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[隱藏]
大約兩週前,正在國際空間站中熟睡的宇航員突然被地面控制中心叫醒。匆忙地穿好艙內宇航服,他們按照安全程式進入避難所,並關閉了一些重要的艙門。在此之前不久,一枚反衛星導彈從俄羅斯 一處發射場升空,幾分鐘之後,它攔截了已經報廢數十年的俄羅斯衛星Kosmos 1408。

相撞產生了超過1500塊可追蹤的衛星碎片,但難以被追蹤的,預計有數十萬塊。事後,太空軟體公司AGI 製作了一張GIF,模擬出Kosmos 1408如何瞬間成為彌散於近地軌道的“碎片星雲”。


AGI模擬GIF丨AGI

這些解體之後的碎片分散於距地面300-700千米的空間軌道之間,其中有碎片在掠過國際空間站時只相差40公里的距離,駐站的七名宇航員逃過一劫。

一旦事故降臨,後果可以參考一部太空災難片《地心引力》。若空間站遭到碎片損壞,機組人員幾乎要同電影裡一樣,緊急脫離空間站,搭乘聯盟MS-19或載人龍飛船返回地球。

“令人髮指”、“不合情理”,NASA局長比爾·納爾遜在媒體鏡頭面前指責這場由俄羅斯軍方主導的試驗。國際空間站這次勉強“幸運”脫險,但太空碎片帶來的影響和危機從來都是長尾的。就在此一週之前,國際空間站剛剛進行了一次緊急變軌操作——多臺推進器噴發6分鐘,將執行軌道提高1.1公里,為了躲避早在十四年前被摧毀的另一顆氣象衛星的碎片。

前提是,它能夠預測危險什麼時候到來。

我們的頭頂佈滿垃圾

還得從當年美蘇太空爭霸說起。1961年,加加林從太空俯瞰地球,深受刺激的肯尼迪撂下狠話,十年內搶跑蘇聯登月。在此之前,近地太空軌道上游蕩的人造物體數量不過50餘個。

從六十年到到八十年代,蘇聯和美國輪番進行反衛星試驗。不到二十年的時間裡,僅前蘇聯一方,20次試驗就產生了700個被記載的碎片(殘骸)。如此頻繁的爆炸試驗,引起國際範圍內的譴責。接下來的日子裡,反衛星試驗終於消停下來。但人們又發現,衛星之間會意外相撞,因此產生的太空碎片風險同樣嚴峻。


太空碎片形成丨Giphy

首次有記載的衛星發生相撞發生在1991年。退役的俄羅斯導航衛星Cosmos 1934被其姊妹衛星 Cosmos 926的一塊碎片撞成兩半——這屬於碰撞事件中的“安靜”版本了。更激烈的一次發生在2009年,美國通訊衛星銥星33(Iridium 33)與退役的俄羅斯衛星Cosmos 2251相撞,一年之內識別出來的碎片數就多達1740——這是人造衛星間首次超高速碰撞,碰撞速度達到11.7千米/秒。

在此次衛星相撞之後,太空垃圾數量也迎來一次“高峰”。緊接著,由聯合國外空委通過的《空間碎片減緩指南》強調了幾點履行原則:入軌的航天器在任務完成之後不能在LEO(近地軌道)長期停留,離軌墜落大氣層時也得避免傷到人;以及如果航天器在GEO(地球同步軌道)附近,防止未來爆炸產生影響的方式是在退役之後把它推入更高的“墓地軌道(Graveyard Orbit)”。

最多的太空垃圾分佈在近地軌道。由於地心引力和空氣阻力,500公里高度以下的太空垃圾更加容易自然墜入大氣層並在墜落過程中燒燬。而在通訊衛星聚集的地球靜止同步軌道上,因為同時滿足0度軌道傾角和3.6萬公里的軌道高度,實現與地球相對靜止,在此的太空垃圾一旦產生,“自然消失”會異常困難,再高於此50公里的“墓地軌道”會成為這部分太空垃圾的最終歸宿。

用“空曠”形容空間軌道早已不再適合。根據公開資料,截止到2016年7月,執行中的衛星數量有1419顆,三年之後,這個數字增長到2218。然而,與之一起增長的還有火箭二級、航天器碎片、報廢衛星,和航天員不小心扔掉的工作生活垃圾等等。遊蕩在我們頭頂上可被追蹤的人造物體,從18000個增長到20000個(被記載的)。


