2018-11-25 19:11:57烈火紅焰

※捕捉太空垃圾.....※

 

英國已在地球軌道上部署用於捕捉太空圾的衛星。這項名RemoveDEBRIS」的計畫在地球上方 300 公里處進行,目的是要使用不同方法移除地球軌道上的太空圾。這些在太空漂移的廢棄物約有 7600 噸,以大約 4.8 萬公里的時速移動,可能會對執行任務的衛星造成撞威脅。

這項計畫由英國薩里太空中心和空中巴士(Airbus)等公司合作,其中空中巴士工程師製造了一張用於捕獲太空圾的巨網。

太空

地球軌道上遍佈著無數的廢棄金屬和其他材料,包括火箭發射過程生的碎片、報廢的衛星、太空船表面塗層老化脫落的油漆斑塊、太空船洩漏出的固體及液體材料等太空圾。令人擔憂的是,若不盡快除這些太空圾,將對運作中的衛星生重大威脅。

空中巴士工程師阿拉斯德·偉曼(Alastair Wayman)表示:「如果太空圾發生撞,會生大量的太空碎片。然後碎片會與更多的太空圾發生撞,就會再生更多太空碎片。這是一種雪球效應。」

攔截網實驗

在九月進行的一項實驗中,薩里太空中心事先投放了一顆立方體衛星(CubeSat),再由 RemoveDEBRIS 衛星彈射出五公尺長的攔截網捕獲目標,並預計以幾個月的時間,將立方體衛星脫離原本的軌道,使其墜入地球大氣層燃燒殆盡。

薩里太空中心主任古列爾莫·阿格萊蒂(Guglielmo Aglietti授表示:「運作的方式正如我們期望,可以楚看到網子捕獲太空圾,我們對實驗進展非常滿意。」

空中巴士的計畫負責人雷塔(Ingo Retat)表示:「了捕獲太空碎片,我們花了六年時間網子設計物線飛行,並在特殊垂降塔和熱空室中進行測試。我們的工程師和技術團隊做了一項了不起的工作,為清除低地球軌道的太空圾向前邁進一步。」

其他實驗

外界關於理太空圾的方法有很多討論,但 RemoveDEBRIS 是第一個實際嘗試解決方案的衛星。

RemoveDEBRIS 還計畫測試更多除太空圾的方法,例如使用新的導航技術來追蹤太空圾;一種稱「拖曳帆」的裝置,可讓太空圾更快脫離軌道;以及一種特製魚叉,可在衛星偵測到碎片時立刻射出,將其固定後拖走。

 

根據俄羅斯國營國際新聞台 RT 的報導,俄羅斯航太公司(Roscosmos)的子部門──精密儀器系統(Precision Instrument Systems, PIS──的科學家正計劃建造太空雷射發射器以摧環繞著地球運轉的圾。

目前該計劃僅在開發尋找太空圾用的光學望遠鏡,然而 PIS 最近向俄羅斯科學院(Russian Academy of Sciences)提議將望遠鏡進一步發展雷射炮,根據該組織的報告,固態雷射能以光束蒸發太空圾。 PIS 的代表在受訪時證實報告的存在,但在時間表或其他技術細節上「拒進一步闡述」。

如果該項目獲得批准,望遠鏡將變成除機器,用一束能量燒穿太空圾,直至其蒸發,這過程被稱雷射燒蝕(laser ablation)。

太空圾製造的問題

人類多年來在發射衛星或進行其他太空任務後在太空中留下了大量的圾,美國太空總署(NASA)估計大約有 2 萬塊大型圾正繞著地球運轉。快速一瞥太空圾的即時地圖,可以看到地球被一大片圾包圍著。雖然火箭和太空站要避免這片圾海還不像科幻片中那般驚險,不過也確實太空探索增添不少棘手的障礙。

俄羅斯航太不是第一個提出除太空圾的組織, 2015 年,日本科學家建議在國際太空站加裝類似的雷射,今年稍早,中國工程師也發表了一項探討太空用雷射的究。

 

太空圾(Space debrisOrbital debrisSpace junk)是圍繞地球軌道的無用人造物體;太空圾小到由人造衛星碎片、漆片、粉塵,大到整個飛船殘骸構成。

