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太空垃圾多到引發密恐症,科學家們研發"太空吸塵器」吸垃圾


- 2018年4月21日10時53分
- 科學文摘 / 玩物主義

玩物主義

太空垃圾多到引發密恐症,科學家們研發"太空吸塵器」吸垃圾圖片

你們能猜出這張圖是什麼嗎?可能還沒猜出來,密集恐懼症就犯了。沒錯,這是我們的地球,那些勾起你密恐症的小白點正式太空垃圾!如圖所示,它們已經將地球密密麻麻的包裹住了。

地球上垃圾成山,這可以理解,可是太空上又沒有那麼多人,垃圾是咋產生的呢?Techpunk 君通過查找資料,大概找到了以下四個太空垃圾的來源。


(1) 航天發射活動中拋棄的多餘負重

簡單點說就是太空飛行器發射過程中,有用的部分,比如火箭最終進入太空繞軌飛行去了,但是那些幫助它上天的東西,比如火箭第一級、助推器、載人火箭的逃逸塔和整流罩,都會落回地球。而火箭的第二級、上面級等殘骸和未燒完的燃料都將進入軌道,在發射的短短 10 分鐘後就將變成太空垃圾。多餘的負重就是這些被拋棄不要的東西,真是同箭不同命啊。

(2)壽終正寢的衛星們

跟人一樣,衛星也不能長生不老,最長的通訊衛星也不過 10-15 年壽命,之後就會報廢掉,但是又不能回收,所以只能成為太空垃圾一員了。由於燃料也用完了,這些衛星失去控制,成了橫衝直撞的太空垃圾。

(3)太空垃圾碰撞出的新太空垃圾

聽起來好像星球大戰一樣,沒錯,太空垃圾之間相處並不和諧,互相干仗是常有的事。比如那些失控了的報廢衛星就會時不時撞擊一下其它的太空垃圾,這一撞就又產生了新垃圾。據說,新太空垃圾的產生的速度可能比幾何級數增長更加誇張。正如《愚公移山》所講,雖我之死,有子存焉;子又生孫,孫又生子;子又有子,子又有孫;子子孫孫無窮匱也。


這就有個例子,2009 年 2 月 10 日,銥星系統第 33 星和俄羅斯 Cosmos 2251 兩顆衛星發生了碰撞,在短短几個月之內,兩顆衛星碰撞產生的垃圾幾乎覆蓋了它們曾經所在的軌道,並且這些垃圾還有不斷碰撞的可能,聽起來是不是有點玄幻。

(4)可怕的飛彈反衛星實驗

用飛彈攻擊衛星也是產生太空垃圾的一個重要原因。由於飛彈會有目的性地在一個位置爆破,產生的影響要遠遠超過衛星的碰撞。目前只有蘇聯、美國和中國進行過飛彈反衛星實驗,每次實驗都是太空垃圾研究專家們的一場噩夢。

說到這,你已經知道太空垃圾哪來的了吧。地球上的垃圾危害不勝枚舉,那這些都跑天上去的垃圾危害肯定不會小的。

目前估計,繞地飛行的直徑小於 1 厘米的垃圾有 1.7 億個,1-10 厘米直徑大小的垃圾則有 67 萬個,更大直徑的垃圾有 2.9 萬個。

但這才哪到哪啊,要知道這些瘋了的太空垃圾總是在幹仗,增長速度極快,一生十,十生百,還在不斷繁衍生息著。

太空垃圾多到引發密恐症,科學家們研發"太空吸塵器」吸垃圾圖片

絕大部分垃圾分布在低於 500 公里的近地軌道上,它們的飛行速度普遍在 7,000 米/秒以上,是狙擊步槍子彈速度的 7 倍左右。一塊 10 克重的太空垃圾撞上衛星,相當於兩輛小汽車以 100 公里的時速迎面相撞——衛星在瞬間被打穿或擊毀!試想,如果撞上的是載人宇宙飛船……

而且人類對太空垃圾的飛行軌道無法控制,只能粗略地預測。這些垃圾就像高速公路上那些無人駕駛,隨意亂開的汽車一樣,你不知道它什麼時候剎車,什麼時候變線。它們是宇宙交通事故最大的潛在「肇事者」,對於太空人和飛行器來說都是巨大的威脅。

舉例子來感受下這些太空垃圾的威力。2014 年 4 月,為了躲避一塊"阿麗亞娜 5 型"火箭的殘骸,美國國際空間站的飛行控制人員還被迫調整了空間站的飛行軌道。2016 年 4 月,一塊極小的太空垃圾碎片擊中了國際空間站上的 Cupola 對地觀景台玻璃,造成了一個直徑 7 毫米的裂紋。

國際空間站的Cupola觀景台和裂紋放大圖

有人可能要疑惑了,從圖上來看,太空垃圾已經把地球團團圍住了,那為什麼地球上的人們會安然無恙沒被瘋狂的垃圾撞擊呢?

