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三大体系建设应对“太空垃圾”
    日期:2010年10月25日    字体:【】【】【

  编者按:在空间环境日益恶化,并已影响到空间活动安全的今天,如何有效应对空间碎片,是一个备受关注的国际性问题,引起了我国政府的高度重视。在国防科工局的组织下,通过两个“五年计划”的努力,我国已逐渐形成监测预警、航天器防护和空间环境保护三大工程体系,多项标志性研究成果已在工程上得到应用,受到了国际社会的高度称赞。最近,在中国航天科技集团公司五院的一间会议室里,来自该院和国内有关单位的专家集聚一堂,在多次研讨的基础上,就进一步制定和完善我国“十二五”期间空间碎片研究和建设规划,进行了新一轮研讨,进一步明确了我国空间碎片行动计划的行动目标。
  目前,人类已将6000多个航天器送入太空。然而,有的航天器在“寿终正寝”后变成了空间碎片(太空垃圾),对在轨运行的其他航天器形成了极大的威胁。十多年来,如何清除太空垃圾,降低太空垃圾带来的威胁,一直是国际社会广泛关注的问题。“十五”以来,中国政府在发展航天技术的同时,高度重视“太空环保”问题,许多中国航天工作者一直都在为对付太空垃圾而孜孜不倦地工作,中国在空间碎片科学研究和减缓太空碎片影响上所做的工作,取得的成果,赢得了国际社会的尊重和广泛肯定。

  茫茫太空非“净土”
  空间碎片是指人类在航天活动中遗弃在太空的废弃物,也称太空垃圾。这些废弃物主要是指完成使命的运载火箭的上面级、废弃的卫星;航天器表面材料的脱落物,如航天器表面涂层老化掉下来的油漆斑块;材料的逸出,如火箭燃料剩余的液滴、核动力源的冷却液;载人航天活动中航天员的废弃物等。此外还有火箭和航天器爆炸、碰撞过程中产生的碎片,如被抛弃的火箭上面级剩余推进剂发生爆炸后产生的碎片等。这些太空垃圾长期留在太空中,日夜不停地围绕着地球飞行着,只能依靠轨道自然衰减,最后坠入大气层,在与大气的摩擦中自己解体。有的特别大的碎块,在与大气的摩擦中也无法燃烧干净,就会落到地球上。
  随着一颗又一颗航天器的升空,本来十分纯净的太空,也变得越来越不干净了,太空垃圾正在威胁着航天器的安全。
  据有关资料统计,目前,在人类已向太空发射的6000多个各类航天器中,仍然在轨道上工作的约有1000多个,有2000多个已丧失功能,变成了太空垃圾在轨道上遨游,还有2000多个已经解体不知道去向,数千吨太空垃圾在日夜不停地绕地球飞行着。
  随着人类航天活动的增加,太空垃圾的数量也在逐年增长。2001年3月23日,人类在轨道上最大的航天器——和平号空间站在烈火中永生。人们在为之忧伤的同时,又不得不担心它陨落时形成的太空垃圾会不会对太空中的航天器造成损害,特别是会不会对地面物体和人员构成威胁?为此,如何使和平号空间站安全降解,成为国际社会广泛关注的话题。俄罗斯科学家为此很是费了一些脑筋。其实,在广袤的太空中,像和平号空间站降解过程中所造成的大约30吨~40吨太空垃圾,只是人类50多年来进行航天活动所产生的空间碎片中很少的一部分。据地面观测和模型估计,目前,毫米级以上的太空垃圾数以亿计,总质量达到几千吨;大于5厘米~10厘米、地面望远镜和雷达能观测到的太空垃圾在轨总数已超过一万多个。据专家估计,到2010年底,太空垃圾至少会达到1万吨。太空垃圾已威胁到人类的航天事业。很多科学家警告,如果不能有效地遏制太空垃圾的大量扩散,有可能在不远的将来,人类将不得不停下探索太空的脚步。

