太空垃圾可能会杀死卫星、空间站和宇航员

构成太空垃圾的物体数量每年都在持续增长

太空垃圾可能会杀死卫星、空间站和宇航员

损坏的卫星、用过的火箭零件和其他垃圾——甚至是宇航员的手套——都会污染近太空环境。这可能会给航天器和其中的任何宇航员带来大问题。

2021 年 11 月 15 日上午,国际空间站上的 7 名宇航员因不受欢迎的消息醒来。美国航天局美国宇航局 (NASA) 很担心。车站直接放大到一个突然变得危险的区域,到处都是垃圾。碰撞可能会损坏航天器。这可能会威胁到里面每个人的安全。美国宇航局警告宇航员躲避。

宇航员关闭了国际空间站各部分之间的舱口并爬上了逃生船。然后他们等着。幸运的是,他们顺利通过了该地区。全清。

很快,所有这些碎片的来源就会被揭露。当天早些时候,俄罗斯政府发射了一枚火箭炸毁了一颗大型卫星。自 1980 年代以来,这颗卫星就没有工作过。这次发射是在测试一种新的导弹技术。

当导弹完成任务时,爆炸创造了一个“碎片场”。破碎的卫星洒满了大约 1500 块垃圾,这些垃圾大到可以用望远镜观察和追踪。它还生产了数十万件小件。即使是一小块也可能在国际空间站的外部撕开一个洞。来自这颗卫星的威胁可能会持续数年,甚至数十年。

让我们了解卫星

太空垃圾以每秒 8 公里(5 英里)的速度在地球周围疾驰。撞击的速度可以达到每秒 15 公里,或者是子弹的 10 倍。美国宇航局的科学家估计,一块大理石大小的碎片可以撞到另一个物体,其力量相当于一个以每小时 483 公里(300 英里)的速度行驶的保龄球。

国际空间站每 93 分钟经过同一地点,因为它环绕地球。在 11 月中旬的那天,船上的每个人都担心会受到影响。但这不是太空垃圾第一次或最后一次威胁任务。爆炸促使美国宇航局取消了计划于 11 月 30 日进行的太空行走。搭载三名宇航员的中国空间站因为俄罗斯卫星不得不改变航向。就在爆炸前三天,国际空间站改变了轨道,以避免与一颗老旧、故障卫星留下的太空垃圾相撞。12 月 3 日,国际空间站再次改变航向,以避免来自另一颗故障卫星的碎片。

太空垃圾是一个日益严重的威胁。事实上,这些垃圾“现在是研究太空交通管理的人最关心的问题,”Pat Seitzer 说。他是密歇根大学安娜堡分校的天文学家。他使用望远镜和计算机来研究轨道碎片。

“我们自己制造了这种风险,”Don Pollacco 说。幸运的是,他补充说,“我们可以做一些事情来阻止它成为风险。” 作为英国华威大学的天文学家,波拉克负责管理新的空间领域意识中心。那里的科学家专注于离地球最近的外太空环境。他警告说,碎片问题威胁着太空交通的未来。

“如果你不处理它,它迟早会赶上来,”他说。“你不能永远忽视它。”

追踪垃圾

欧洲航天局 (ESA) 估计,现在大约有 36,500 块大于 10 厘米(4 英寸)的碎片绕地球运行。大约有 100 万件直径在 1 到 10 厘米之间。在太空附近还有超过 3 亿件更小的垃圾。科学家使用雷达来追踪最大的碎片。最小的?它们太小而无法精确测量。

1957 年 10 月 4 日,苏联向太空发射了第一颗人造卫星——人造卫星 I。从那时起,世界各地的政府、军队和公司又派出了数万颗卫星。仅在 2020 年,就有 1200 多颗新卫星进入太空——比以往任何一年都多。欧空局估计,在送入太空的 12,000 多颗卫星中,约有 7,630 颗仍在轨道上。只有大约 4,800 人仍在工作。

几十年来,空间碎片一直在增长。其中大部分位于科学家所说的低地球轨道或LEO。这意味着它在地球表面上方约 1,000 公里(620 英里)的轨道上运行。国际空间站也在近地轨道上。

