點(diǎn)擊藍(lán)字 '方位地理學(xué)' 關(guān)注我們 美國(guó)洲際導(dǎo)彈防御系統(tǒng)雷達(dá)網(wǎng)公開的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示 圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的太空垃圾估計(jì)有1億多塊 這些大小不一、數(shù)量巨大的太空垃圾從何而來 又將對(duì)我們?nèi)祟惍a(chǎn)生什么影響 本期策劃,帶大家探知太空“擁擠”的一面。 太空垃圾會(huì)“鎖死”航天的未來嗎? 若從太空中觀察地球,會(huì)發(fā)現(xiàn)這顆蔚藍(lán)色行星的外層,漂浮著數(shù)量巨大的各類碎片。 這些碎片大多是人類發(fā)射到地球大氣層之外、已經(jīng)停止工作或正在運(yùn)行過程中的航天器意外解體所形成的。能夠追蹤到的、直徑大于12厘米的碎片,人類對(duì)其進(jìn)行編號(hào)。截至目前,僅編目的碎片就有3萬片之多,小的更是數(shù)不勝數(shù)。 這些碎片失去了其原有的功能,但卻占據(jù)著寶貴的空間軌道資源,且不受控制地橫沖直撞,可能威脅到衛(wèi)星安全,所以它們被形象地稱為“太空垃圾”。 太空垃圾電腦模擬圖 來源:美國(guó)航空航天局 太空垃圾并非自古以來就存在。實(shí)際上,在1957年之前,太空是很“寂靜”的。隨著經(jīng)濟(jì)、國(guó)防、科研的需求,人類開始不斷開發(fā)空間資源,形形色色的航天器來到了外空間,除了地外探索,如火星、月球探測(cè)等,大多數(shù)衛(wèi)星都集中在地球周圍。而這些航天器在退役、自然解體或意外碰撞后,不可避免地產(chǎn)生大量碎片。 空間碎片主要集中在500千米至800千米高度的軌道上,這里也是現(xiàn)役衛(wèi)星運(yùn)行所處軌道。因此,隨著更多衛(wèi)星不斷加入,太空勢(shì)必會(huì)更加擁擠不堪。而當(dāng)航天器和太空垃圾在同一時(shí)間出現(xiàn)在同一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)上,碰撞就難免會(huì)發(fā)生。 美國(guó)航空航天局(NASA)曾放置了一個(gè)長(zhǎng)期暴露裝置LDEF,這個(gè)“活靶子”130平方米的外表面,不到6年時(shí)間被砸出了3.4萬個(gè)深坑;國(guó)際太空站前指揮官Chris Headfield也曾描述,在太空站時(shí),這種因?yàn)樘绽蝗蛔矒羲斐傻漠愴懛浅3R?,幾乎每天都?huì)遇到,可見撞擊頻率之高。而隨著航天科技的不斷發(fā)展,更多的航天器發(fā)射升空,在越來越擁擠的衛(wèi)星軌道,這種頻率勢(shì)必還會(huì)增加。 太空垃圾對(duì)航天器所造成的傷害也非常大。根據(jù)動(dòng)能計(jì)算公式,對(duì)于這些碎片而言,動(dòng)能更多取決于其速度而非質(zhì)量,可怕的是這些碎片相對(duì)于航空器的平均速度而言非常之高,可以達(dá)到每秒10千米的超高速,因而常常會(huì)有與航天器“同歸于盡”的情況發(fā)生。也因此,各國(guó)航天業(yè)不得不將躲避太空垃圾納入設(shè)想中,并投入更多研發(fā)力量。 設(shè)想中太空垃圾清潔衛(wèi)星“清潔太空一號(hào)” 撞擊更嚴(yán)重的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生大量的次級(jí)碎片——一次碰撞會(huì)產(chǎn)生許多的碎片,這些碎片之間再次碰撞,引發(fā)一系列的次級(jí)碰撞,如同原子裂變反應(yīng),產(chǎn)生指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的碎片。 1978年,美國(guó)科學(xué)家凱斯勒提出一種假設(shè),當(dāng)太空垃圾密度達(dá)到一定閾值時(shí),會(huì)產(chǎn)生一種“凱斯勒”現(xiàn)象,即碎片之間的碰撞不斷疊加,直至將所有航天器損毀。 