  太空垃圾成威胁
  由于太空垃圾以每秒几千米的速度在太空中飞行,所以尽管它们体积小,但如果与在轨运行的航天器相撞,也会对航天器构成损坏。
  据计算,一块以每秒10公里速度在太空中飞行的碎片,和在空气中以每小时360公里速度穿行的物体具有同样的破坏效果。因此,科学家认为,哪怕一个硬币大小的碎片,都可以把一颗卫星击毁,数毫米大小的碎片则能穿透载人航天器和卫星的结构,造成航天员死亡或航天器内部设备失效。如果大型碎片掉到地球上来,还会带来严重的后果。如果是携带核燃料的航天器陨落到地球上来,将造成核污染,从而给地球带来灾难性后果。
  在太空中,航天器遇到太空垃圾的事情曾经多次发生过,而太空垃圾击毁航天器的事件也曾经有过报道。
  1996年11月24日,正在太空中执行任务的美国哥伦比亚号航天飞机就曾经遭到太空垃圾的袭击。只是由于这块垃圾很小,才只给航天飞机的窗口留下几处痕迹。挑战者号航天飞机和发现号航天飞机都曾分别在1983年和1985年遭到太空垃圾的袭击,幸运的是,太空垃圾体积微小,才没给航天飞机带来毁灭性的灾难。
  在前些年,俄罗斯的宇宙1275卫星就是与太空垃圾相撞后发生爆炸的。法国的一颗名字叫“樱桃”的军事卫星曾经被一块太空垃圾击中,而这块垃圾却是10年前法国阿里安火箭爆炸后的碎片。这块碎片并没有直接击中卫星,而是击中了卫星的重力梯度杆,樱桃卫星被碎片击中后,因姿态失去控制而失效。
  1997年2月,美国的发现号航天飞机在修复哈勃太空望远镜时,一块大的太空垃圾飞快地向它飞来,由于地面雷达及时发现,航天飞机立刻采取规避措施,才避免了一场灾难。
  2009年2月9日,美国铱星通信卫星系统星座的第33号卫星和俄罗斯已报废卫星的——宇宙2251在太空中相撞,两颗卫星顿时化作碎片云,继续在轨道上游荡,产生了大量的太空垃圾,引起了国际社会的强烈反响。这些碎片会在今后几十年、几百年的时间里像扫帚一样逐渐下落,直至在大气层里消失。由于距地球800公里左右的太阳同步轨道是一条太空的交通要道,在这个轨道高度上运行的气象卫星、遥感卫星、移动通信卫星,在整个应用卫星里数量最多。因此,这些太空垃圾威胁巨大,国外有的专家估计,其影响和威胁可能持续几百年。
  据报道,就在这次美国铱星和俄罗斯宇宙2251卫星在太空发生“追尾”后的两个月内,美国的一颗卫星为规避其中一个碎片,实施了一次在轨规避。当时,正在与国际空间站对接的欧洲货运飞船也经历了一次险情,由于地面准确监视和预报,及时指挥迅速避让,从而避免了灾难性事故的发生。这是人类航天史上第一次发生的卫星在轨道上的“撞车”事件。灾难的发生,给在外层空间运行的卫星的轨道管理、控制和太空碎片的清理工作等,都提出了新的课题。
  虽然太空垃圾会给航天器造成极大的危害,然而,在当今世界,有越来越多的国家致力于航天事业,一刻也没有停止向太空“倾倒”垃圾。近年来,随着小卫星的兴起,国外已有国家提出了十几个小卫星星座方案。如果这些方案都能实现,在未来的几年内,就将有几百颗小卫星升空,在距地球较近的空间里发射这么多的卫星,其拥挤情况就可想而知,与太空垃圾相撞的可能性就大大增加。而如果这些卫星互相之间相撞后发生爆炸,爆炸的碎片还可能击中其他卫星,从而造成连锁反应。
  由于目前还没有既经济又可行的办法把太空垃圾回收到地球,也没有办法使它们在太空中马上消失,所以,太空垃圾给人类的航天活动带来了极大的威胁。

  “环保”问题引关注
  太空垃圾对人类航天的影响,引起了包括中国在内的许多国家科学家的忧虑,对付太空垃圾已经成为一个全球性的问题。目前,许多国家都在采取措施,以减少太空垃圾的威胁。尽管几十年来国际宇航界有一大批科学家在为如何清除这些太空垃圾而忙碌着,提出了许多设想,但是到目前为止,还没有找到一个有效的办法来清除这些太空垃圾。
  我国航天专家认为,减缓太空垃圾的影响,需要国际社会的共同努力,对于地面可观测并编目的大块垃圾需实施在轨机动规避操作;对于毫米级的垃圾需要在航天器上采取一定的被动防护措施;此外,还必须从源头上控制和减少太空垃圾的产生。
  1993年成立的机构间空间碎片协调委员会(IADC)是目前唯一专门从事空间碎片研究和协调的国际组织,目前共有11个成员国或区域组织,我国于1995年正式成为其成员。
  2005年,联合国外太空委员会科技小组委员会以IADC技术文件为基础,起草了《空间碎片减缓指南》,该指南于2007年获得了联合国大会通过。
  十几年来,一些国家相继采取积极的措施,在建立太空垃圾跟踪站,日夜不停地进行监测,对太空垃圾提前预警的同时,其他旨在减少太空垃圾的相关工作也取得了积极的进展。比如,过去运载火箭把航天器送入太空后,运载火箭的末级将随燃料箱一起进入空间轨道,由于运载火箭的末级还有剩余燃料,将会发生爆炸,从而产生大量的碎片。现在,根据有关规定,一些国家在进行航天发射后,采取措施将剩余燃料释放掉或燃烧完毕,以减少爆炸的威胁。
  近年来,国际上减缓和应对太空垃圾的国际会议逐渐增多,我国自1995年加入IADC组织以来,已连续10年多次参加了这种会议。
  2009年3月24日~4月1日,第27届IADC会议和第五届欧洲空间碎片会议在德国达姆斯达特市的欧空局空间运行控制中心举行,会上,我国空间碎片行动计划首席科学家李明等专家介绍了我国相关领域取得的新进展。在大会闭幕式上,李明提出了“空间可持续发展”的主张和呼吁,得到了与会各国代表的积极响应,展示了中国由航天大国向航天强国跨越的信心和中国是负责任的航天大国的形象。通过参加此次会议,中国充分了解了世界上其他国家在空间碎片各个领域的进展情况,宣传、交流了中国在空间碎片各个领域取得的成绩和准备开展的工作计划。
  值得一提的是,中国代表团带到会议上的80本由国家航天局主办,国际空间碎片研究领域的唯一学术专刊——《空间碎片研究》2009年英文专版,在开幕式前短短半小时内就被一抢而光,很多国外同行之后还向我国代表团成员索要该材料。
  此次会议加深了我国学者和国外学者的联系,中国在应对太空垃圾上所采取的态度和取得的成果,赢得了国际社会的广泛赞誉。

