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观察|某卫星突然太空解体,太空垃圾影响日益严重

原标题:观察|某卫星突然太空解体,太空垃圾影响日益严重

这几天,太空发生了两起卫星解体事件,成为航天界的热议话题。

先是一颗美国代号为NOAA-17的退役气象卫星在太空解体,过了七八天后,一颗其他国家的现役卫星不明原因也在太空解体。

美国天军第18空间控制中队18日称,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)一颗退役气象卫星于3月10日在轨道上解体,分裂成至少16块太空垃圾。

另一颗在太空解体的某卫星是现役卫星,才发射两年多,正值“当打之年”。这颗卫星解体后形成21块碎片,具体原因还在分析之中,还没有官方的说法。

有分析认为,两颗卫星先后解体,并不是巧合,考虑到某卫星与NOAA-17轨道非常近,可能是美国卫星解体后的碎片击中了某卫星,导致解体。此事发生后,卫星碰撞、太空垃圾等问题再次引发关注。

太空垃圾已经包围地球,对正常运行的航天器的影响越来越大。

太空“公地悲剧”日益凸显

还有两件“巧合”的事情值得一提,一是两起卫星解体事件发生后,3月24日,俄罗斯外交部官网发布消息称,23日俄美双方举行了视频会议,两国就确保太空领域安全的广泛问题交换了意见。具体商谈细节未公布。

二是3月22日,日本宇宙尺度公司(Astroscale)碎片主动清理服务技术验证任务下的两颗卫星“宇宙尺度送终服务-验证(ELSA-d)追逐星”和“ELSA-d目标星”由俄罗斯“联盟”运载火箭发射上天。

自1957年苏联发射人类第一颗人造卫星以来,被送入太空的航天器数量越来越多,现在,茫茫太空已经呈现出一番群“星”闪耀的景象。太空是全人类的共有资源。1967年生效的《外层空间条约》确立了太空“全球公地”的法律地位。根据条约,太空是人类的共有资源,太空探索和利用是全人类的事业,不管一国经济、科学发展水平如何,其都有和平探索和利用太空资源的平等权利。因此,只要具备经济和技术实力的国家都尝试进入太空,而那些不具备条件的国家也在千方百计利用太空。

自人类进入太空时代以来,有超过7000多颗航天器先后进入太空,在地球轨道上投放超过了2万吨的物体,并且这个数量仍处于不断增长的状态。全世界现役卫星在轨数量已经超过3900颗。其中美国现役在轨卫星数量已经超过2000颗,去年6月份的时候在轨卫星数量接近600颗,之后随着SpaceX公司“疯狂”发射“星链”卫星,数量猛增。

“星链”卫星发射,采用一箭多星方式。

在这种情况下,太空就出现了美国学者加勒特·哈丁所说的“公地悲剧”的现象,即每个“牧羊人”(在太空行为中指的是国家或非国家行为体)都想增加更多的“羊群”(航天器),以实现自身利益的最大化,但太空公地的面积是有限的,“牧羊人”不断增加“羊群”的举动导致太空公地的“草原”出现“沙化”,太空“公地悲剧”就此上演。

太空上演“公地悲剧”最直接的后果是太空“交通乱象”丛生。太空“交通乱象”首先表现为交通拥堵。根据美国国防部公布的信息,直径10厘米左右的太空物体的数量约为39000个,直径大于1厘米小于10厘米的太空物体大约50万个,加上7000多颗人类发射的卫星,地球近地轨道的太空早已被密密麻麻的太空物体包围,一些稀有的轨道布满了卫星,太空交通出现拥堵状况那就不足为奇了。

随着微小卫星的快速发展,尤其是近几年低轨道通信/互联网卫星发展尤为迅速,这些小尺寸的微小卫星短时间内被大量送往太空,让“太空拥堵”加剧。3月24日,SpaceX公司进行了“星链”低轨宽带星座的第23次专项组网发射,将 60颗“星链”卫星送入太空。目前,该公司已发射“星链”卫星总数为1385颗,大概有60颗失效,部分主动离轨。SpaceX公司大量发射“星链”卫星除了看重未来的商业前景,还有一个没有明说的目的是抢占低轨道资源。

如此多的“星链”卫星短时间内上天,负面影响不容忽视。其负面影响是影响其他航天器的安全,现在,太空没有专门的各国都服从的“交通管理机构”,虽然“星链”卫星失效后会主动离轨,但不排除由于技术原因无法主动离轨,那么就成为太空垃圾。现在,SpaceX公司只与美国国内的航天机构签订了避免碰撞协议。按照协议,在出现任何与NASA航天器近距离接近的情况时,太空探索公司将利用“星链”卫星的自主避撞功能来实施避让。这也意味着其对其他国家航天器还是有威胁的。除了卫星碰撞问题,如此多卫星(早期发射未做低亮度处理的卫星)还干扰了天文观测。SpaceX公司已经决定后批次“星链”卫星降低亮度,以期减小对天文观测的干扰。

