变废为宝,揭示处理太空垃圾的五种方法

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金沙澳门官网网址 1是机器,就总有会出现故障的一天。”
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揭示处理太空垃圾的五种方法

{“type”:1,”value”:”就像飞机、汽车和轮船等会出现各种毛病以外,人造卫星的故障也没少发生。

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据统计,自1957年截至2018年,就共有8378个人造物被发送到太空。

2008年,美军在太平洋发射“标准导弹-3”击落间谍卫星

而人造卫星则是人类发射数量最多的航天器,占90%以上。

北京时间1月30日消息,据美国太空网报道,近期,科学家提出一个问题:如果通信人造卫星在太空中失控或发生故障,当它们被当作太空垃圾进行处理时会出现什么后果?试想如果前苏联时期的人造卫星携带的核反应堆出现泄漏该怎么办?当人造卫星在太空中“死亡”之后将发生什么?

现代社会已离不开卫星系统,天气预报、定位导航、广播电视直播等的背后都由卫星技术支持。

以下是科学家分析当人造卫星“死亡”之后出现的几种可能性。

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如果任务控制员及时探测到人造卫星存在的故障,他们会点燃其仍处于功能正常状态的人造卫星发动机,抵达被称为“轨道墓地”的太空区域,该太空区域位于人造卫星最初飞行平面数百英里之上,这样将避免邻近的太空人造卫星可能遭受的损害。

自1957年首次发射以来,每年射入太空的人造物数量

这就是地面太空任务指挥人员如何处理通信卫星“雅特5A”的方法,该卫星在操作12年之后,今年1月15日它出现了无法探知的故障,目前该通信卫星处于太空漂浮状态,在距离地球表面35888千米的太空轨道平面移动,沿着其轨道弧度向东漂移。

然而,航天工程又是一项高风险的事业,类型各异的故障是一个都没落下。

“雅特5A”卫星是由卢森堡SES公司发射的,该公司已十分悲观地放弃了该卫星的通信通讯功能,现正将它从安全的太空轨道区域内移除,并通知邻近其他人造卫星所属国家避免发生碰撞。最终,“雅特5A”的归宿是进入墓地轨道终结自己的生命。

卫星造价不菲,在上天之前航天专家会制定许多应急方案,以应对各种意外的发生。

2006年,俄罗斯“快车-AM11”通信卫星进入一个轨道墓地,之后与太空残骸发生碰撞。

例如,通过一些地面的遥控指令等进行补救。

摧毁出现故障的人造卫星也可采用导弹击毁,但并不是所有的情况下,导弹射击都会使人造卫星在太空中完全爆炸毁灭。去年,美军在太平洋发射了一枚导弹,击中了废弃的“USA
193”间谍卫星,虽然这颗间谍卫星绝大部分被摧毁,但是2月20日它的残骸中有一个完整的有毒联氨燃料罐落在地球上。

但都说了是意外,卫星升空后肯定会有一些难以补救的状况发生。

3、通常由人造卫星所属国家进行处理

金沙澳门官网网址 4自1957年开始,太空垃圾数量也开始飞速增长”
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通常研究分析人员发现人造卫星出现故障,一般情况下会首先通知人造卫星所属国家进行处理,其中一个典型的例子是前苏联时期的人造卫星“宇宙1818”,它是前苏联1987年发射的,该卫星是太空中用于高级核电站测试的唯一两颗人造卫星中的第一颗。

{“type”:1,”value”:”由于技术原因,一些卫星还没能进入轨道就成了太空流浪汉,可谓出师未捷身先死。

今年1月份,美国宇航局轨道残骸计划署(Orbital Debris Program
Office)在发布的最新季度报告中指出,“宇宙1818”卫星于2008年7月4日喷涌出残骸雾,这可能是由于冷却剂反应堆遭受太空残骸撞击或出现裂缝造成泄漏。近日,据美联社报道称,俄罗斯太空部队亚历山大:亚库辛(Alexander
Yakushin)将军证实“宇宙1818”卫星出现了裂缝,但他强调称,由于这颗人造卫星所处轨道位置非常高,并不会对国际空间站带来破坏性损害,也不会出现放射性物质残骸像雨点般地落在地球表面。这颗卫星将在距离地球800千米高空处进行分解,该高度距离国际空间站354千米。

