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出品：科普中國 制作：超導(dǎo)與航天新戰(zhàn)隊(duì) 徐明研究團(tuán)隊(duì) 監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心 太陽系中擁有行星環(huán)的行星雖然只有木星、土星、天王星和海王星,但現(xiàn)在，地球看起來也逐漸擁有了自己的“行星環(huán)”。構(gòu)成地球“行星環(huán)”的物質(zhì)并非星體碎片和巖屑，而是人類親手制造的“白色污染”——太空垃圾（Space debris）。
地球的“行星環(huán)”
什么是太空垃圾 太空垃圾又有空間碎片或軌道碎片之稱，主要包括世界各國的運(yùn)載火箭和航天器在發(fā)射過程中產(chǎn)生的碎片與廢棄不用的衛(wèi)星，以及航天器爆炸、碰撞過程中產(chǎn)生的碎片等。航天器上脫落下去的漆塊，甚至軌道上爆炸的火箭殘留下的發(fā)動機(jī)都能成為環(huán)繞地球運(yùn)行的太空垃圾。 太空垃圾的形成需要追溯到1957年10月4日，前蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星“斯普特尼克1號”，它的廢棄是太空“白色污染”的開始。隨之而來的就是太空垃圾大爆發(fā)。
斯普特尼克1號 伴隨著世界各國的航天技術(shù)發(fā)展，太空發(fā)射任務(wù)達(dá)到了空前的膨脹，目前全世界已經(jīng)有超過4000次的發(fā)射記錄。雖然報(bào)廢的航天器大部分墜入大氣層并且燒毀，但是仍有近4500噸的太空垃圾運(yùn)行在地球周圍的軌道上。
報(bào)廢的衛(wèi)星成為太空垃圾一部分
太空垃圾產(chǎn)生的原因 人類有意或無意造成的航天器爆炸是太空碎片產(chǎn)生的主要原因?！袄鋺?zhàn)”時期的美國和前蘇聯(lián)就曾進(jìn)行過多次衛(wèi)星攔截試驗(yàn)和爆炸試驗(yàn)。幾十年間各國在軌火箭爆炸事件屢見不鮮，航天器所遺棄的零件也同樣構(gòu)成了藍(lán)天之上那些看不見的“白色污染”。 這導(dǎo)致的直接結(jié)果就是產(chǎn)生了大約6000個可以看到并跟蹤的太空垃圾碎片，其中直徑超過一厘米的太空垃圾，更是多達(dá)20萬個。
航天器殘骸漫天分布
太空垃圾存在的危害 據(jù)美國宇航局估計(jì)，目前近地軌道約有2.7萬至3萬個體積大于10立方厘米的太空垃圾，日夜圍繞地球同步軌道旋轉(zhuǎn)。它們以每小時2萬公里的速度繞地球運(yùn)動，而這個速度相當(dāng)于客機(jī)的70到80倍。 這些高度運(yùn)行的太空垃圾對航天器以及航天員存在著巨大的威脅，一旦與正在運(yùn)行的衛(wèi)星相撞，將帶來毀滅性的后果。 1991年12月，俄羅斯已經(jīng)廢棄的人造衛(wèi)星“宇宙1934”與飛船“宇宙926”釋放出的一大塊物體相撞，隨即發(fā)生爆炸。 2009年2月10日，美國一顆通信衛(wèi)星與俄羅斯一顆已經(jīng)報(bào)廢的衛(wèi)星在西伯利亞790公里上空相撞。這次撞擊成為太空中首次發(fā)生的在軌衛(wèi)星相撞事件。
美俄衛(wèi)星在空中相撞 2013年3月9日，一顆俄羅斯衛(wèi)星與一片中國衛(wèi)星被擊毀之后產(chǎn)生的碎片相撞，又一顆被安置在太空中的“定時炸彈”再次被引爆。處理大氣層外的這些“白色垃圾”，刻不容緩。
