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 载《解放军报》2012年12月21日

隐匿的人造“天灾”:太空垃圾何去何从
石海明 曾华锋
(解放军国防科技大学


  作为航天时代到来的标志,1957年,苏联成功发射了“Sputnik-1”人造地球卫星,半个世纪以来,人类在空间科技探索之路上越走越远。但与此相伴,也制造了数以亿计的太空碎片,俗称太空垃圾。
  由于空间科技探索涉及国家利益与人类利益的权衡,商业利润与社会公益的博弈,以及和平开发与军事利用的冲突,因此,困扰世界各国多年的太空垃圾问题,长期未能得到有效解决。人类致力于科技探索,本是为了营造更好的栖息之地,然而,太空垃圾却呈现出一种技术悖论——和平还是战争?如何破解其背后之安全困境,请看本报特稿:
  在日常生活中,一旦人们使用的手机报废被丢弃后,就成了生活垃圾。卫星亦是如此,当其无法继续正常工作后,就成了无用的太空垃圾。当然,除了报废的卫星之外,太空垃圾还包括发射时火箭脱落的碎片、国际空间站航天员外出作业时丢弃的工具、以及卫星肢解或相撞产生的太空碎片等。由于其位置的特殊性,数量的递增性及危害的跨域性,太空垃圾俨然已演变成为一个全球话题。
  截止2011年7月,在美国空间监测网(SSN)公布的太空碎片编目中,比拳头还大的太空垃圾就有16094个。其中,俄罗斯和美国以太空垃圾制造大国位居榜首,分别拥有6075和4867块直径在10厘米以上的太空垃圾。上述太空垃圾多集中在轨道高度小于2000千米的低轨上,形成了一定的垃圾带。如何消除这一太空垃圾公害,已成为当今世界各航天大国颇感棘手的挑战。
  
  聚焦太空垃圾潜在危害
  
  由于太空垃圾所处的独特位置,其相应的处理自然需要国际跨域协调机制。为此,早在1993年,全球就成立了空间碎片协调委员会(IADC)。作为目前唯一的专门从事太空碎片处理的国际组织,目前共有11个成员国或区域组织参加。2005年,联合国外空委员会科技小组又以IADC技术文件为基础,起草了《空间碎片减缓指南》,并于2007年获得联合国大会通过。
  虽然存有上述组织及文件,但太空垃圾的应对问题依然是个国际难题。而所有那些高速运行的太空垃圾,对正常工作的航天器和人们日常生活带来了巨大的安全威胁,主要表现为碎片撞击损坏航天器及坠落地面伤人两种情况。
  就第一种情况而言,运行在不同轨道上的太空物体,如同行驶在不同高速路上的汽车一样,如果轨道相交,自然会产生剧烈碰撞,并引发灾难性后果。如早在1996年7月24日,设在美国萨里大学的卫星控制中心一切如常。上午9时48分,突然操作台上红灯闪烁,报警声此起彼伏,樱桃色卫星的姿态失去了控制,原本应该稳定指向地球的卫星急速翻起了筋斗。遥测数据得到的第一个信息是卫星的惯性矩发生了重大改变,经科研人员详细分析卫星轨道和所有太空垃圾轨道之后,最终确认该起太空事故的罪魁祸首,就是编号为18208的太空垃圾。
  又如2009年2月10日,美国的“铱星-33”在轨通信卫星和俄罗斯“宇宙-2251”废弃军用卫星,在西伯利亚上空790公里高度处相撞,瞬间即产生了2100多块碎片。这些太空碎片在不同的轨道上,以每秒种6至7千米左右的速度高速运行。如果撞上正常工作的航天器,轻则留下深深的伤痕,重则彻底破坏卫星的结构并最终导致其报废失效。
  如此说,绝非杞人忧天。就在2010 年12月,美国“X-37B”高超声速飞行器,在完成为期7个月的任务返回后,人们即发现其身上留有7处与太空碎片相碰撞的痕迹,幸而没有造成致命伤害。而就在今年3月,经监测有一块10至15厘米的太空碎片有万分之一的概率与国际空间站相撞,为此,国际空间站在4月2日进行了防碰撞空间机动,而这次机动是1999年10月份以来进行的第12次碰撞规避机动。
  就第二种情况而言,太空碎片进入大气层后,就像流星一样,将产生诸多热量,为此,大部分碎片会被直接销毁。但是,如果太空垃圾的体积较大,或由于材料特殊,这些残留物就会直接坠落到地面。就在今年9月23日美国废弃的“高层大气研究卫星”(UARS)在失控状态下轰然撞向地球之后,10月23日,德国报废卫星“伦琴天文卫星”(ROSAT)也在世人的担忧中,坠落到了东南亚的孟加拉湾。原本隐匿在广袤外空的太空垃圾如今却频繁地出现在公众视野中,愈加影响到人们的日常安全。
  