美國國家航空航天局(NASA)將投資發二維太空船,這種航天器使用特殊的二維薄膜材料製成,可以包裹住太空圾並使其離開軌道。

二維太空船的推進劑以液體形式儲存在兩片薄膜之間寬度10微米的縫隙中。一個大小1平方米的二維太空船重量約35,因此這種太空船將大大降低太空發射的成本。

這一專案是NASA創新先進念計畫(NIAC)篩選出的13究方案之一。NASA創新先進念計畫旨在資助發利用最前沿技術的革新性系統 

自前蘇聯發射人類第一顆人造衛星斯普特尼克1號以來,全世界各國一共執行了超過4000次的發射任務,生了大量的太空圾。雖然其中的大部分都通過落入大氣層燃燒殆盡,但是截止2012年還有超過4500噸的太空圾殘留在軌道上。美國於1958年發射的尖兵1號人造衛星報廢後至今仍在其軌道上運行,是軌道上現存歷史最長的太空圾。

太空圾不僅給航太事業帶來巨大隱患,而且還染了宇宙空間,給人類帶來災難,尤其是核動力發動機脫落,會造成放射性染。美國和前蘇聯在空間的核反應爐中有1噸的—235及其他核分離物。

簡單來說,就是在人類探索宇宙的過程中,被有意無意地遺棄在宇宙空間的各種殘骸和廢物。

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太空圾的生方式一共有以下三種:

一是有意或無意爆炸生的航天器殘骸。有意的爆炸,極大多數來自前蘇聯和美國太空戰的預習。其中前蘇聯就曾進行了19次衛星攔截、爆炸試驗,給太空帶來了5001000塊大小不等的碎塊圾。無意的爆炸,如1973年間,美國有7枚火箭在軌道上爆炸。1986年,歐洲發射的阿麗亞娜火箭剛進入軌道就發生爆炸,其碎塊中大於10釐米的就有564塊,還有2300多塊小於10釐米的。

二是宇航員漫不經心的過失。如1982年,宇航員瓦倫丁·列勃捷夫在進行例行的太空行走時,他剛剛打開禮炮7空間站的減壓艙門,由於近乎空的太空所具有的巨大吸力,把宇航員們不留在減壓艙內的一些螺栓、墊圈和一支鉛筆,都吸入太空,成了太空圾。更令人遺憾的是,前蘇聯的一些宇航員還把在太空生活中生的生活圾丟入太空。人們還發現,有一隻被一名美國宇航員丟失的手套,竟在空中飄浮遊蕩了20多年。

三是衛星和火箭的殘骸。一些失去效用的衛星,仍在軌道上飛行。雖然們最終會因飛行速度減小,重返大氣層而與大氣層摩擦燒,但恐怕要在幾十年到幾百年以後。在近地空間裏,還飄浮著許多火箭的殘餘部分,如火箭被丟棄的金屬外殼、運載火箭的末級殘體、散落下來的發動機和各種銜接部件等。 

NASA憂心忡忡地公佈:2005117日,南極上空885公里,發生了一起看似偶然的宇宙交通事故”——一塊31年前發射的,美國雷神火箭推進器遺棄物,與中國發射的長征四號火箭CZ-4碎片相撞。這是一起典型的太空宇宙交通肇事案

最早提出太空念的是防空部隊的班人員,因監控宇宙空間的部門每天要監視5萬多個物體,太空圾常令他們迷惑。16年前,加拿大某氣象臺宣佈,發現了英仙星座附近有體爆炸。後來才弄楚,這不過是一顆廢棄人造衛星在太陽光反射下造成的效果。另據俄報導,1987年,曾發生過因連接器不緊,量子艙無法同和平號對接的情況。當時,經驗富的地面控制中心認,艙外肯定有物質干擾對接,於是派一個考察組上去檢,結果發現那裏有一個金屬殘片。

20世紀60年代以前,沒人聽說過太空墜落物,但是自1973年以來,每年有數百塊太空圾墜落地球。但由於其在經過大氣層與空氣生的急劇摩擦,使得這些圾在未通過大氣層時就自我燃燒殆盡,在大氣層的保護下就自我滅了。萬幸的是,迄今沒有大型的太空圾墜向地球,因此也未傷人。