航天器解體到成為太空垃圾丨Giphy

而近年來的商業航天發展加劇了又一次加劇了“擁堵”。

並不是所有的天文學家都在讚美伊隆·馬斯克把火箭發射的成本打下一個數量級。令他們更加夜不能寐的是馬斯克的“星鏈(Starlink)”——最終可能多達4.2萬顆,遍佈於330至1300公里範圍內的不同高度軌道上的網路服務衛星群。這幾年,馬斯克已經把1892顆衛星送上太空,超過了星鏈之前,太空中所有在執行的人造衛星數量。更何況在早期的發射中,McDowell統計星鏈衛星的報廢比例有3%。

今年4月,SpaceX 執行第二次商業載人發射時,即將入睡的四名宇航員猛地被叫醒,他們被告知:龍飛船即將與一塊太空碎片相撞。還好在之後從地面控制中心傳來了“成功錯開”的訊號。

靠預警解決不了一切,因為有些太空碎片小到,飛到眼前,都來不及反應。

美國國防部有一份目錄,記載了能被 SSN(空間監視網路)追蹤到的,直徑大於10cm的太空垃圾有27000個;預估1-10cm之間的垃圾數量約為50萬個;1mm-1cm超過1億。10cm是一個分界值,對於比這大的太空垃圾,做匯合和碰撞評估才是有效的。


越來越擁擠的空間軌道丨Giphy

無法被追蹤的“小垃圾”擁有更大的潛在風險。60年代,科學家們發明了“輕氣槍”(Light-Gas Gun)——一種模擬軌道速度的裝置。當一個重量只有7克,由聚碳酸酯製成的拋射物,以7公里/秒與鋁塊相撞時,立即“炸”出一個比自身尺寸寬五倍、深五倍的坑。

因為那些根本躲不開的太空垃圾,國際空間站套上了一層惠普爾防護罩(Whipple Shield)——天文學家Fred Lawrence Whipple在上個世紀40年代發明了這種航天器超高速撞擊防護結構。

據前空間站指揮官Chris Hadfield描述,“如果你靜靜地呆在空間站裡,雖然不是每天都能聽見’砰砰’的撞擊聲,但也挺常見的。”Hadfield 曾經在自己推特上釋出一張照片,顯示空間站太陽能電池板出現了一個小洞,很有可能由微小尺寸的“太空垃圾”造成。


Chris Hadfield所說的Bullet hole丨Twitter

收垃圾的人

銥星33和Cosmos 2251“相遇”的四個月後,“激情碰撞”產生的碎片幾乎覆蓋了它們曾經所在的全部軌道。人們才又一次開始正視Donald Kessler在1978年提出的理論假設——當近地軌道運轉物體的密度達到一個臨界點,一次碰撞形成的碎片可能造成更多碰撞,形成級聯效應,一旦發生,地球軌道將被垃圾覆蓋填滿,可能導致人類在接下來數百年內無法進行正常的太空探索。

讓事情變得嚴重還有另外一個原因。此類太空垃圾能夠被“自然消化”的比例遠低於人們的想象。在2007年發生的一次反衛星試驗之後,2010年尤其產生的碎片增加到2800個,2014年超過3000個,然而其中只有不到10%自然脫軌燒燬。

就像飛速行駛在一條不斷有車輛插入,且愈發擁擠的高速公路上。製造問題的人在變多,好在解決問題的人也開始出現。

蘋果公司聯合創始人Steve Wozniak在今年宣佈了自己的新創業公司 Privateer Space, 在被問到為什麼要創辦一家“太空公司”時,他說:太空越來越擁擠了,像SpaceX他們發衛星時,也許就會想問我們要一張太空的“Google Map”。

勘測和繪製“太空地圖”是更加有效清理和監測的第一步。Privateer已經獲得兩次發射的批准,順利的話,將在2022年2月和4月分別執行。Privateer採用3D列印工藝來製作衛星的底盤,使用強度和重量比優秀的鈦合金來製作底盤。這可以使衛星攜帶更重的感測器、電池等裝置。Privateer 希望首先知道我們究竟有多少太空垃圾需要清理,以及它們都在哪。

