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太空“碰碰车”:天空有点挤
添加时间:2009/3/3  作者:初一  来源:《卫星与网络》杂志  点击:1434  
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  2月11日,美国宇航局通过电子邮件发出警告。邮件称,美国东部时间上午11点55分,重900公斤的俄罗斯‘宇宙2251’卫星与铱星公司一颗重560公斤的卫星在西伯利亚上空790公里的区域发生相撞。

  这次碰撞产生了几百块碎片,碎片的运行轨迹需要经过一段时间的研究才能研究出来。至于对国际空间站的影响,也正在研究当中。

  美国宇航局的发言人约翰·耶姆布里克(John Yembrick)称,国际空间站目前还不会遭遇到主碎片云,因为其轨道位于地球上空220英里处,低于发生碰撞的轨道271英里。然而,由于碎片会不断扩散,在将来的某个时刻,空间站可能需要进行变轨。“碎片迟早会向四周扩散,碎片之间会再次相撞,最终碎片会越来越小,其轨道高度会降低。必要时,空间站将进行变轨操作以躲避碎片。”

  耶姆布里克表示,空间站已经进行过8次躲避碎片的操作,但对于已经绕地球飞行了6万圈的空间站来说,这类操作十分罕见。3名宇航员乘坐仍然处于未完成的轨道实验室中,其中包括2名美国人和1名俄罗斯人。

  太空车祸

  这次“太空碰碰车”被称为人类历史上的第一次太空碰撞。碰撞的两个主角一个是俄罗斯的“Cosmos 2251”,这颗卫星是1993年发射的,已经报废10年了,没有动力系统。而另外一个是1997年发射的“铱星33”,这颗卫星还处在正常运行当中,由于这次碰撞也报废。

  不过根据铱星控股的说法,这次事故对铱星系统的服务产生的影响很小,铱星出现故障之后,铱星公司立刻采取了相关措施,铱星星座还在正常运行。铱星的发言人说:“这次事故并不是由于铱星系统或技术出现问题而造成的,而且这属于小概率事件。在未来30天内,铱星公司会将其运营的其中一颗在轨备用卫星迁入星群网络,以永久性替换这颗受损的卫星。”

  实际上,太空的很多飞行器都收到过太空垃圾的骚扰,美国的航天飞机每次回来都可以发现身上的“伤痕”,不过由于垃圾的颗粒很小,所以也就没有造成太大威胁。在人类航天史,正式记载的航天碰撞有五次。

  1991年12月底,俄罗斯一颗失效卫星“宇宙1934”撞上了本国另一个“宇宙926”释放出来的大碎片,前者一分为二,后者零碎到无法跟踪。

  1996年7月24日,一块“阿丽亚娜”火箭的残骸,以每秒14公里的相对速度撞断了法国一颗正在工作的电子侦察卫星的重力梯度稳定杆,后者翻滚失效。

  1997年,俄罗斯为了试验新的“Toru”飞船对接系统,提高进步号飞船和和平号空间站对接的灵活性,减少对过去自动对接系统“Kurs”的依赖,在进步M-34飞船上安装了Toru飞船对接系统,6月25日在对接过程中,由于有个控制部件失灵,飞船越过和平号的核心舱体,以每小时17.5公里的速度撞到了一块光谱号上的太阳能电池板上,初始的碰撞力使光谱号主舱体向内偏转,并把覆盖在舱体外部散热器上的保护盖撞得移位。

  这次碰撞导致光谱舱破裂,宇航员不得不关闭光谱舱,并且由于太阳能电池板损坏,空间站的电力下降一半,从此以后,和平号空间站故障不断,对空间站的寿命产生巨大影响,这也是和平号空间站不得不提前结束使命,于2001年坠入南太平洋的重要原因之一。

  2005年1月17日,距离地球表面885千米的近地轨道,两颗空间垃圾撞在一起。

  美国《太空》杂志随后详细介绍了发生相撞的两位“主角”的来历:1974年,美国发射了ThorBurner2A火箭并将一颗人造卫星送入了预定轨道。随后,该火箭的最后一级推进器就一直滞留在近地轨道上,一呆就是31年;2000年,中国的“长征4号”运载火箭顺利升空,第三级火箭在完成使命后,火箭残骸也滞留在太空,并在相邻的近地轨道上运行。两个主角以每秒5.73公里的相对速度碰撞,长征四号火箭残骸的近地点轨道下降了14公里,美国的火箭废弃物一分为四。