太空圾一般在高300-450公里近地軌道上以每秒7-8公里,而在36000公里高度的地球靜止軌道上則以每秒3公里的速度高速運動,根據軌道傾角撞時的相對速度甚至可以達到每秒10公里以上,因此具有巨大的破壞力。因此太空圾若與運作中的人造衛星、載人飛船或國際空間站相撞,會危及到設備甚至宇航員的生命,據計算一塊直徑10釐米的太空圾就可以將航天器完全摧,數毫米大小的太空圾就有可能使們無法繼續工作。而太空圾也因此成了國際問題。

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自上世紀20世紀50年代超級大國進軍宇宙以來,人類已經發射了四千多次航太運載火箭。據不完全統計,太空中現有直徑大於10cm的太空圾九千多個,大於1.2cf的有10萬個以上,而漆片和固體推進劑 塵粒等微小顆粒個能數以百萬計。

這些太空圾飛行速度極快(6-7km/秒),他們隱藏著巨大的殺傷力:一塊10克重的太空圾撞上衛星,相當於兩輛100km/時的小汽車相互撞,衛星會在1.5秒內被打穿或直接擊!但一撞上,那就是滅性的。最讓科學家頭疼的是雪崩效應”——每一次太空圾的相互撞不會互相湮滅,而會生更多的碎片,這就是新的大問題

美國宇航局和國防部跟蹤分析這些太空圾,休-路易士(Hugh Lewis)博士認,對於希望在太空中生活和工作的下一代人類而言,太空圾是不容小覷的問題。理太空軌道上的圾物質需要幾年時間才能實現,需要工程師、科學家、律師和經濟學家的共同合作。 

危害事故

1983年,美國航太飛船挑戰者號與一塊直徑0.2毫米的塗料剝離物相撞,導致舷窗被損,只好停止飛行。前蘇聯的禮炮—7”號軌道站也多次被此類塵埃損壞。1986年,阿麗亞娜號火箭進入軌道之後不久便爆炸,成56410 釐米大小的殘骸和2300塊小碎片,這枚火箭的殘骸使兩顆日本通信衛星命喪黃泉1991915日,美國發射的發現者號太空梭差一點與前蘇聯的火箭殘骸相撞,當時發現者號與這個不速之客僅僅相距2.74千米,幸虧地球上的指揮系統及時發來警告信號,才免於喪生。

美國東部時間2009210日上午1155分(北京時間211055分),美國和俄羅斯的兩顆通信衛星在太空相撞並生大量太空圾,這極有可能會對國際空間站構成威脅。

據計算,太空軌道上每個飛行物發生災難性撞事件的幾率3.7%,發生非災難性撞擊事件的可能性20%。以此計算,今後將每510年可能發生一次太空圾與航天器相撞事件,到2020年將達到2年一次。

201443美國航天局宣佈,為躲避一塊阿麗亞娜5型火箭的殘骸,國際空間站飛行控制人員當天調整了空間站的飛行軌道。這也是近3周內國際空間站第二次避太空圾。

美國航天局的聲明說,過去幾天,飛行控制人員一直跟蹤一塊阿麗亞娜5型火箭殘骸。結果發現,這塊太空圾有可能從空間站旁約300米處飛過,因此決定調整空間站的軌道。

聲明說,美國東部時間31642分,空間站推進器點火340秒,將空間站的軌道抬升了約800米。空間站上的6名宇航員提前得到通知,沒有任何危險。

2014316,空間站也曾提升軌道,以避一塊俄羅斯氣象衛星的碎片。

圾現狀

根據NASA的統計,地球軌道上有大約4000個運行中或報廢的人造衛星和火箭殘體,此外還有大約6000個可以看到並跟蹤的太空圾碎片;而直徑超過一釐米的太空圾,更多達20萬個。這些物體大多數的運行速度,都在2萬公里/小時以上。

運行在地球軌道上的這些物體無時無刻不對衛星本身的安全、太空梭以及國際空間站的安全構成威脅。

根據美國憂思科學家聯盟(Union of Concerned Scientists)截至2009121日的統計資料,運行在地球軌道上的人造衛星905顆,其中美國443顆、俄羅斯91顆、中國54顆,最擁擠的地球同步軌道(高度35860公里,赤道上空,傾角0)上的衛星366顆。近地軌道(700公里到2000公里)上有442顆。

