类这么火 太空垃圾属于哪一类?

  图4 MDA对接后的概念图

  垃圾的清理,主要包括垃圾主动清理和被动清理。

  1、主动清理。卫星任务结束后,利用剩余燃料改变卫星轨道,或者使卫星高度降低,使其能够在若干年内陨落,或者使卫星避开繁忙的轨道区域,进入一个卫星不常用的轨道区域,这都是经济实惠的降低垃圾危害的办法。但这种依靠主动变轨的方法有个缺陷,只能针对尚有燃料的卫星,对于那些完全不受地面指挥的“硬核”垃圾只能采用“被”清理的办法。

  2、被动清理。太空垃圾清除技术近年来热度持续升温,提出的方案也五花八门,但全部属于技术设想、或是验证阶段,要想发展成为成熟的垃圾清理产业尚需时日。挑几个典型的介绍一下。

  激光清除。发射激光照射碎片,使碎片表面材料部分发生汽化,汽化喷射作用改变碎片的轨道。如果激光照射的位置和姿态合适,碎片的汽化恰好使其轨道降低,最后自然陨落。

  机械臂。发个航天器接近碎片,直接用机械臂抓取。当然,机械臂也可以换成诸如飞网、飞叉等等。

  安装太阳帆。还是发个航天器接近碎片,给碎片安装上一个轻薄的大帆,改变碎片的面积,间接改变碎片受到的阻力,使其陨落。或者在碎片上装个其他能够改变轨道的装置,总之为了降低碎片轨道。

  这些听着有些科幻,不过是硬科幻,不久的未来就可以实现。

  Q:我们能否有效捕获太空垃圾进行再利用?

  吴相彬:讲个故事吧。1990年3月14日,国际通信卫星6号成功发射升空,但星箭分离失败了,卫星未能入轨,面临着成为垃圾的风险。地面人员最终拍板决定派一艘航天飞机上天,把卫星抓住修修。2年后,1992年奋进号航天飞机携带7名航天员奔赴太空,经过几次失败尝试后最终徒手抓取了卫星,后经过维修,并更换了新的上面级,最终卫星成功进入预定轨道,继续完成预定任务。(蔡琳)

  受访专家:吴相彬,国家天文台高级工程师,长期从事空间碎片预警和空间突发事件研究。

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