  十年耕耘结硕果
  中国作为一个负责任的航天国家,在积极参与机构间空间碎片协调委员会的各项活动的同时,坚持“需求牵引、有限目标;工程为本、务求实效;锲而不舍,持之以恒,资源共享,通力合作”的指导思想,全方位开展空间碎片的研究工作。在国家财政的支持下,原国防科工委于2000年启动了“空间碎片行动计划”,旨在加强空间碎片研究领域的国际交流与合作,开展空间碎片专项研究工作。2001年2月22日,我国“空间碎片研究行动计划”通过了来自原国防科工委咨询委员会、中国航天科技集团公司、中国科学院等单位的航天技术专家闵桂荣、张履谦、余梦伦、曾庆来、刘振兴等组成的评审委员会的评审。至此,这项首次由政府组织的、有计划的空间碎片研究工作正式启动。
  在我国“空间碎片研究行动计划”中,明确提出了在未来的发展中,提高我国观测、规避空间碎片能力,控制空间碎片增加的目标:在初步具备空间碎片观测能力的基础上,突破一批关键技术瓶颈,为开展国际交流提供有力的技术支持;加强提高航天器防护能力的研究,提高我国航天器防御空间碎片的能力,建立空间碎片动态数据库,完成风险评估、预警和机动规避研究;获得一批基础研究成果和具有前瞻性的新方法、新技术和新理论,尽快缩短我国在空间碎片的研究上与其他国家的距离。同时,该计划还详细规定了在观测、环境和数据库、防护、减缓等具体领域的具体目标。即在观测领域,突破天基探测关键技术,建立空间碎片地基观测系统,具有观测不同轨道空间碎片目标的能力;在环境和数据库领域,建成大空间碎片动态数据库和小空间碎片数据库,自主开发具有国际水平的风险评估和机动规避专家系统并投入使用;在防护研究领域,通过模拟实验和计算机仿真开展空间碎片防护材料、结构和机理的研究,获得一批实验数据,供航天工程防护设计使用;力争解决运载火箭末级剩余推进剂排放和卫星的钝化问题,提出地球同步轨道卫星和低地球轨道卫星工作终结后的离轨要求。
  “十一五”以来,我国政府加大了对空间碎片的研究和基础设施建设工作力度,制定了规划,确定了目标,将空间碎片工作列入专项,在经费上予以支持,共投资研究和建设经费数亿元,支持了上百项课题研究工作,取得了丰硕的成果。主要有:加强和建设监测预警工程、航天器防护工程和空间环境保护等工程,继续为我国航天器发射、在轨运行及陨落提供常规业务性预警服务,突破减少空间碎片产生的各项关键技术,提高航天器的防护能力,制定适合我国国情的减缓设计标准,建立评估体系,进一步构建空间碎片专家系统等等。
  在原国防科工委的综合协调、组织和管理下,经过近两个五年计划的研究和建设,我国空间碎片研究取得了长足的进步,已逐渐形成监测预警、航天器防护和空间环境保护三大工程体系,多项标志性研究成果已在工程上得到应用。目前,我国已完成了部分空间碎片监测基础设施的建设,增强了空间碎片的监测能力;建成了可跟踪空间碎片的动态数据库;自主研发了空间碎片撞击风险评估软件包,使我国航天器在轨运行期间防护空间碎片的评估能力实现了很大的突破;攻克了危险碎片快速筛选等多项关键技术,自主完成了碰撞预警软件的开发,制定了预警规范和流程。
  与此同时,我国不仅解决了多个运载火箭系列的剩余推进剂排放问题,而且通过监测预警建设和防护工程建设,在载人航天工程、探月工程以及多个航天器型号任务中发挥了重要作用,有力保证了航天器的成功发射和在轨安全运行。
  作为一个负责任的航天国家,中国在应对“太空垃圾”上所取得的成果,引起了国际社会的广泛关注,维护了我国作为航天大国的良好形象。 (孙宏金)
  来源:中国航天报
  

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