2010730據俄新網報導,俄羅斯航太署新聞處發佈消息說,中國已經成在近地宇宙空間製造太空圾最多的國家。俄航太署官方網站週五發表的一篇文章指出,根據統計,40%的太空圾是中國製造的。美國的太空圾占27.5%,俄羅斯占25.5%,其他國家占7%”

而根據NASA負責監測太空碎片部門的官方資料,近地空間大多數的太空圾屬於俄羅斯和獨聯體國家(5833),其中包括1402顆衛星,4431個運載火箭殘骸等。美國排在第二,總共製造了4824圾,包括1125顆報廢衛星和3699個運載火箭殘骸等碎片。而中國製造的太空圾超過3388(88顆廢衛星和3300個其他碎片),少於俄羅斯和美國。

201191,美國的究報告顯示,在地球軌道上的太空圾數目已達到臨界點,相撞的機會大增,並威脅1000個人造衛星的安全。該報告稱,地球軌道上已有2.2萬餘件可以偵測到的太空圾,其中不少是發射導彈後被摧的衛星碎片。

截止201611月,大約有1億塊太空圾環繞地球運行,其中27000塊直徑超過10釐米,由美國宇航局和國防部進行跟蹤。每塊太空圾的運行速度均達到28000公里/小時 

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解決對策

保持

航太專家們已經開始究限制空間圾的生,以及消除空間圾的辦法。如:將停止工作的衛星推進到其他軌道上去,以免同正常工作的衛星發生撞;用太空梭把損壞的衛星帶回到地球,以減少空間的大件圾。有一些科學家提出,使用射武器,將太空圾在太空中直接焚燒掉。

探測控制

大一些的太空碎片可以用監測導彈和間諜衛星的系統來進行監測。美國和前蘇聯的太空檢測網路已經登記了1萬個太空物體。每天大約有50個雷達、光學或光電感應器要對天空進行大約15萬次觀察,但是這一監測系統卻不能探測到小於10釐米的物體。直到1984年,科學家才採取取樣調的方法,對這些小物體進行了分析。而德國和美國的科學雷達可以探測到2毫米大小的物體。

儘管發射衛星的數量有所減少,監測技術也有所提高,但消除太空圾仍然是一個十分困難艱巨的課題。NASA、國防部和能源部正在究一項計畫,在地面上用射來去除太空中的小型圾。科學家提出如果人類不能積極地控制衛星的數量和消除太空圾,那人類在天空中也會像在地球上一樣缺少空間。

移動雷達

在日本本州岡山縣一台遠端控制雷達從46日起開始工作,該雷達主要作用是跟蹤太空圾的移動。這是世界上第一台專門用來跟蹤太空圾移動的雷達,在其他一些國家都是借助于軍用雷達來記錄或確定太空圾。

新型雷達能測定直徑1高度達600千米物體的位置,並能同時跟蹤近十個物體。

新型雷達由幾家私人公司在日本文部科學省資助下耗資20億日元(約1800萬美元)建成,該雷達將由位於日本大阪附近茨城的航太中心進行遠距離控制。

外媒2012926日報導,為躲避太空圾,國際空間站(ISS)的位置可能需要做出調整。

美國宇航局(NASA)26日表示,一個俄羅斯廢棄衛星的碎片和一艘印度火箭的殘骸27日將飛近國際空間站,存在撞擊空間站的可能。若有必要,國際空間站27日可能會做出移動。

據悉,國際空間站內有三名太空人駐紮。他們會借助對接在空間站上的歐洲補給太空船的動力來移動空間站。歐洲太空船本來應該已經離開,因通訊故障,返航時間才被延誤。

太空圾飛行的速度很快,萬一被撞擊,國際空間站可能會受損。美國宇航局表示,不能確定俄羅斯衛星碎片的大小。

太空環境已經嚴重染,太空圾主要生者特別是美國當然要負主要治理責任,但是在治理過程中,加國際合作,提高行透明度至關重要,美國不僅在邁向和保持航太國過程中生了大量太空圾,而且還在進行太空武器試驗過程中,用導彈摧報廢衛星製造了很多太空圾。比如,冷戰期間,美國確保戰爭情況下在全球範圍內穩定進行無線電通訊,動了在太空散佈數億根銅針,形成一個8公里寬,38公里長雲環的西福特計畫,這些銅針中的相當一部分最終成了太空圾。