有的卫星轨道是对了,但却因为零件的损坏也无法正常服役。

虽然“宇宙1818”卫星看上去处于控制之中,但是
“宇宙954”卫星的情形就大不一样了,它是一颗雷达海洋侦察卫星,于1978年盘旋飞行失控,最终卫星残骸进入地球大气层,具有放射线的残骸散落在加拿大境内。

而在地面上的人类,只能看着它们燃料耗尽,并逐渐坠入稠密的地球大气层。

4、送回地球或进行太空修理

如果幸运点燃料未耗尽,人类还能控制其轨道的抬升到达离地球4万公里的“墓地轨道”。

处理出现故障的人造卫星的另一种方法就是通过美国宇航局的航天飞机携载返回地球进行修理,航天飞机舱内完全可以携载小型人造卫星返回地球。现服役18年之久的哈勃太空望远镜就是人造太空仪器成功修复的典型例子,美国宇航局宇航员曾四次“拜访”这颗太空基础望远镜,第一次是纠正了它的呈像模糊问题,之后又添加了新的摄像仪和仪器,进一步延长了它的服役时间。目前,美国宇航局计划今年5月12日进行第五次哈勃太空望远镜的维修任务,同时这也是最后一次维修任务。

这样,这些被遗弃的卫星就可以避免与在役卫星相撞,也算是“善终”。

美国宇航局的航天飞机计划将于2010年退役,今后出现故障的人造卫星所进行的维修任务则由“机械医生”来完成。2007年,美国五角大楼成功测试了太空飞船的飞行能力,该太空飞船有能力完成对人造卫星机械化燃料补给和维修任务,此外,投资3亿美元的“轨道快车”任务使用一个目标人造卫星和机械手臂维修车示范了自动化集合和维修任务。

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处理太空飞船和垃圾最常见的一种方法是进行燃烧,之前一些老式太空飞船曾在地球大气层进行故意操作性燃烧。俄罗斯无人驾驶“进步”号货运太空飞船在执行完向国际空间站送递货物之后,以燃烧火球的形式结束了它的太空旅行生命。2001年,俄罗斯“和平”号空间站放弃使用后,也以类似的“火葬”形式结束生命。

《地心引力》剧照

欧洲第一个自动转移飞行器——“朱尔斯:维恩号”(Jules
Verne)让科学家观看到了一次壮观的景象,它最后以一片火光通明的燃烧形式坠落在太平洋之中。当时两架飞机被派遣记录了该太空飞船的“死亡过程”,据悉,“朱尔斯:维恩号”有伦敦双层巴士一般大。

但事实上,有些卫星还是能抢救一下的。

然而,历史上却有许多太空残骸在操作控制下未完全燃烧,2008年11月,一位宇航员将电冰箱大小的一桶有毒氨水从国际空间站丢弃,这桶有毒物质在太平洋南部持续燃烧了1年多。美国宇航局并不清楚这桶毒性氨水进入地球大气层后最终的准确坠落地点,美国太空监控网络一直成功跟踪这一目标,确信它残留的有毒物质不会对地球人类构成危害。

那些还能用但又没派上用场的卫星,就静静地游荡在地球边缘,等待人类救援。

或许最具有纪念意义的美国太空垃圾应当是77吨重的空间站太空实验室,它于1979年7月份再次返回地球大气层,它的燃烧残骸遍布印度洋东南部和澳大利亚西部地区。

一般来说,远在天边的卫星出现故障,是不会进行更换或维修的。

即便每颗人造卫星造价都是以亿起算的,但抢修的成本可能会更高。

不过,对一些价值连城、或具有特殊意义的卫星就值得去拼一下了。

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国际通信卫星6号

例如,上世纪八十年代的“国际通信卫星6号”,就是无数“太空流浪汉”中的幸运儿。

权衡利弊,救它可比放弃它要划算得多。

而说出来让人难以置信,为了拯救这颗卫星当时还上演了航天史上宇航员首次徒手抓卫星的惊险桥段。

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国际通信卫星公司推出的第一个卫星“早鸟号”