Wozniak 尚未公佈最終的“技術實現路線”,但是Privateer已經開始了與另一家太空垃圾清理公司Astroscale的合作。今年3月,Astroscale的“技術驗證衛星”ELSA-d帶著180公斤的捕捉器和20公斤的模擬太空垃圾在拜科努爾航天發射場發射。


Astroscale演示丨Astroscale官網

太空垃圾處於不斷旋轉狀態,且無法與之通訊。捕捉器配備了光學感測儀,具備搜尋、追蹤定位和檢查功能,模擬太空垃圾附帶磁對接部件——最終將要驗證的是,當捕捉器和模擬垃圾相距很遠時,前者是否能夠找準時機吸附,並將後者拖入大氣層燃燒。

今年11月,《自然》雜誌發表了由美國猶他大學教授Jake J. Abbott 帶隊發明的一項技術,實現方式與Astroscale的方案類似——用旋轉磁鐵移動非磁化金屬體。當金屬碎片受到一個變化的磁場時,內部電子會進行環狀運動,產生扭矩和力。Abbott表示,旋轉磁鐵方案可以規避接觸式機械臂方案的一個缺陷——如果太空垃圾轉速過快,或者失去控制,將會折斷機械臂,產生更多碎片。

與日本 Astroscale 發射時間相差不到一個月,中國一家名為“起源太空”的商業太空公司,發射了“太空採礦機器人”,並稱其回收技術也可用於太空垃圾清理。根據其宣傳視訊,這種清理方式就像“漁網捕魚”。JAXA(日本宇航局)用過類似方法。2016年,一條長700米,由不鏽鋼和鋁製成的“漁網”搭乘去往國際空間站的貨運飛船升空,待飛船返回地球時將其釋放,通過電磁效應迫使太空碎片的移動速度變緩,從而足以墜入大氣層——結果任務因為釋放系統失靈告敗。

在《機器人總動員》中,瓦力和伊娃乘坐飛船衝出地球時,必須鑽出一層厚厚的太空垃圾這樣的景象距離我們並不那麼遙遠。因此即便所有相關公司的業務進展都還在驗證階段,政府機構已經迫不及待地開始派發訂單了。

歐空局把第一份太空垃圾清理訂單(1.02億美元)給了ClearSpace,清理2013年運載火箭“織女星”發射衛星時留在太空的衛星支架。ClearSpace將在2025年發射航天器,在800km的地球軌道上,機械臂將捕捉支架,拽入大氣層後一同燒燬。


ClearSpace任務丨wikipedia

而在另一部分“保守派”眼中,主動干預不是好的解決辦法。根據被認證為錢學森空間技術實驗室副研究員的知乎使用者@ZX Huo粗略的計算,一顆衛星平均要“遊蕩”1000年,才有機會撞上一次10cm級的空間碎片。雖然這是五年前的資料,即便放在今天,航天器在正常壽命內撞上空間碎片的概率也極其之小。

保守派擔心:如果為了清理垃圾,而發衛星,結果可能造成更多額外的垃圾。“嚴密監控、提前預警、相互避讓”在他們看來,是目前不新增額外負擔的最好辦法。歐空局每年都會“公告”,對沒有嘗試進入、失敗進入墓地軌道的衛星進行“通報批評”。

而保守派和行動派繞不開的共同問題是,太空垃圾的清理程序是緩慢的,而增速就是爆發式的。按照凱斯勒效應的預估,總有一天,當地球軌道上的物體足夠多時,災難性的連鎖碰撞必將無法避免。

但是足夠多是多少,並沒有人確切知道。

參考文獻

[1]https://gizmodo.com/a-history-of-garbage-in-space-1572783046

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Space_debris

[3]https://www.zhihu.com/question/50794838

[4]https://marketresearchtelecast.com/steve-wozniaks-company-which-seeks-to-be-the-google-maps-of-space-will-launch-its-own-satellites-to-study-and-map-space-debris/207413/

[5]https://m.huxiu.com/article/356915.html?f=app_ios_friends

作者:沈知涵 Steed對本文亦有貢獻

編輯:臥蟲

本文來自果殼,未經授權不得轉載.



原文連結:https://inewsdb.com/數碼/靜靜地躺在空間站裡,艙外卻傳來了“砰砰”的敲

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