太空垃圾
太空垃圾（space debris或space junk），是指在绕地球轨道上运行，但不具备任何用途的各种人造物体。这些物体小到固态火箭的燃烧残渣，大到在发射后被遗弃的多节火箭。它们有撞击其它航天器的风险，某些太空垃圾在返回大气层时也会对地面安全造成威胁。
由于太空垃圾以轨道速度运行，动能巨大（每秒7km以上），若与它们相撞可能会严重损坏尚在运作的航天器，甚至威胁到宇航员在舱外活动时的生命安全。随着太空探索的推进，太空垃圾的数量逐年递增，所带来的问题日益严重受影响°
概要
[编辑]太空垃圾包括因寿命已尽而报废、或因事故和故障而失控的人造卫星、发射各类航天器时使用过的火箭本身及其一部分零件、多级火箭分离时产生的碎片、大块碎片相互碰撞后产生的小碎片、甚至还有宇航员遗失的手套和工具等物品。它们与天然岩石、矿物质和金属等构成的宇宙尘埃、流星体等是不同的概念。
历史
[编辑]自苏联发射人类第一颗人造卫星斯普特尼克1号以来，全世界各国一共执行了超过4000次以上的发射任务，产生了大量的太空垃圾。虽然其中的大部分都通过落入大气层燃烧殆尽，但是现在还有超过4500吨的太空垃圾残留在轨道上。美国于1958年发射的尖兵1号（Vanguard 1）人造卫星报废后至今仍在其轨道上运行，是轨道上现存历史最长的太空垃圾。[1]
产生原因
[编辑]人为散布
[编辑]美国在20世纪60年代曾经执行过西福特计划，将4亿3000万根[2] 铜制偶极天线（全长1.78厘米，直径25.4微米（1961年）/17.8微米（1963年）的针状物）[3][4]散布在轨道上形成云状环，从而反射无线电信号以便海外的美军能更好地与本国联系。本计划散布的针状物分布于高度在3500公里到3800公里之间，轨道倾角在96度到87度之间的轨道范围，最终成为了太空垃圾[5] 。根据当时美国联合国大使阿德莱·史蒂文森的说法，在太阳辐射压力的作用下，这些针将会在短短3年内离开轨道。但事实上直到现在仍有相当数目的针残留在轨道上，[6] 偶然才会返回大气层[7]。
已报废卫星与用后的火箭
[编辑]大部分第一节都会自然落入大气烧毁，而后面级若能达到入轨高度，一般则会进行反推来回收（早期版本的火箭可能不会拥有此功能），不过少部分情况下，会因为引擎突然爆炸或是零组件遗落、燃料估算错误而导致最终可能无法进行所谓可操作坠毁的过程。另外，虽然很多卫星达使用寿命后都会透过变轨来碰撞大气自毁，但除了高轨道卫星动能庞大、难以坠毁之外，有时候老旧卫星操作也会遇到不可预期的问题而失控。而这是目前大型垃圾的主要来源，如“高层大气研究卫星”（UARS）、尖兵1号人造卫星。
遗失的器材
[编辑]在Edward Tufte所著的书籍《Envisioning Information》中提及到现存的太空垃圾当中也包括一只太空人爱德华·怀特在进行舱外活动时遗失的手套；迈克尔·科林斯在双子星座10号任务期间遗失的摄影机及和平号空间站运作15年间弃掉的垃圾袋[1]、一个扳手和一支牙刷。参与STS-116的苏尼特·威廉斯在一次舱外活动期间也丢失了一个摄影机。STS-120的工作人员在维修国际空间站上一块太阳能电池板时遗失一对钳，在STS-126中一名太空人进行舱外活动时丢失了一个与公文包大小相约的工具包。
反卫星武器
[编辑]美国与前苏联在60至70年代所进行的一系列反卫星武器试验为太空垃圾的主要来源之一。在理解到太空垃圾的问题与及其严重性后，大部分反卫星武器计划及其试验皆被终止。当时美国唯一一个能够运作的反卫星武器“437号计划”亦于1975年正式关闭。[8]
美国在80年代重新启动反卫星武器计划，与渥特（Vought）公司签约研发出ASM-135反卫星导弹，并在1985年进行实验击毁了一个环绕地球525公里重2200磅的卫星，制造了上千颗大于1厘米的太空垃圾。所幸由于实验在较为低的轨道上进行，大部分的碎片被重力牵引并在大气层内燃烧殆尽。
中国在2007年进行的反卫星试验估计共造成了2300件以上（2007年12月13日的数据显示）的可被追踪的(尺寸大于高尔夫球)、35000多片大于1厘米的和100多万个大于1毫米的太空垃圾。[9]由于在目标卫星的轨道高度大气阻力非常小，这些太空垃圾将在轨道上运行数十年后才能被逐渐耗尽。
危险性
[编辑]太空垃圾一般在高300-450公里的近地轨道上以每秒7-8公里，而在36000公里高度的地球静止轨道上则以每秒3公里的速度高速运动，根据轨道倾角碰撞时的相对速度甚至可以达到每秒10公里以上，因此具有巨大的破坏力。因此太空垃圾若与运作中的人造卫星、载人飞船或国际空间站相撞，会危及到设备甚至宇航员的生命，据计算一块直径为10厘米的太空垃圾就可以将航天器完全摧毁，数毫米大小的太空垃圾就有可能使它们无法继续工作。而太空垃圾也因此成为了国际问题。
凯斯勒现象
[编辑]凯斯勒现象理论假设认为新产生的太空垃圾会和正常工作的卫星碰撞，进而产生新的太空垃圾。新的太空垃圾继续加重已有的问题，产生连锁反应。[10] 有些学者认为，当太空垃圾的密度达到一定程度时，会造成太空垃圾布满近地轨道，令人类在数百年内无法进行太空探索甚至使用人造卫星。[来源请求]
应对方法
[编辑]观测与追踪
[编辑]尽管太空垃圾的数目与日俱增，[11] 由于它们都在各自不同的轨道上运转，想要将它们回收或是控制非常困难。为了防止碰撞而对地球附近的太空垃圾等物体进行观测被称为空间警戒。美国空间监视网络（US Space Surveillance Network, SSN）、俄罗斯空间监视系统（Space Surveillance System, SSS）等机构对约10厘米以上的较大太空垃圾进行编录并实时监视，而日本也在美星空间警戒中心、上斋原空间警戒中心进行太空垃圾的观测工作。已被编录的大于10厘米太空垃圾现已超过9000个，而1毫米以下的微小太空垃圾可能有几百万甚至几千万个。
