太空碎片如何创造了世界上最大的垃圾场

1957年,苏联首次将人为物体发射到轨道上。它标志着太空时代的曙光。但是当Sputnik 1的电池死亡,铝卫星开始生命

1957年,苏联首次将人为物体发射到轨道上。它标志着太空时代的曙光。但是,当Sputnik 1的电池死亡,而铝制卫星开始毫无生气地绕行地球时,它标志着另一个时代的终结:数十亿年的空间是原始的。

NASA称,如今,地球上方的空间已成为世界上“最大的垃圾场”。在过去的六十年中,有8,000吨人造垃圾,称为太空碎片,被空间代理商留下。

现在,美国追踪了25,000多个太空垃圾。这只是基于地面的雷达技术可以跟踪的碎片。美国太空监视网络估计,目前可能有超过1.7亿个空间碎片,大多数碎片小于1毫米。

太空碎片:浪费星球

空间碎片包括所有大小的人为物体,它们都是轨道的,但不再具有有用的功能。已知空间垃圾的简短清单包括:刮铲,手套,镜子,装满宇航员工具的袋子,花费的火箭舞台,流浪螺栓,油漆芯片,已停用的航天器和约3,000个死卫星以大约18,000 m.p.h.的速度

通过允许太空碎片不受限制地积聚,我们可能正在建造一个监狱,使我们在地球上滞留了几个世纪。

大多数空间垃圾都漂浮在低地轨道(LEO)中,这是海拔约100至1,200英里的空间区域。狮子座也是世界上大多数3,000颗卫星运作的地方,为我们的电信,GPS技术和军事行动提供动力。

“低地轨道(狮子座)中存在数百万块轨道碎片 – 至少有26,000个垒球或更大的大小,这些大小可能破坏卫星在撞击时;超过500,000大理石的大小足够大,可以损坏航天器或卫星; NASA的监察长办公室审计办公室写道,超过1亿颗盐的大小可能会穿上太空服。技术基础设施,也是人类根本冒险进入太空的能力。

通过允许太空碎片不受限制地积聚,我们可能正在建造一个监狱,使我们在地球上滞留了几个世纪。

一个大问题

任何大小的空间碎片都对航天器构成了严重威胁。但是微小的,无法追踪的微型杂交带来了一个特别可怕的问题:从航天器上碎裂的油漆碎片似乎并不危险,但它以近10倍的速度来照顾子弹的速度,可以打包足够的能量来刺穿Astronaut的西装,破裂,破裂国际空间站的窗户,并有可能破坏卫星。

空间碎片的影响很常见。在航天飞机时代,NASA平均每个任务中平均取代了一到两个班车窗户“由于太空碎片的高速冲击(HVI)。可以肯定的是,某些空间碎片是天然的微型度量。但是其中的大部分是人制造的,就像2006年STS-115飞行的右舷有效载荷散热器的碎片一样。

信用NASA

NASA写道:“碎片渗透了蜂窝结构的两个壁,而穿透的冲击波在6.8毫米长的散热器后表面裂缝。” “扫描电子显微镜和能量色散X射线检测分析分析孔周围和散热器内部的残留物质表明,撞击器是电路板材料的一小部分。大于一厘米可能会将航天器碎成碎片。

影响ISSCREDIT ESA的芯片

为了道奇太空垃圾,国际空间站(ISS)每年必须进行几次“避免操纵”。例如,在2014年,飞行控制器决定将ISS的高度提高半英里,以避免与轨道上的欧洲旧火箭的一部分碰撞。

NASA有严格的指导方针,即如何决定执行这些操作。

NASA写道:“当连词发生碰撞的可能性达到航天飞机和太空站飞行规则中设置的限制时,计划避免碎片。” “如果碰撞的可能性大于100,000分之一,则如果不会对任务目标产生重大影响,将进行操作。如果它大于10,000分之一,则将进行操作,除非会给机组人员带来额外的风险。”

这些预防措施变得越来越必要。在2020年,国际空间站必须移动三次以避免潜在的碰撞。最新的封闭电话之一是如此小的警告,以至于指示宇航员在空间站的俄罗斯部分中庇护,以便更靠近他们的Soyuz MS-16航天器,该航天器是一个逃生舱,以防万一紧急情况。凯斯勒综合症

随着时间的流逝,空间碎片的危害成倍增长。这是因为NASA科学家唐纳德·J·凯斯勒(Donald J. Kessler)在1978年概述了一个问题。所谓的凯斯勒综合症指出,随着空间越来越充满航天器和碎片,碰撞变得越来越可能。而且,由于每次碰撞都会产生更多的碎屑,因此它可能会触发碰撞的链反应 – 有可能到达近地空间成为弹片场,而安全的行进是不可能的。

