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中国实践二十一号验证关键技术,能保护空间站不被碎片撞击?

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2021年10月24日,我们用长征三号乙运载火箭成功发射了实践二十一号卫星,这颗卫星的任务是验证清除太空碎片的相关技术。


实践二十一号卫星成功发射

我们地球周围的太空中并不空旷,根据联合国外层空间机构的数据,截至2021年4月底,在环地球轨道共有7389颗人造卫星。而关心科学家联盟(UCS)的卫星数据库则显示:其中只有3372颗卫星处于工作状态,这意味着至少有54%的卫星是失去功能的太空垃圾!

卫星失效并不可怕,即便现在的卫星越做越小,寿命越来越短,但这些小东西大多拥有固定轨道,并且它们的轨道衰减都是可计算和可跟踪的。只要将它们的轨道数据输入计算机,我们不难算出未来什么时间它们会出现在什么位置,以便采取措施避免碰撞。


失效航天器是太空杀手

问题在于这些小东西自己没办法机动,万一它们相互之间撞上了,巨大的动能会将彼此撕成碎片,而这些小碎片往往是不可预测的,它将给我们造成极其惨重的损失。

航天强国大多有一套自己的太空垃圾跟踪系统。使用光学望远镜和高度敏感的雷达天线扫描天空,每发现一个新的亮点,就会做一个标记、算出它的轨道并且录入数据库。轨道数据会实时更新,这样航天飞行控制中心就有一张“网”,科学家将自己航天器的轨道参数放进“网”里比对,如果发现未来可能会有重叠,就需要提前调整轨道,避免碰撞。

然而尽管“天网恢恢”它却不是“疏而不漏”的。到目前为止人类只能准确跟踪约100万个大于10厘米的太空垃圾,比这个小的碎片很难发现,但估计数量超过1.28亿!


太空中大于1毫米的碎片超过1.28亿个

太空碎片曾经可能是卫星或飞船上的一部分,也可能是运载火箭上的油漆、发动机喷射出来的残渣,只要这些东西还在近地轨道上飞行,它们的速度就超过7.5公里/秒,也就是音速的22倍!

我们熟知的AK47步枪,其枪口初速度(也就是子弹出膛速度)为710米/秒,弹头重量8克,用动能定律:E=1/2 mv^2 可以计算出子弹动能达2010焦耳,这足以在100米距离内穿透1厘米厚的普通钢板。


步枪子弹能穿透钢板

同样是8克重的太空金属碎片,它以7.5公里/秒的速度飞行,其动能将达到22.5万焦耳!它能很轻松地将任何一颗卫星打个对穿。

2021年3月18、19日,中美两国卫星先后发生不明原因“解体”,其中美国NOAA-17号气象卫星已经退役了8年,而中国云海一号02星则刚服役一年多时间。究竟是什么原因造成卫星解体,目前尚不得而知,但这两颗卫星解体后的大小碎片在未来相当长时间里还会威胁到其它航天器的安全。


卫星因碎片撞击而解体

由于物体的动能与速度的平方成正比,即便是一粒沙子大小的太空垃圾,它也可能击穿航天服、对出舱工作的航天员构成严重威胁。所以当你看到我们的航天员在太空漫步,一定要知道他们时刻都冒着生命危险,这可一点都不好玩!


沙粒大小的碎片也有可能击穿航天服

讲了这么多,我们已经知道了太空中的垃圾很多很危险,那么到底怎么才能收拾那些报废卫星、清除有害的太空垃圾呢?说实话,这真的很难很难!

首先,太空里所有的垃圾,大到几吨重的卫星,小到一粒螺钉,它们不是固定不动,而是都以极快的速度飞行。因为只要低于相应的轨道速度,它就会自动掉下来,不需要我们清理了。打个比方,我们天宫空间站的轨道高度是390公里,它的轨道速度为7.68公里/秒,同样地,在390公里高度所有的太空垃圾也全是这个速度,低于这个速度就会坠落回地球。

我们如果想清理390公里高度某一国的太空垃圾,就得以同样的速度去迎面接近它——但不能相撞,这比神舟飞船与空间站的交会对接更困难。


做太空“清道夫”并不容易

作为太空清道夫,咱们实践二十一号卫星还得具备很强的机动变轨能力。清理垃圾不是一锤子买卖,轨道上的报废卫星那么多,你干掉一个还得找下一个,否则成本太高不划算。太空轨道机动可不像你开车,一打方向盘就转弯,由于轨道速度极快,你需要精确计算并且消耗大量燃料,然而卫星携带的燃料有限,所以我们需要优先选择那些威胁性更大的目标。

找到并接近目标之后,怎么清除这个垃圾又是个新难题。你不能发射弹头将它击毁,那样只会制造更多的太空碎片,把事情搞糟。用激光行不行?激光是一种非动能武器,即便你将报废卫星烧穿,它也不会改变轨道,威胁依然存在;有人提出始终用激光加热卫星的一侧,利用热蒸发的废气将其推离轨道,但这需要目标姿态稳定,并且长时间伴随飞行,效率太低。


激光清除垃圾的效率太低

目前为止比较可行的是想办法让目标减速,因为只要速度下降,太空垃圾就会被地球引力拖入大气层烧毁,并且这个过程是不可逆的。

我们前边说了,因为速度太快,向卫星发射任何弹头都会使目标变成许多块碎片,硬的不行就只能来软的。如果向迎面而来的卫星撒去一张柔性并且结实的大网,网的末端系上重物,这样就能将目标的飞行速度降下来。当然了,这一招管不管用还是要看目标飞行体的质量与网质量的对比,这涉及复杂的计算。


太空撒网捉卫星是个好办法

太空垃圾的数量极其庞大,随着科技的发展,卫星制造得越来越小,发射成本也越来越低,某些“私营公司”像撒土豆一样一次向太空发射几十颗卫星,每年送上轨道的卫星数量多达千颗。一旦这些卫星失效,就极可能成为太空中不定时的炸弹,威胁我们卫星甚至是天宫空间站的安全。


天宫空间站将添保镖

坐而论道不如立而起行,实践二十一号卫星的发射就是将理论付诸实践,如果成功,未来我们的空间站或许会多几个随行“保镖”,随时击落那些有意或无意靠近的航天器。至于说有人猜测这会不会被用到军事用途,答案是:不知道。

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