  由于这次碰撞属于“垃圾碰垃圾”,所以并没有产生太大影响。

  另外一次是在2005年4月15日,美国发射了一个叫做DART的卫星,主要用来研究飞行器之间的自主对接技术,DART成功地找到了目标卫星MUBLCOM,但是由于导航数据不准确、推进器控制系统出现故障,两颗卫星发生碰撞,最终导致项目失败。从发射到价值1.1亿美金的卫星作废,只用11小时。不过由于碰撞速度只有1.5米每秒,所以,MUBLCOM并没有遭受什么伤害,随后MUBLCOM系统重新启动,恢复正常工作。到现在为止,这两颗卫星还在极地轨道上游荡。

  据计算,目前太空轨道上每个飞行物发生灾难性碰撞事件的概率为3.7%,发生非灾难性撞击事件的可能性为20%。以此推算,那么今后将每5-10年可能发生一次太空垃圾与航天器相撞事件,但是到了2020年,这种频率就将上升到两年一次。

  天空有点挤

  实际上,到2008年底,人类在太空已经发射了6600多个飞行器,其中有5000多颗卫星,现在还在使用的卫星是1000多颗。漂浮在太空的直径超过10厘米的“空间垃圾”超过18000个,而大于1毫米的空间垃圾可能已经超过3亿个,空间垃圾的总重量超过3000吨,大到废弃卫星和各类航天器的金属部件,小到固体发动机点火产生的残渣和粉末。不要小看这些空间垃圾,一个直径不到一厘米的螺丝帽,碰撞之后的爆炸力相当于一颗手榴弹。

  这些垃圾大都来自人类在进行航天活动时遗弃在太空的各种物体和碎片,它们如人造卫星一般按一定的轨道环绕地球飞行,形成一条危险的垃圾带。据有关专家介绍,太空垃圾数量正以每年2% 的速度增加。科学家们预测:如此下去,到2300年,任何东西都无法进入太空轨道了。

  越来越多的太空垃圾挤在人类航天器的轨道中间,成为人类航天器的最大杀手,使宇航员的安全受到严重威胁。除此之外,太空垃圾还污染了宇宙空间,给人类带来灾难,尤其是核动力发动机脱落,会造成放射性污染。上个世纪80年代,一颗俄罗斯的核动力卫星坠落在加拿大,造成了不小的核恐慌。

  所以,在不远的将来,我们将会见到越来越多的空间“撞车”的报道。

  从保护到监控

  由于空间的很多“垃圾”的运动是无法控制的,根本无法像地面交通那样设置“空间交通警察”,因此人类在寻找各种各样的办法来防止出现“太空碰碰车”对正在运行的飞行器进行干扰。

  其实早在人类向太空发射飞行器之前,科学家就已经考虑到太空垃圾的问题,1947年,美国科学家惠普耳曾提出了保护航天器免受高速飞行的太空垃圾袭击的方法。为了代替镶嵌在航天器表面越来越厚的保护层,惠普耳建议在保护层前安装一层防护屏,当太空垃圾与防护屏发生碰撞时,防护屏被击碎,同时太空垃圾也被撞碎变成粉末,从而解除了对航天器的威胁。随着人类对太空的不断开发,宇宙飞船等航天器的体积也在不断增大,惠普耳防护屏的面积也大大增大,相应的发射航天器的费用也大大提高了。

  俄专家研制了一种飞行器防护屏幕,这种防护屏幕的一个重要特点是在网状的防护屏上涂了一层特殊材料,当太空碎片与其发生碰撞时,碰撞产生的能量使其与太空垃圾发生爆炸式的化学反应,大大促进了太空碎片变成粉末的过程。网状防护屏还能使与其碰撞的太空碎片横向面积增大,降低碰撞的强度。因此,研究人员将这种保护法称为力学-化学保护法。