彼時(shí),人類依賴的大量科技,如GPS等將會(huì)蕩然無存,地球外層將被蒙上一層非常密的太空垃圾網(wǎng),不僅無法發(fā)射任何飛行器,甚至無法對(duì)這些太空碎片進(jìn)行清理,地球?qū)⒈蝗祟愖约寒a(chǎn)生的太空垃圾封鎖。 凱斯勒的這個(gè)假設(shè)并非空穴來風(fēng)。實(shí)際上,科學(xué)家已經(jīng)開始擔(dān)憂這種趨勢(shì),他們認(rèn)為,如果任由這種現(xiàn)象持續(xù)下去,人類航天之路被“鎖死”的預(yù)言就并不僅僅是危言聳聽了。 深海之下,埋藏著人類的光輝與夢(mèng)想 1971年10月10日,在蘇聯(lián)耶夫帕托利亞飛行控制中心,氣氛凝重。工程師們深知,禮炮1號(hào)空間站“大限將至”,再也等不來新的載人航天任務(wù)了??傊笓]含淚下達(dá)命令,禮炮1號(hào)空間站進(jìn)行最后的點(diǎn)火,進(jìn)入可控再入階段。次日,一團(tuán)金屬烈焰向南太平洋方向的一處深海區(qū)飛去。這座在軌運(yùn)行175天、繞行地球2929圈的人類第一座載人空間站,終于“魂歸大?!薄?/p> 禮炮1號(hào)空間站概念圖 禮炮1號(hào)空間站的最后歸宿地,是科學(xué)家早就為其選定好的。這里位于南太平洋,南極昆侖站所在區(qū)域被稱為“人類不可接近之極”,而這片海域的正式名稱是“海洋難抵極”,因?yàn)檫@里距離最近的陸地大約都有2700千米。 不過,它還有一個(gè)很特別的名字——“尼莫點(diǎn)”。不錯(cuò),這正是儒勒·凡爾納所著科幻小說《海底兩萬里》中鸚鵡螺號(hào)潛水艇尼莫船長(zhǎng)的名字。而“尼莫”一詞則來自拉丁語的“Nemo”,直譯為“無人”。 尼莫點(diǎn)示意圖,圖片來源:《衛(wèi)報(bào)》 尼莫點(diǎn)于1992年由加拿大克羅地亞裔測(cè)量工程學(xué)家赫爾沃耶·盧卡泰拉發(fā)現(xiàn),離它最近的陸地為三座遙遙相望的南半球島嶼——皮特凱恩群島中的迪西島、復(fù)活節(jié)島西南角的莫圖努伊島和南極洲外海的馬厄島,三者分別位于其北方、東北方及南方,至尼莫點(diǎn)的距離均遠(yuǎn)達(dá)2688千米。 以此長(zhǎng)度為半徑、尼莫點(diǎn)為中心,將上述三島以圓周串連起來,可圈出一片與整個(gè)北美洲面積相當(dāng)、毫無任何陸塊夾雜其中的汪洋大海。 由此,令人意想不到的事情發(fā)生了——距離尼莫點(diǎn)最近的有人類出沒的地方不在地球上。相比之下,位于400千米高空中的國(guó)際空間站人員離它更近。 而這片海域在仰望星空的同時(shí),也成為國(guó)際空間站等世界航天器的“墳?zāi)埂?/span>。老舊的衛(wèi)星、火箭部件和空間站在外太空的旅程結(jié)束時(shí),都被送到太平洋的這個(gè)荒涼之地,永遠(yuǎn)安息在漆黑的海底。 航天器的最終歸宿主要有兩個(gè),要么被送入“墳場(chǎng)軌道”,要么被送回地面,在地球大氣層中被燒毀。 處于地球同步軌道上的航天器一般會(huì)被發(fā)射抬升到比近地軌道高上千千米的“墳場(chǎng)軌道”上去,而近地軌道的失效航天器會(huì)被送回地面,墜落進(jìn)入大氣層。大部分小型衛(wèi)星會(huì)在距地面高度80千米至120千米的范圍內(nèi)被燃燒銷毀,并不會(huì)真的落回地球表面。但對(duì)于諸如空間站這類大型航天器,不能完全燒盡,它們通過大氣層后仍會(huì)留下殘骸。 圖為火箭正在發(fā)射,人類發(fā)射的航天器是太空垃圾的主要來源。圖片來源:美國(guó)宇航局 這些殘骸,最終都會(huì)受控墜落到這片“航天器墳場(chǎng)”中。這片區(qū)域不僅沒有人類活動(dòng),而且由于洋流影響,周邊的海洋環(huán)境不足以供養(yǎng)海洋生物,所以就連海洋生物也很少,唯有部分海底細(xì)菌可以存活。可以說,這里幾乎是一片寂靜死海。 