太空垃圾可能会杀死卫星、空间站和宇航员

从 1984 年到 1990 年,长期暴露设施(顶部)监测低地球轨道或 LEO 中的小碎片。

空间碎片包括大型物体,例如用于将卫星送入太空的火箭碎片。它还包括诸如这些火箭的鼻锥和有效载荷盖之类的东西。还有一些卫星不再工作——或者从一开始就失败了。

一个是 Envisat,它是 2002 年发射的一颗 ESA 卫星。它在执行监测地球气候的任务 10 年后就去世了。至少在接下来的 100 年里,它的尸体可能仍然是一个威胁。

“这是一场等待发生的大车祸,”波拉科担心。

一些大的粉碎产生了许多已知的空间碎片。2007年,中国发射了一枚导弹,炸毁了它的一颗旧气象卫星。爆炸产生了 3,500 多块大碎片,以及巨大的小碎片云。2009年,一颗报废的俄罗斯卫星与一家美国公司拥有的通信卫星相撞。这次撞击还产生了大量的碎片云。

美国国防部运行着一个太空监视网络。它使用雷达和其他望远镜来追踪更大的碎片。据美国宇航局称,该网络现在跟踪超过 25,000 个大块。当其中一个块与国际空间站相撞的机会大于万分之一时,空间站将移开。近年来,私营公司也开始追踪碎片。

太空垃圾可以非常多样化

1965 年,宇航员 Ed White 在一次太空行走中丢失了一只手套。其他宇航员丢失了螺丝刀和其他工具。爆炸的电池或燃料箱——有些还有燃料——在轨道上呼啸而过。剥落的油漆、螺母和螺栓的斑点也是如此。以他们移动的速度,一切都很危险。

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一颗流星体或一块碎片撞上了国际空间站的气闸罩,留下了这个陨石坑。

科学家们看不到像螺栓、螺母和油漆斑点一样小的碎片。相反,他们研究这些在现有卫星上留下的划痕和凹痕。在 2021 年 5 月的一次检查中,宇航员发现国际空间站的机械臂已被空间碎片损坏。手臂仍然可以工作,但它有一个大约 0.5 厘米(0.2 英寸)宽的孔。

哈勃太空望远镜提供了大量来自类似碎片遭遇的数据。在过去的三十年里,宇航员多次访问和修理过望远镜。每次他们都在太阳能电池板中发现数百个小陨石坑。这些是与小碎片碰撞留下的。科学家们一直在记录这些影响的模式和发生率。这些数据将帮助科学家们建立计算机模型,不仅可以预测有多少微小碎片留在轨道上,还可以预测它们的位置。

密歇根州的 Seitzer 说,对空间碎片的研究证实了这种威胁正在增加。“这是一个真正的问题。” 但他担心人们没有吸取正确的教训。在 2007 年中国炸毁卫星并制造巨大碎片场的事件之后,他认为人们会努力解决太空垃圾问题。“我原以为每个人都会被说服。”

但他们不是。所以问题还在继续扩大。

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该视频展示了一个实验室实验,该实验模拟了一小块轨道碎片对铝板的影响。

私营公司 SpaceX 已经发射了由数十颗卫星组成的“星座”。该公司正在使用这个名为 Starlink 的项目来创建一个全球互联网系统。已经有大约 40% 的太空活动卫星属于 SpaceX。该公司计划再推出数千个。他们并不孤单。通信公司 OneWeb 已宣布计划发射自己的 300,000 颗卫星星座。

当一家公司得知其卫星将在距离另一颗卫星 1 公里(0.6 英里)范围内(或接近一块太空垃圾)飞行时,它可以稍微改变其卫星的方向。8 月,英国的研究人员报告称,SpaceX Spacelink 卫星参与了 LEO 中约一半的避碰行动。在不久的将来,他们预测这一比例可能会上升到十分之九。

帕拉科说,随着天空中卫星数量的增加,与碎片碰撞的威胁也会增加。“这是一个累积的事情,”他说。“我们对此做的越少,情况就越糟。”

当心级联

天文学家担心随着太空垃圾的增加,这些碎片也会干扰望远镜的观测。“如果你得到足够的这些碰撞,你可以照亮夜空,”康妮沃克说。她是位于亚利桑那州图森的美国国家科学基金会 NOIR 实验室的天文学家。