  据悉,研究人员用速度达每秒七千米、直径一厘米大小的铝球粉向防护屏幕射击的地面试验中获得了成功。

  为了减少空间垃圾,科研人员还采用各种办法,例如,对于价值比较高的近地轨道飞行器,可以采用人工回收的方法。美国已经做了类似的试验。有人还提出了太空清洁车。

  此外还有一种设想叫做“终结者绳索”,就是在卫星后面有一个五公里长的导电绳索,这五公里的绳索切割地球的磁力线,使地球对卫星产生一种拉力。如果没有这种绳索,卫星可以围绕地球运营一百年,如果采用这种绳索的方式,18天就可以坠落地球。

  不过这些方法都处于试验当中,比较实际的方法就是采用“自杀”的方式来处理大型空间垃圾。南太平洋地区被成为“卫星坟场”。2000年,美国将一颗十几吨重的太空望远镜主动坠毁在这个领域,和平号空间站在2001年的坠毁,也是采用这种方式。

  给垃圾编号

  而对于大量无法控制的太空垃圾,则是采用“惹不起就躲”的方式。

  从上个实际80年代,国际上就开始对空间飞行器进行跟踪。美国战略司令部(US Stratcom)设置了专门机构对空间垃圾进行观测,并对现在观察到的直径在10厘米以上的18000多个碎片进行编号。全天候跟踪太空垃圾的运行轨迹。

  美国和俄罗斯都建设了相应的空间碎片雷达探测网。美国一直在使用哈佛斯塔克天文台、HAX和“金石”雷达探测空间碎片,其中HAX和“金石”雷达能提供尺寸为0.5厘米(有的为0.2厘米)的空间碎片环境的统计图。俄罗斯也有自己的雷达探测系统,能实现对尺寸在30厘米以下的空间碎片的测量。另外,德国的跟踪成像雷达(TIRA)也具有较高的探测能力,能够观测到500千米高空上2厘米大小的空间物体。

  其他国家也开展空间碎片直接探测的研究,1996年欧空局将碎片和尘埃探测器送入静止轨道;法国空间研究中心也于1999年将有源和无源探测器送上和平号空间站,用于空间碎片的研究。

  美国在国际空间站上搭载的用于监视轨道碎片的雷达、法国空间研究中心小卫星群上的微波雷达、俄罗斯的毫米波相控阵雷达和加拿大的观测空间碎片的雷达。

  早在1995年6月,中国国家航天局就正式加入了“机构间空间碎片协调委员会”,与各国共同探讨减少空间碎片的途径和办法。现在持续跟踪天空上大约一万片空间垃圾。2005年3月初正式成立针对“太空垃圾”的观测中心——“中国科学院空间目标与碎片观测研究中心”,将为我国建立空间航天安全预警系统。

  而在中国历次载人航天飞行当中,这个研究中心为航天英雄做了最重要的“导航”的工作,他们提前预测所有碎片的轨迹,为神州系列的各个飞行器在空间的安全运行提供了最安全的“空间道路”。

  链接:背景资料

  Cosmos-2251是俄罗斯Strela-2M军用通信卫星系统的其中的一颗,该卫星是1993年6月16日格林威治时间4:17分在拜科努尔航天中心发射,发射火箭是Kosmos-3M。

  从1970年6月27日发射第一颗Strela-2M开始,俄罗斯(包括前苏联)一种发射了52颗同型号的卫星,1994年12月20日发射了最后一颗,这颗编号为Cosmos-2251的卫星是倒数第二颗同型号的卫星。

  从1973年开始,前苏联开始研制第二代战略军用通信卫星Strela-3,前三颗Strela-3是1985年1月15日发射的,1990年整个星座投入军用,1992年开始替换Strela-1M,1994年开始替换Strela-2M,Strela-3有一个民用版本叫做Gonets-D。到2004年9月,Strela-3一种发射了136颗。

  Strela是俄罗斯低轨道军用通信卫星星座,前三颗卫星是1964年8月18日发射的,卫星编号分别是Kosmos-38, Kosmos-39 和Kosmos-40,随后Strela卫星不断改进,有Strela-1, Strela-1M, Strela-2, Strela-2M和Strela-3多种型号,Strela卫星现在还用于俄罗斯民用低轨道卫星系统Gonets。

  惹祸的Strela-2M卫星

  铱星33

  从1997年到2002年铱星控股总共发射了95颗卫星,其中每颗卫星满载燃料的重量是1485磅,轨道高度485英里,轨道与赤道的倾角为86.4度。

  可能是巧合,这颗卫星是由俄罗斯在拜科努尔航天中心发射的。

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