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各國措施

美國

太空圾:美國宇航局提出了一項近地太空的激進方法。美國密歇根大學的一個科組正在究一種利用氣體脈衝射擊太空碎片的新技術。這種被提議的新系統名叫太空碎片(SpaDE)系統,將通過把大氣氣體脈衝發射到目標碎片必經路線上,增加太空圾的摩擦力,令其下降墜落到地球大氣層裏。

英國

欲讓死衛星不再變太空

潔太空一號衛星到20091止,英國薩里衛星技術公司(SSTL)的究人員設計一種用於小衛星的微型電力推進器,可以將衛星安全帶回地球大氣層,在空中燒盡,從而避免生太空圾,控制低空軌道的衛星擁擠狀況。這項技術還可以將小衛星送到更遠的太空。

中國

建立太空觀測中心

中國科學院空間目標與碎片觀測究中心”20053月初在中科院紫金山天文臺成立,將中國在空間航太領域建起安全預警系統。

遨龍一號空間碎片主動理飛行器

空間碎片主動理飛行器在前期技術究和地面試驗的基礎上,以類比的空間碎片目標,驗證碎片除關鍵技術,任務結束後進行鈍化處理。20166月已隨長征七號運載火箭發射升空並開始運行。

俄國

俄羅斯航太署向政府提交的“2016—2025年聯邦航太計畫草案除在地球同步衛星軌道上的大型太空——報廢衛星或火箭助推裝置,俄羅斯聯邦航太署計畫投入108億盧布(約合3億美元)開發一種名掃除者的航天器。的設計工作預計從2018年開始,到2025年投入試運行。不過,俄羅斯航太署下設科機構的負責人丹尼柳科表示,地球同步衛星軌道已經很擁擠,製造這種新航天器的任務將變得異常複雜。

按照計畫,掃除者約重4噸,可以在一個週期內(最長6個月)帶走不超過10枚報廢衛星或火箭助推裝置。每台掃除者的使用期限預計達到10年,也就是說可以工作不少於20個週期。

根據專家的描述,掃除者理太空圾的方式可能有兩種:航天器在接近報廢衛星後,將目標,送到更高的軌道,使其不影響其他航天器的飛行;或者將推離軌道,送往地球方向,最後將其徹底埋葬在太平洋水域的航天器墓地

日本

在日本本州岡山縣一台遠端控制雷達從201146日起開始工作,該雷達將由位於日本大阪附近茨城的航太中心進行遠距離控制。
 

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20181119,據多位日本政府相關人士透露,太空部隊預計將在2022年設立,並且這一計畫將會寫入下個月修改的日本《防衛計畫大綱》當中。日本的《防衛大綱》中除了加陸海空之外,還提出要化網路、太空、電磁波等新型領域的防禦力。而設立太空部隊正是其中重要的支柱之一。

瑞士

擬發射首顆打掃衛星理太空

20122月,瑞士科學家宣佈,計畫發猶如家用吸塵機的裝置,或像水母觸鬚一樣的打掃衛星,外太空大掃除,理廢棄衛星及火箭殘骸等太空圾。該衛星名潔太空一號,預計造價1,000萬瑞(約合人民幣6856.4萬元),將於35年內發射。新衛星第一個任務是回收兩枚分別於2009年及2010年發射的瑞士衛星。 

國際空間站

穿鎧甲抵禦太空

國際空間站上的兩名俄羅斯宇航員經過5個半小時的太空行走,空間站安裝金屬遮蔽,減少太空圾對空間站的威脅。這次太空行走的主要任務是在俄羅斯建造的太空艙外安裝5制遮蔽,防止太空圾撞壞空間站。每個遮蔽9公斤,寬0.6米、長0.9米。俄羅斯國際空間站建造的生活艙已在距地面355公里的軌道上運行了7年。