她担心空间碎片和卫星可能会限制对空间的科学研究。那个垃圾可以反射如此多的光,以至于它隐藏了遥远的星星的光。目前,科学家们正试图确定空间碎片和未来大量的卫星星座可能如何影响望远镜观测。沃克说,对于敏感的天文台,“我们需要一个非常清晰且光污染不严重的天空。”

另一个不太明显的风险是专家称之为“凯斯勒综合症”的风险。1978 年,美国宇航局天文学家唐纳德·凯斯勒(Donald Kessler)查看了有关太空碎片的数据并做出了不祥的预测。他说,最终,LEO 会积累如此多的太空垃圾,以至于可能引发级联。他预计,一次碰撞产生的碎片会导致其他碰撞。这些碰撞产生的碎片会导致更多。还有更多,更多。这被称为凯斯勒综合症或凯斯勒效应。

“我们还没有做到这一点,”Seitzer 说。但他说,除非私营公司、军事行动和航天政府认真对待这个问题,否则这样的级联可能会发生。“即使我们不添加任何其他内容,轨道上现有物体的更多碰撞也会产生更多碎片。”

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这架位于阿森松岛(位于大西洋)上的望远镜可追踪不同高度的轨道碎片。

前往墓地轨道!

一些专家担心,在悲剧发生之前,人们不会认真对待这个问题。

“大多数人都没有遇到过卫星问题,”科学历史学家丽莎·露丝·兰德 (Lisa Ruth Rand) 说。她在帕萨迪纳的加州理工学院工作。“如果我们失去了国防使用的卫星,或者有什么东西从太空坠落,人们就会感到害怕。那时太空垃圾就成了问题。”

但不要误会,她说,空间碎片已经对环境造成危害。她不是第一个指出这一点的人。自 1960 年代以来,美国宇航局的科学家就已经警告过污染近地空间的危险。

还有一些公司和科学家正在研究清理混乱的想法。但图森的 NSF 天文学家沃克说,他们需要不同的策略,具体取决于他们正在清理的太空部分。

她解释说,“你走得越高,卫星脱离轨道所需的时间就越长”。LEO 中的大块碎片可能会被重新导向地球,在大气层中燃烧。

日本公司Astroscale设计了一种航天器,可以磁性“抓住”太空垃圾并将其拖到较低的轨道上,然后从那里坠落并在大气中燃烧。该公司于 2020 年 3 月将两颗卫星发射到太空以测试该技术。

“当涉及到轨道碎片时,有多种方法可以处理这些事情,”汤姆麦卡锡说。他是加利福尼亚州帕萨迪纳市 Motiv Space Systems 的机器人专家。麦卡锡一直在开发可以修复和回收旧卫星的航天器。他说,这种技术可以帮助延长这些卫星的工作寿命。

更远的太空垃圾可能需要不同的策略。地球静止轨道上的大块碎片——大约 36,000 公里(22,000 英里)以上——可以被送到“墓地轨道”。它们将被推进距离地球额外 300 公里(190 英里)的地方,它们将停留在那里,远离它们可能造成任何重大损害的地方。

“卫星可以与地球静止卫星对接或连接,然后将其带到处置轨道并释放,”麦卡锡说。这可能已经在发生。2022 年 1 月下旬,一家名为 Exoanalytic Solutions 的公司监测太空环境,报告了一个奇怪的观察结果。一颗中国卫星飞到一颗大而死的卫星附近,并将其拖到墓地轨道上。

其他专家表示,将卫星从轨道上移除的计划需要纳入飞行器的设计中。这就是 Astroscale 正在做的事情。该公司开发了一个磁性对接站,可以在发射前固定在卫星上。稍后,当它需要修理或拆除时,可以派另一辆车上来收集它。

一个由来自世界各地空间机构成员组成的国际委员会建议所有新卫星都能够在 25 年内自行脱离轨道。有些卫星足够近,可以自然地做到这一点。其他人不是。根据欧空局 2019 年 7 月的一份报告,在那些太高而无法自行脱离轨道的卫星中,只有不到四分之一的人可以将自己降出轨道。

波拉科说,卫星设计师需要在升空之前解决太空碎片问题。但现在,他说,卫星运营商并没有看到问题所在。“清理这些东西符合每个人的利益,”他说。“如果不是,这将成为我们的全部问题。”

Tags: 科技, 天体

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