NOAA-17卫星是美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的气象卫星。

太空“交通事故”不断上演

太空垃圾、航天器的增多也增加了太空“交通事故”的发生。太空物体运行速度非常快,即使1厘米的碎片撞击到航天器,也会给航天器带来灭顶之灾。由于太空物体日益增多,“太空交通”事故并不鲜见。1994年,一个火箭发动机上的碎片击中一颗名为“樱桃”的法国卫星,导致卫星偏离正常轨道。2009年,美国“铱星33”通信卫星与俄罗斯废弃多年的“宇宙2251号”在太空相撞,两颗卫星都粉身碎骨,这是人类历史上首次卫星之间的大相撞事件。

太空“交通事故”不但会使“肇事者”和“受害方”付出惨痛的代价,其后续影响还会波及其他的“无辜者”,因为碎片与碎片、航天器相撞会产生更多的碎片,这些碎片至少会在太空存留几十年甚至上百年,进一步加剧太空环境的恶化,极有可能导致更多太空“交通事故”的发生。

具体到此次美国卫星和某卫星解体事件,美国天军第18空间控制中队称,没有证据显示此次解体是由碰撞引起的。该卫星在2002年6月发射,设计工作寿命为3年,但服役了11年, 2013年4月正式宣布退役。美国国家海洋与大气管理局以及其它机构均未公布解体原因。不过,NOAA-17与发生解体的其它极地轨道卫星相似。包括美空军“国防气象卫星计划”(DMSP)下的两颗卫星DMSP-F13和DMSP-F12也分别于2015年2月和2016年10月解体。DMSP-F13报废原因是卫星蓄电池设计缺陷,而那项缺陷在其它DMSP卫星上也存在。因此,此次美国卫星解体原因可能也是电池设计缺陷,有可能发生了爆炸。

另一个解体的某卫星在2019年9月发射,卫星解体后形成21块碎片。根据数据显示,该卫星在北美太空防御司令部目录中的编号为44547,国际编号为2019-063A。该卫星主要用于大气海洋环境要素探测、空间环境探测、防灾减灾和科学实验等领域。卫星运行在780×785千米的太阳同步轨道,轨道倾角98.5度,而美国解体的NOAA-17卫星运行在800千米的太阳同步轨道,轨道倾角98.9度。从这些信息看,一些分析认为是美国卫星解体后的碎片击中了某卫星导致解体,并非一点道理都没有。

清理太空垃圾想象图。

不管什么原因,此次两颗卫星先后解体事件还是在提醒各国应合力解决太空垃圾、航天器碰撞等问题。现在多个大国都建立的太空垃圾监视系统,但除了有盟友之间,非盟友之间基本上处于“各扫自家门前雪”的状态,美国是世界上太空监视能力最强的国家,在现在环境下,与对手共享信息的可能性很低,但还是应该推动在联合国框架下加强这方面的合作,尤其是这几年微小卫星和商业火箭发射快速发展的当下,太空垃圾、航天器碰撞问题将日益凸出。除了在太空垃圾监视、航天发射方面加强沟通,太空垃圾清理也是有很大的合作空降。

此次,日本发射的太空垃圾清理试验卫星是一个很好的尝试。两星由该公司和英国萨里卫星技术公司共同建造。追逐星和目标星分别重175千克和17千克。追逐星上装有光学敏感仪器和抓捕机构,可借助目标星上带有光学标记的铁磁对接板实施抓捕。它能反复与目标星对接,然后再将其释放。两者发射时装在一起,入轨后先分开,最终会一同离轨。这是太空垃圾清理的一次有益尝试,未来如果广泛运用将有助太空垃圾减少。

目前,主流的清理技术包括电动系链系统移除技术、交会捕捉移除技术、喷射移除技术、激光主动移除技术、充气阻尼移除技术、太空拖网等。具体地说,就是通过太空拖网、“鱼叉”、风帆和机械臂等各种工具,将捕获到的太空垃圾拖回到地球大气层燃烧和分解。目前,对这种技术的一般要求是,成本要低,最好能一次发射处理尽量多的垃圾,并且不能产生更多的太空垃圾,废弃的大型航天器在再入大气层时须可控等。但总体上说,方法虽然不少,各国也上马了一些项目,但重视度还是不够,花钱少、效率高的清理方式还没实用化。

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