从航天器上碎裂的油漆碎片似乎并不危险,但是它以近10倍的速度来照顾空间,填充足够的能量来刺穿宇航员的西装,破裂国际空间站的窗户,并有可能破坏卫星。

凯斯勒综合症可能已经在发挥作用。也许始于第一个已知的案例,即航天器受到人造太空碎片的严重破坏,该碎片发生在1996年,当时法国间谍卫星塞里斯(Cerise)被一块古老的欧洲阿里安娜(Ariane)火箭击中。碰撞撕下了卫星的13英尺部分。

下一个重大太空碎片事件发生在2007年,当时中国进行了反卫星导弹测试,该测试在该测试中摧毁了其自身的一颗天气卫星,引发了国际批评并造成了3,000多个可追踪的空间碎片,其中大部分仍在爆炸后十年的轨道。到2009年,通信卫星之间的意外碰撞 – 活跃的虹膜33和已解决的俄罗斯宇宙-2251-产生了至少2,000个大量空间碎片,并产生了多达200,000个较小的碎片。 NASA。目前大约有一半的太空碎片绕地球来自虹膜 – cosmos碰撞和中国的导弹测试。

还有更多。俄罗斯的融合卫星在被怀疑来自中国2007年导弹试验中的一块太空碎片击中后,于2013年脱离了轨道道路。欧洲航天局的哥白尼前哨1A卫星在2016年被一个小粒子击中;同年,ISS的窗户被一个小碎片击中。

随着国家和私人公司计划将更多的卫星发送到轨道上,碰撞和影响很快就会变得更加普遍。

卫星巨型构造的承诺和危险

太空组织最近开始以前所未有的速度将卫星发射到低地轨道上。目的是创建卫星的“巨型构造”,这些卫星几乎可以访问地球的所有部分。

提供互联网的卫星已经存在多年了,但是它们通常昂贵,并且与陆基互联网基础设施相比提供服务较慢。这主要是因为信号可能需要相对较长的时间才能从卫星传播到用户,这是因为这些卫星中的许多高度都在地球座轨道上漂浮在我们上方的高度。通过将数千颗卫星发射到低轨道上,以减少信号潜伏期或信号从卫星传播所需的时间来解决此问题。但是一些太空专家担心卫星巨型构造可能会产生更多的空间碎片。

国际天文学联盟的托马斯·施尔迪克特(Thomas Schildknecht)在4月的一次欧洲航天局会议上说:“我们面临着全新的挑战。 “巨型构造产生了巨大的碰撞风险。我们需要在空间和国际机制方面的交通管理方面进行更严格的规则,以确保执行规则。”

欧洲航天局资助的2017年一项研究发现,将卫星大型构造部署到低地球轨道可能会使灾难性碰撞数量增加50%。尽管如此,尚不清楚将更多的卫星发送到太空是否必然会引起更多碰撞。

例如,SpaceX声称Starlink卫星并不有碰撞的重大风险,因为它们配备了自动碰撞避免碰撞推进系统。但是,该系统似乎在2019年失败了,当时Starlink卫星与名为Aeolus的欧洲科学卫星密切相关。该公司后来表示已修复了错误。一批60个星号测试卫星堆放在猎鹰9火箭上。CreditSpacex

目前,尚无严格管理卫星大型施工的部署和管理的国际规则。但是,有一些国际努力来遏制太空碎片的风险。

最共同努力的努力是机构间空间碎片协调委员会(IADC),该论坛由世界,俄罗斯,中国和日本在内的世界上有13个空间机构组成。该委员会的目标是“交换成员太空机构之间的太空碎片研究活动的信息,促进空间碎片研究中合作的机会,审查正在进行的合作活动的进展以及确定碎片缓解措施的进度。”

IADC的空间碎片缓解指南列出了三个广泛的目标:

1.防止轨道分解

2.从人口稠密的轨道区域中取出航天器时,它们到达任务的尽头

3.限制在正常操作期间发布的对象

但是,即使世界太空机构认识到空间碎片问题的严重性,但由于基于激励措施的困境,它们还是不愿采取行动。

太空碎片:公地的经典悲剧

空间碎片是每个人的问题,但是没有一个实体有义务解决它。这是公共场所的悲剧 – 一种经济方案,在这种情况下,拥有共享和稀缺资源(空间)行动的个人以自己的最大利益(花费最少的钱)。不受限制地检查,共享资源很容易受到枯竭或腐败的影响。例如,美国本身可以开发一种新颖的方法来消除空间碎片,如果成功的话,该方法将使所有拥有太空资产的组织受益。但是,由于游戏理论困境,这种情况的几率很小。