2001年3月23日凌晨,在結(jié)束了長(zhǎng)達(dá)15年的任務(wù)、繞地球飛行8萬多圈后,蘇聯(lián)“和平”號(hào)空間站開始了它生命的最后一段旅程。 一艘對(duì)接的貨運(yùn)飛船點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī),使“和平”號(hào)離開軌道,返回地球。這座120噸重的空間站進(jìn)入大氣層,解體后如流星般墜落。斐濟(jì)附近的不少漁民曾經(jīng)目睹燃燒著的殘骸從天空飛過,無法全部燃燒銷毀的剩余殘骸,落入尼莫點(diǎn)附近的水中墳?zāi)埂?/p> 從1971至2016年,在這片約1500平方千米的水域下方4000米深處,有260多個(gè)航天器長(zhǎng)眠于此,其中大部分屬于俄羅斯,包括140余艘太空補(bǔ)給船、6個(gè)禮炮號(hào)空間站。我國(guó)之前發(fā)射的天宮一號(hào)、天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室以及天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船在任務(wù)結(jié)束后也在此“安息”。在該區(qū)域沉睡的其他航天器還有國(guó)際空間站各種貨運(yùn)飛船,包括日本的6艘HTV貨運(yùn)飛船和歐洲空間局的5艘自動(dòng)運(yùn)載飛船,甚至還有SpaceX火箭。 不遠(yuǎn)的將來,已經(jīng)進(jìn)入“暮年”的國(guó)際空間站,也將在此長(zhǎng)眠。國(guó)際空間站從1998年開始繞地球運(yùn)行,如今已延長(zhǎng)服役時(shí)間至2024年,但已經(jīng)顯出老化跡象。 科學(xué)家們運(yùn)用那些晦澀難懂的公式、符號(hào)、圖紙建造而成的“星空探索者”承載著人類的光輝與夢(mèng)想,它們見過燦爛星辰,最后榮歸大海,就像世界各地的沉船一樣,它們將變成一片棲息地、一處珊瑚礁,一種全新的生命。 人造衛(wèi)星安全回家有多難? 不想在宇宙深處咀嚼孤獨(dú),也不想在無人海域保持靜默,退役的人造衛(wèi)星許愿回家“安享晚年”,真有那么難? 其實(shí),并不是所有人造衛(wèi)星在結(jié)束任務(wù)后都面臨在大氣層中“灰飛煙滅”的命運(yùn),返回式衛(wèi)星在完成太空任務(wù)后,就能夠安全“回家”。 返回式衛(wèi)星的研制和應(yīng)用是衛(wèi)星發(fā)展史上的一個(gè)重要突破。我國(guó)是目前掌握返回式衛(wèi)星技術(shù)為數(shù)不多的國(guó)家之一。然而,要使衛(wèi)星在預(yù)定的時(shí)間、地點(diǎn)返回,要求具備的條件可謂嚴(yán)苛,需要解決一系列復(fù)雜的技術(shù)難題。 首先 衛(wèi)星必須進(jìn)入預(yù)定軌道,并正好經(jīng)過預(yù)定回收地區(qū)上空。由于回收衛(wèi)星一般是低軌道衛(wèi)星,受大氣阻力和地球形狀等因素影響,其軌道會(huì)發(fā)生偏離,因此,必須精確測(cè)算出衛(wèi)星的實(shí)際軌道,才能確定返回指令的發(fā)出時(shí)間。衛(wèi)星返回前先要脫離原來的運(yùn)行軌道。衛(wèi)星脫離原有軌道的速度為再入速度,其與地平線所形成的俯角稱為再入角。衛(wèi)星重返大地對(duì)再入角的要求十分嚴(yán)格,一般須在3度至5度,運(yùn)載火箭的點(diǎn)火時(shí)間、推力方向、推力大小與時(shí)間長(zhǎng)短都會(huì)影響到再入速度和再入角的準(zhǔn)確度。 其次 衛(wèi)星在降落過程中,會(huì)摩擦生熱。尤其是當(dāng)它降到離地面60千米至70千米時(shí),會(huì)與大氣層摩擦產(chǎn)生大量的熱能,使其表面發(fā)生燃燒。這就需要衛(wèi)星表層由特殊的耐高溫材料制成。 此外 地面和衛(wèi)星相互配合使衛(wèi)星能準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變成返回的姿態(tài),是返回的關(guān)鍵。