美國航空航天局一個獨立工作組發佈報告稱,太空圾是國際空間站面臨的威脅。安裝遮蔽將大大提高空間站抵抗太空圾撞擊的能力。報告估計,俄羅斯空間站建造的設備完成的防護升級,空間站被太空圾撞的風險將從9%降至5%

國際規定

飛行器壽終正寢後,有能力離軌即離開有用軌道,到沒用的地方去;對已編號的全部碎片,要進行全程跟蹤,目的是讓太空梭、空間站、衛星對較大碎片進行避讓;在飛行器設計的時候,應考慮如何針對小碎片撞進行有效防護等問題。

 

近日,專門負責除太空圾的「除碎片」計畫成功上路,這個計畫包含一張大網子、一枝大魚叉,還有最先進的視覺導航系統。

7,500 噸太空圾繞著地球

目前,共有高達 7,500 噸繞著地球漂浮的太空圾,這些圾包括舊火箭碎片、衛星掉落的零件、一片片油漆,甚至還有太空人丟棄的工具。

對太空任務造成威脅

這些太空圾會和衛星或太空船對撞,對太空任務造成威脅,影響人們部署在太空的電信和環境監測系統。例來說,2016 年,國際太空站(International Space StationISS)的窗戶就遭太空撞而生小裂痕。

除碎片」衛星上路

了解決太空圾問題,英國帶領的太空運任務「除碎片」(RemoveDebris)計畫近日成功上路,從國際太空站發射的「除碎片」衛星已開始測試,希望搭載的科技有朝一日可將軌道上的太空圾全部除。

網子、魚叉、追蹤系統

除碎片」衛星配有一張可把圾拖走的大網子、一枝可每秒 20 公尺速度發射、專叉圾的魚叉,還有視覺導航(Vision Based NavigationVBN)系統,可用 2D 攝影機和 3D 光學雷達技術追蹤碎片。

施作簡單,成本較低

與其他方法相比,「除碎片」計畫因施作簡單,成本自然也較低。其他成本較高的運太空圾計畫包含使用機器手臂撿圾。

重達 100 公斤的衛星

目前,這顆重達 100 公斤的「除碎片」衛星是參與計畫的太空公司 NanoRacks 在國際太空站釋放過最大的衛星。美國太空總署太空人阿諾(Ricky Arnold)成功捕捉到「除碎片」衛星飛行的狀況。

工作人員在國際太空站釋放「除碎片」衛星的模樣。這顆重達 100 公斤的「除碎片」衛星是太空公司 NanoRacks 在國際太空站釋放過最大的衛星。

超過台幣 5 億元的計畫

雖然「除碎片」計畫由英國薩里大學的薩里太空中心負責,並由薩里衛星科技公司負責組裝衛星,但用到的技術有賴跨歐洲單位幫忙,歐盟執委會則拿出 1,500 萬歐元(約台幣 5 4,090 萬元)資助這項計畫。

今年 10 月先測試拖網

除碎片」計畫規劃的時程下,任務衛星會先在 10 月測試能把圾一網打盡的網子,12 月則測試 VBN 系統,最受矚目的魚叉明年 2 月前都還不會測試。

明年 3 月脫軌

明年 3 月計畫結束後,「除碎片」衛星會利用海錨脫軌並重新進入地球大氣層,到時「除碎片」衛星就會燃燒殆盡,不過,實驗數據早就經由攝影機傳回地球。有了海錨的「除碎片」衛星脫軌只需要大約 8 週,如果沒有海錨,要脫軌得花超過 2.5 年。

空中巴士公布的這張圖,詳細描繪了「除碎片」衛星搭載的科技,由左到右包含測試用的碎片、網子、魚叉和海錨。

終於等到這一天

薩里太空中心負責人艾里耶提(Guglielmo Aglietti)說:「將近 5 年開發後,我們終於可以實地測試這個令人超級興奮的技術。」

「如果測試成功,『除碎片』計畫運用的技術就能在不久的將來運用到其他任務。」

處理太空圾的最前線

參與計畫的空中巴士太空系統(Airbus Space Systems)負責人喬姆西(Nicolas Chamussy)表示:「我們花了許多年在發創新的除碎片系統,在最前線處理日益嚴重的太空圾問題,好了下一代對聯合國永續發展目標有所貢獻。」