2018年发表在机器人技术和AI领域的研究解释了:

“ [在空间碎片中]每个利益相关者都有动力延迟其行动并等待其他人做出回应。这使清除空间碎片设定了一个有趣的战略困境。由于所有参与者共享相同的环境,因此采取的行动对所有其他行为都有潜在的直接和未来影响。这引起了社会困难,在这种困境中,所有人都共享个人投资的收益,而成本却没有。这鼓励自由骑士,他们在不支付费用的情况下获得了收益。但是,如果所有涉及各方以这种方式原因,那么对所有参与的人来说,所产生的不采取行动可能会差得多。这在游戏理论文献中被称为公地的悲剧。”

类似于试图遏制气候变化,关于如何最好地激励各国减轻空间碎片,也没有明确的答案。 (就其价值而言,2018年研究中的游戏理论模型发现,一个集中的解决方案(例如,单个演员都决定减轻空间碎片的决定,也许代表跨国联盟的决定 – 比分散的解决方案要昂贵。 )尽管空间组织的行动缓慢,但许多人一直在探索从轨道上去除空间垃圾并防止新碎片形成的方法。

清理空间碎片

太空组织已经提出并尝试了许多方法来清除空间中的碎屑。尽管这些技术各不相同,但大多数人都同意策略:首先摆脱大型东西。

那是因为涉及大物体的碰撞会产生许多新碎片。因此,首先清除大碎片会同时清理低地的轨道,并减慢凯斯勒综合症所描述的级联碰撞现象。

为了清理低地轨道,空间组织建议使用:

电动动力系数:2017年,日本航空航天勘探机构试图通过将货船配备带有电动力绳的货船来清除空间碎屑 – 本质上是由不锈钢和铝制成的渔网。然后,该飞船试图“捕获”空间碎片,目的是将其拖入下部轨道,最终将其坠落到地球上。实验失败了。超薄网络:NASA的创新高级概念计划为一个项目提供了研究,该项目将部署极薄的网络,旨在包围太空碎片,并将其拖到地球大气中。“激光扫帚”:自1990年代以来,太空研究人员提议使用使用地面激光器可以战略性地加热一块空间碎片的一侧,这将改变其轨道,以便早日重新进入地球大气层。因为激光系统将基于地球,所以该策略可能相对可负担。到达太空垃圾,这将有助于引导碎屑回到地球。这些帆可以包装在新卫星中,一旦卫星不再有用,也可以部署,或者与现有空间垃圾相连。BraneCraft II期的插图,它将使用薄网捕获太空碎片。 -1

但是,对于太空碎片的最有前途的解决方案之一也许是ESA资助的ClearSpace-1任务。 ClearSpace-1将于2025年推出,打算成为成功从轨道上清除太空碎片的第一个任务。目的是将卫星发射到轨道上,并与欧洲的Vega发射器的上层舞台进行会合,该卫星在2013年航班后留在太空中。一旦卫星会遇到碎片,它将尝试用机器人手臂捕获垃圾然后执行受控的大气再入。这项任务将具有挑战性,部分原因是太空垃圾在地球上空飞行时会滚滚,这意味着卫星必须匹配其运动以安全地捕获它。

FreeThink最近与ClearSpace-1团队进行了交谈,以更好地了解任务及其挑战。

但是,并非所有空间碎片清除策略都集中在技术上。 2020年发表在PNAS中的一篇论文认为,轨道上的每个卫星征收税收将是清理空间的最有效方法。该计划称为“轨道使用费”,将向太空组织收取每颗轨道上的每颗卫星的年费约为235,000美元。从理论上讲,这笔费用将激励各国和公司随着时间的流逝而整理空间。

轨道使用费的主要障碍是使世界上所有的太空组织同意这样的计划。如果这样做,它可能有助于消除太空碎片的下议院的悲剧,并在2040年之前可能使太空行业的价值四倍。

研究人员写道:“从根本上讲,低地球轨道上的碎屑和卫星是一个激励措施的问题 – 目前,卫星运营商缺乏激励措施来考虑其发射决策的碰撞风险。 “我们的分析表明,通过OUF纠正这些激励措施可能会对卫星行业带来可观的经济利益,而没有这样做可能会带来实质性和升级的经济成本。以及需要协调的国际努力的昂贵挑战。如果全球社区希望维护现代技术基础设施并更深入地进入太空,那么就不是一种选择。

欧洲航天局(ESA)总干事扬·沃纳(JanWörner)在一份声明中说:“想象一下,如果历史上所有损失的船只仍在水上漂流,海上航行将是多么危险。” “这就是当前的轨道状况,不能允许它继续。”

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