外力移除
[编辑]由外层空间以高能激光或太阳能，可以聚焦击毁或使其减速坠入大气层。
自行消灭
[编辑]必须建立在尚可控的条件下，例如启动火箭来使其减速。
产生大量太空垃圾的历史事件
[编辑]- 1961年至1963年美国西福特计划
- 2007年中国反卫星导弹试验
- 2009年卫星碰撞事件
相关条目
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ 1.0 1.1 Smith, Julian. "Space Junk."[永久失效链接] USA Weekend, 26 August 2007.
- ^ I. I. Shapiro; H. M. Jones; Perkins, C.W.: Orbital properties of the West Ford dipole belt （页面存档备份，存于互联网档案馆）; Proceedings of the IEEE; Volume 52, Issue 5, May 1964 Page(s): 469 - 518 (Abstract, english)
- ^ Lovell, A. C. B.; Blackwell, M. Ryle; D. E.; Wilson, R., West Ford Project, Interference to Astronomy from Belts of Orbiting Dipoles (Needles), Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, June 1962, 3: 100 [2011-10-20], （原始内容存档于2018-08-09）
- ^ Wiedemann, C.; Bendisch, J.; Krag, H.; Wegener, P.; Rex, D., 写于Darmstadt, Germany, Sawaya-Lacoste, Huguette , 编, Modeling of copper needle clusters from the West Ford Dipole experiments, Proceedings of the Third European Conference on Space Debris (Noordwijk, Netherlands: ESA Publications Division), March 19–21, 2001, 1: 315–320 (October 2001) [2011-10-20], ISBN 92-9092-733-X, （原始内容存档于2018-08-09）
- ^ Position Paper on Space Debris Mitigation - Implementing Zero Debris Creation Zones (PDF), International Academy of Astronautics Final Issue Approved for Publication (Paris, France: International Academy of Astronautics), 2005-10-12 (2005-10-15) [2011-10-20], （原始内容 (PDF)存档于2012-02-05）
- ^ Hall, Christopher D., West Ford dipoles, Blacksburg, Virginia: Virginia Tech Department of Aerospace and Ocean Engineering, 2003-09-18 [2011-10-20], （原始内容存档于2007-03-12）,
many clumps of the needles are indeed still in orbit
- ^ Barhorst, L.J.C. (编), 写于Medemblik, The Netherlands, RAE Table of Earth Satellites, Farnborough, England: Royal Aerospace Establishment / Defence Research Agency: 34, 2008-01-20 [2011-10-20], （原始内容存档于2011-10-03）,
148 pieces, 94 have decayed
- ^ Clayton Chun, "Shooting Down a Star: America's Thor Program 437, Nuclear ASAT, and Copycat Killers", Maxwell AFB Base, AL: Air University Press, 1999. ISBN 1-58566-071-X.
- ^ "Fengyun 1C - Orbit Data."[永久失效链接] Heavens Above.
- ^ Donald J. Kessler and Burton G. Cour-Palais. Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt. Journal of Geophysical Research. 1978, 83: 63 [2010-09-01]. （原始内容存档于2009-05-02）.
- ^ Orvital Debris Quarterly News. [2010-09-01]. （原始内容存档于2010-05-27）.