衛(wèi)星返回地面過程中必須不間斷地對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行精確測(cè)量和全程跟蹤,并根據(jù)實(shí)測(cè)軌道參數(shù)對(duì)衛(wèi)星的程序控制數(shù)據(jù)進(jìn)行必要控制和管理,為此就要建立更大范圍、更多功能的地面測(cè)控網(wǎng)。 最后 衛(wèi)星降落到離地10千米至20千米時(shí),必須使用降落傘來再次降低速度,而降落傘的打開必須非常準(zhǔn)時(shí)。衛(wèi)星回收的一系列程序中,都包含復(fù)雜的技術(shù)問題,難度是很大的。 以上種種,都是針對(duì)返回式衛(wèi)星的具體措施。而退役的人造衛(wèi)星則會(huì)因燃料不足、難以把控或成本過高等,無法“回家”,最終要么被送入“墳場(chǎng)軌道”,要么返回地球,在大氣層中燃燒殆盡,或者帶著殘余墜入深海,了結(jié)此生。 皓月繁星,也許只是發(fā)光的太空垃圾 當(dāng)你感嘆星空的美妙絕倫時(shí),可曾想過,它的另一面,也許是一圈巨大的“太空垃圾場(chǎng)”,且足足有8000多噸…… 中國(guó)第一個(gè)進(jìn)入太空的航天員楊利偉曾回憶說,在太空里聽到了許多“咚、咚、咚”的響聲,但不知道是為什么。 那么這種聲音來自哪里?有網(wǎng)友調(diào)侃道:這難道是外星人在敲擊飛船?專家分析,這可能是由于艙內(nèi)溫度變化導(dǎo)致氣體熱脹冷縮,造成艙體變形時(shí)的聲響;還有可能是太空垃圾撞擊飛船時(shí)發(fā)出的聲音。 太空垃圾的“元年”是1957年。當(dāng)年10月4日,蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克”1號(hào),人類利用航天器探索外層空間的新紀(jì)元從此開啟?!八蛊仗啬峥恕?號(hào)衛(wèi)星直徑約58.5厘米,把它發(fā)射到太空的那枚火箭脫落的碎片,被認(rèn)作是太空垃圾“第一塊”。 除了漂浮的火箭殘留的碎片、廢棄的衛(wèi)星,還有一些意想不到的“奇葩”太空垃圾,比如人類骨灰、高爾夫球、價(jià)值10萬美元的工具箱、3.5億枚小銅針、“動(dòng)物宇航員”的尸體等。還有一只被美國(guó)宇航員丟失的手套,在太空中漂浮了20多年。 1997年,當(dāng)太空殯葬服務(wù)被首次推出時(shí),《星際迷航》系列作品的創(chuàng)作者吉恩·羅登貝恩的一部分骨灰被裝入唇膏大小的膠囊送入太空,環(huán)繞地球軌道6年之后焚毀在地球的大氣層里。 太空打高爾夫球示意圖。圖片來源:北京晚報(bào) 2006年11月,俄羅斯宇航員米哈伊爾·秋林在國(guó)際空間站外打出一桿有著歷史性意義的太空高爾夫球,然而這項(xiàng)太空活動(dòng)并非是為了“好玩”,而是一個(gè)太空廣告合作項(xiàng)目。自進(jìn)入地球軌道后,這枚高爾夫球似乎也變成了太空垃圾,留在了太空中。 另外,踏上太空的不僅只有人類,還有很多“動(dòng)物宇航員”。它們?yōu)槿祟惖挠詈绞聵I(yè)、生物事業(yè)等做出了不凡的貢獻(xiàn),如小狗、猴子、兔子、魚、蜘蛛等。如果這些動(dòng)物不幸“犧牲”,大多數(shù)情況下,它們的尸體會(huì)在太空中漂浮數(shù)月甚至數(shù)年,然后在掉落大氣層時(shí)被焚燒。第一個(gè)上太空的動(dòng)物是一只名叫萊卡的小狗,因驚嚇和中暑衰竭為太空探索付出了生命。據(jù)了解,它的尸體連同太空艙,在2007年時(shí)還滯留在地球軌道上。 在航天技術(shù)日益發(fā)達(dá)的今天,去太空旅游、在失重中漫步的夢(mèng)想不再遙遠(yuǎn)。太空垃圾的問題對(duì)于人類來講似乎只是一種“煩惱”,還沒有到達(dá)危機(jī)級(jí)別,但如果太空垃圾長(zhǎng)期得不到妥善處理,會(huì)對(duì)衛(wèi)星體系甚至地球造成嚴(yán)重影響,將來處理起來會(huì)更難。 |
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