  开发太空垃圾监控技术
  
  太空垃圾对正常工作的航天器和人们日常生活带来了上述安全威胁,日益引起了宇航科学家的关注,各国在航天器防护技术与空间监测技术方面都十分重视。
  在航天器防护技术方面,自20世纪70年代以来,出于空间站和载人飞船等航天器防护太空垃圾危害的客观需要,各航天大国开始全面发展和建设地面超高速碰撞(HVI)模拟实验设施。旨在通过地面高速/超高速碰撞模拟实验,研究不同航天材料及防护构型,在不同速度、尺寸、形状和材质太空垃圾碰撞下的成坑、穿孔、弹道极限和二次碎片云等特性及效应,为高性能先进防护材料研制及防护构型设计提供支撑数据。为此,经过40多年的持续研究与开发,目前,个别航天大国已成功开发出了一系列地面超高声速碰撞模拟实验发射技术,包括轻气炮发射技术、电磁炮发射技术及电热炮发射技术等。
  其中,轻气炮(LGG)是目前发展最成熟和应用最广泛的一种地面高速/超高速模拟实验发射技术,尤其是二级轻气炮,因其可精确测定太空垃圾的质量、尺寸和速度,已成为当前开展高速/超高速碰撞研究最重要的地面实验技术。而电磁炮(EMG)则是一种利用电磁作用效应实现弹丸加速的超高速发射技术,按结构形式的不同,可分为线圈炮、轨道炮和重接炮三种。电热炮(ETG)是一种全部或部分利用电能加热实现弹丸加速的超高速发射技术。
  在空间监测技术方面,目前世界航天大国的监测方式主要为地基监测和天基监测两种,除利用传统的天体观测望远镜设备外,主要借助于现代相控阵雷达组成的监测网。
  显然,就上述各国开发的航天器防护技术与空间监测技术,我们即可发现,它们皆具有军民两用属性,既可以充当缉捕太空垃圾公害的“技术警察”,也可以扮演诱发太空军备竞赛的“技术帮凶”。有时,这两者本身就是合而为一的。如美国的空间碎片监测网本身就是由海军和空军的监测系统全面负责。
  其中,海军的空间监测系统由3台发射机和6台接收机组成,发射机垂直向上发射连续波束,形成扇形电子篱笆屏障。“篱笆”长约为8000千米,向空间延伸24140.2米。而空军的AN/FPS85相控阵探测雷达位于佛罗里达州的埃格林空军基地,雷达安置在长98米的楔形建筑物内,发射面有5928个天线元,高38.4米,工作频率442兆赫,峰值功率30兆瓦。接收面有19500个天线元,高58.5米。早年建成时的用途是探测海上发射的弹道导弹,而今已成为空间监测的专用设备,每天可以探测10000个物体,可以同时跟踪200个近地目标。所有空间监测的数据都需要通过位于卡罗拉多州夏延山的空间控制中心,或位于弗吉尼亚州海军空间司令部的控制中心来集中处理。
  
  清除太空垃圾任重道远
  
  当然,除了必要的航天器防护及空间监测之外,为彻底解决太空垃圾问题,各国科学家们也在努力开发各种太空垃圾清除技术。如现在执行正常任务的卫星,都设计了任务结束后的离轨程序——预留燃料将卫星机动至更高的无用轨道上,或者降低轨道使其进入大气层到指定区域销毁。对于那些在执行离轨程序前就意外失效的卫星,以及碰撞或肢解后产生的碎片,科学家们也在想尽办法进行清除。
  2011年10月17日,美国联合光子公司工程师克劳德·菲利普就撰文称,可以利用地基高功率激光束将低轨道的太空垃圾表面汽化,从而形成一定的推力,迫使其降低轨道进入大气层销毁。其实,这并非科学家首次提出利用激光来解决太空垃圾问题,美国航空航天局科学家此前就曾提出,可以利用装在太空望远镜上的一个中等功率激光器,来照射可能发生碰撞的碎片。每天持续使用激光器照射太空垃圾一到两小时,从而使太空垃圾出现位移, 大约每天可移动198米。尽管这种方案无法将太空垃圾完全从轨道中移除, 但初步模拟显示足以避免超过一半以上的碰撞。
  如果说,前述各国开发的航天器防护技术与空间监测技术,还只是遮遮掩掩兼具军民两用属性的话,这里运用高功率激光束的太空垃圾消除技术,则已是赤裸裸地展示出其军事技术的攻击性,如美俄两国就先后推出过不同的反卫星技术,进行过大量的应用实验,其中主要的反卫星技术按其毁伤方式大致可以分为四大类:核反卫星武器、动能拦截反卫星武器、破片毁伤反卫星武器及定向能反卫星武器。
  其中,定向能反卫星武器则包括激光武器、粒子束武器、电磁脉冲武器和高功率微波武器等。激光反卫星武器通过高热、电离、冲击和辐射等综合效应,以定向光束的形式杀伤卫星,破坏其传感器、光电仪器等。由于激光武器具有能量大、速度快、精度高和抗干扰性强等特点,是目前反卫星武器中较成熟的军事技术。
  这就是技术发展的逻辑,同时也是技术发展的悖论,它一方面让人们对遏止战争、创新世界充满了期待,但另一方面,又让人们对世界安宁、生活安康多了份担忧。或许,从人类发明工具的第一天起,就注定了将永远走不出自设的技术樊笼。因此,在渐次征服了陆地、海洋及天空之后,面对太空垃圾这一航天时代新的公害,人类倘若要走出安全困境,只能寄托于“信任之舟”永不沉没——全球携手,共同应对,毕竟我们只有一个地球!


                                                                                                    加入日期 20120310