這就要感謝我們的大氣了。地球大氣是人類最後一道屏障,它燒掉了 99% 以上的星際塵埃、隕石和太空垃圾,保護了地球上億萬計生命的安全。所以,迄今為止,地球上還從未發生過因太空垃圾墜落地球而直接傷人的事件。

但是,一些分布在更高軌道的太空垃圾基本上就很難被銷毀了。特別對於處在地球上空 35,786 公里高的地球靜止軌道,這裡聚集了人類幾乎所有的通訊衛星,它們也產生了很多衛星垃圾。由於這個高度實在太高,完全沒有空氣阻力的影響,這些太空垃圾一旦產生,恐怕千萬年後都不會消失。

而這條軌道又是唯一且最寶貴的軌道,因為只有它同時滿足了在赤道上空(0度軌道傾角)和 35,786 公里的軌道高度兩個條件,能滿足與地球自轉相同的 24 小時軌道周期,實現同步/相對靜止。

這樣看來,這條軌道是不可替代的稀缺的軌道資源。因此全世界都在搶發這個軌道上的通訊衛星以占住資源(國際原則是先發先占),但這條軌道目前已經深受太空垃圾的影響。

太空垃圾也嚴重影響了國際空間站的運行,在其運行的 20 年時間裡,艙體已經被太空垃圾撞出了很多傷痕。所以,為了規避太空垃圾的傷害,科學家們也是絞盡了腦汁。

科學家們每時每刻都要對太空垃圾進行嚴密監視,目前監測太空垃圾最大的信息庫來自美國的洲際飛彈防禦系統雷達網。

太空垃圾多到引發密恐症,科學家們研發"太空吸塵器」吸垃圾圖片

美國洲際飛彈防禦系統雷達網覆蓋圖

這些相控陣雷達可不容小覷,它們動輒就有足球場那麼大。以前主要是在冷戰時期用它們來監視和防禦來自蘇聯、古巴的彈道飛彈。現在科學家們用它們來監控太空中的各種垃圾和衛星。


太空垃圾增長速度圖,可以看出每次的數量劇增基本都來自衛星碰撞和反衛星實驗

僅用雷達監控還遠遠不夠,由於太空垃圾形式越發不樂觀,科學家們又研發出一種新型傳感器簡稱太空碎片傳感器(SDS),這個傳感器監視的是太空垃圾中較小的,難以追蹤到的,並且可以監視它們所造成的任何撞擊。目前傳感器已被牢牢地安裝在國際空間站的外部。

太空垃圾多到引發密恐症,科學家們研發"太空吸塵器」吸垃圾圖片

日本東京理化學研究所的研究人員在 2015 年提出,在國際空間站裝配雷射系統,能將 100 公里距離內直徑不足 1 厘米的太空垃圾擊落。雷射裝置發射強大脈衝將太空垃圾擊落至地球大氣層,最終燃燒殆盡。

太空垃圾多到引發密恐症,科學家們研發"太空吸塵器」吸垃圾圖片

今年早些時候,NASA 宣布他們正在研發一款「太空吸塵器」,名為袖珍飛行器 Brane Craft,它是一個扁平、易操作的飛行器,長約 1 米,如同一大塊裝有推進器的保鮮膜,可以將太空垃圾包裹住,並把它拉進大氣層中燃燒,直至同歸於盡。

太空垃圾多到引發密恐症,科學家們研發"太空吸塵器」吸垃圾圖片

Brane Craft 抵達近地軌道後,就可以被單獨派去執行清掃太空碎片的任務。一旦捕捉到了這些移動速度比子彈還要快的太空碎片,Brane Craft 就會完全包裹住該碎片,並把它拉進大氣,在距地球表面 250 公里左右的大氣層中燃燒,直至同歸於盡。

除了這些高科技手段,科學家還有更厲害的招數對付太空垃圾,那就是手動清除!

1984 年年初的太空梭 STS-41-B 任務中,因為火箭的上面級沒有正常工作,美國西聯匯款公司(Western Union)的 Westar 6 和另一顆印尼訂購衛星入軌失敗,成為太空垃圾。

而在隨後 11 月的的 STS-51-A 任務中時,太空梭在返回地球之前,飛到這兩顆衛星附近,由太空人使用載人機動系統飛到它們附近將它們抓住,最後裝入太空梭送回地球。

STS-51-A任務的太空人Dale Gardner抓住了Westar 6衛星

後來 Westar 6 在檢修後賣給香港亞洲衛星控股公司,成為大名鼎鼎的亞洲一號衛星,由長征三號火箭發射,這也是我國火箭第一次進行國際商業航天發射。這就是最典型的變廢為寶了。

由此看來,科學家們已經給太空垃圾布下了天羅地網。但消除數量如此龐大的太空垃圾可不是一個小工程,科學家們還需要加把勁兒才行啊。


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