太空垃圾的治理 太空垃圾所引起的“雪崩效應(yīng)”已經(jīng)開始得到科研人員的高度重視。目前應(yīng)對太空碎片這些“冷殺手”的主要手段就是規(guī)避碎片。 各個國家通過建立預(yù)警機(jī)制，在確認(rèn)航天器可能與較大的太空碎片發(fā)生碰撞時，利用航天器自身的動力進(jìn)行機(jī)動變軌，使航天器離開原有的和空間碎片有碰撞危險的軌道，轉(zhuǎn)移到另一條安全的軌道上。
航天器變軌規(guī)避碎片 成功回收的航天器表面多數(shù)處于“傷痕累累”的狀態(tài)，因此各國也通過增加航天器表面的強(qiáng)度，來應(yīng)對體積較小的空間碎片，從而減小那些“不期而遇”的碎片帶來的破壞。 面對太空碎片日趨嚴(yán)重的太空威脅，很多國家都提出了解決方案。美國提出了太空碎片清除系統(tǒng)，通過把大氣氣體脈沖發(fā)射到目標(biāo)碎片必經(jīng)路線上，增加太空垃圾的摩擦力，令其下降墜落到地球大氣層里。
利用激光使太空碎片焚毀 俄羅斯則計(jì)劃于2018年開始研發(fā)名為“掃除者”的航天器，用以將太空垃圾送到更高的空間軌道上或者送往地球降落在太平洋海域。
太空垃圾清除方案
太空“清道夫”——立方帆 然而，目前最有可能實(shí)現(xiàn)的太空垃圾治理方案則是由英國科學(xué)家提出的太空“清道夫”---立方帆，用于將太空中遺棄的衛(wèi)星或者失靈的火箭帶回地球。 立方帆其實(shí)為一顆微小的衛(wèi)星，約重3千克，尺寸為，它可以與其他衛(wèi)星一同搭載火箭進(jìn)入太空，從而降低成本。立方帆內(nèi)部安裝有一張折疊起來的聚合膜。發(fā)射到太空之后，這張膜就會張開，面積可達(dá)25平方米。
第一步：進(jìn)入太空展開薄膜 “清道夫”身上裝備了四個小型攝像機(jī)，用于偵測太空垃圾。因此一旦立方帆附近出現(xiàn)太空碎片時，地面人員就會發(fā)出指令，小型動力裝置就會開啟，靠近太空碎片進(jìn)行“對接”工作，使立方帆自身與碎片結(jié)合為一體。
第二步:與太空垃圾進(jìn)行“對接” 為節(jié)省能源，立方帆巧妙地采用了一套應(yīng)用微型馬達(dá)來傾斜風(fēng)帆的技術(shù)。馬達(dá)可以在兩個維度上移動來改變風(fēng)帆的重心，同時使用小型磁鐵的磁場與地球磁場的相互作用來控制風(fēng)帆。這樣，“清道夫”就會帶著太空碎片脫離軌道。
第三步：攜帶太空垃圾返回大氣層 由于阻力的作用，立方帆的速度不斷降低，萬有引力會大于碎片運(yùn)行所需的向心力，從而軌道高度會隨之降低，太空垃圾與立方帆最終會在墜入大氣層的過程中一同被燒毀。 原來那些軌道高度為600公里左右的太空垃圾自行墜入大氣層需要幾年的時間，而在立方帆的作用下，這個時間可以大大縮減。立方帆項(xiàng)目的投資只有100萬歐元左右，這將是科學(xué)家再次用智慧展現(xiàn)如何做到“四兩撥千斤”。
最后：一同墜入大氣層燒毀 立方帆的研制為太空垃圾的治理帶來了信心，雖然立方帆的控制還存在一定的技術(shù)，但是隨著科技的發(fā)展，科學(xué)家終將克服這些難題，太空污染將會被有效控制。在不遠(yuǎn)的將來，“白色污染”將會被清除，重返太空一片清潔。 |
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