为了满足各国通信需求,上世纪70年代起通信卫星的数量就不断激增。

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大力神3运载火箭

当时,负责intelsat 6-F3上天的是大力神3火箭。

但在发射升空后,由于箭上计算机软件和接线设计失误,火箭的第二级没能与上面级和卫星的组合体分离。

万幸的是,intelsat 6-F3本身并没有任何损坏。

在卫星中心的指令下,intelsat
6-F3从近地轨道顺利进入了轨道高度为480多公里的停泊轨道。

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但即便如此,国际通信卫星公司还是面临着几亿美元的损失。

因为按照原定计划,intelsat
6系列每颗卫星的通信容量为24000个双向话路和3个电视通道。

采用数字线路倍增设备,双向话路还能达120000个。

这通信容量,在当时是最大的,每天都能为国际通信公司赚回24万美元。

役期13年,能带来的利润是巨大的。

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但现下无法正常服役的intelsat
6-F3,却只能在太空中漂泊流浪,完全就是一块废铁。

而全球的通信迫切需求,就摆在眼前。

另外,重新发射一颗新的通信卫星,费用就高达2.7亿美元,另外还需两年时间。

于是,国际通信卫星公司便找到了NASA商讨如何抢救一下这颗卫星,以实现“变废为宝”。

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航天飞机,从左到右:哥伦比亚号、挑战者号、探索号、亚特兰蒂斯号和奋进号

在美国航天飞机还未退役前,回收和维修卫星这项任务就能靠航天飞机来执行。

例如,航天飞机可以把故障的卫星抓回,在航天飞机敞开的货舱内就地修理,然后再送出去继续工作,又或者由航天员出舱修理卫星;

若故障不能就地解决,航天飞机还能将卫星带回地面大修,最后再发射上天。

对intelsat
6-F3而言,回收费用大约只需1.47亿美元,这确实比重新造一个卫星要便宜得多。

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“奋进号”航天飞机

1986年1月,“挑战者号”航天飞机凌空爆炸,7位宇航员当场殒命天际。

“奋进号”,便是替代挑战者号的新一架航天飞机。

而在这之前,宇航员们也进行了为期两年之久的模拟训练。

但谁能没料到,这首次出任务“奋进号”就需历经磨难,拯救实况和想象中有些不同。

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“奋进号”航天飞机与七名宇航员

按照计划,奋进号需要用特别设计的机械臂将卫星抓回航天飞机内。

之后,再把固体火箭推进器装好就能把卫星送上预定的地球同步轨道了。

但在这之前,还需要宇航员出舱将(长为4.5米重72千克的)捕捉杆插入卫星底部的结构环。

只有这样,才能让卫星被捕获并固定在机械臂上。

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作业宇航员皮埃尔·索特在机械臂末端尝试用捕捉杆固定卫星

然而到了5月11日,奋进号始终没能将捕抓杆固定到卫星的地步。

即便intelsat
6-F3已在地面控制指令下减速,但其每秒自转一周的速度依然让人吃不消。

在舱外作业的宇航员皮埃尔·索特(Pierre
Thuot),数次感到自己的控制的捕抓杆已触碰到卫星了,但仍然无法完成固定动作。

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皮埃尔·索特(Pierre Thuot)

虽然在地面上已经过无数次的模拟训练,但太空的实际情况却比想象中的复杂。

在真空状态下,变得更硬的宇航服使索特行动更加笨拙。

前后经过三次失败的对接,索尔已经筋疲力竭,只能无功而返。

要知道,奋进号上储备的燃料是有限的。

当时燃料已经所剩无几,如果继续以老方法很可能还是功亏一篑。

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无奈之下,专家团队才动了这么大胆的念头——同时派3名宇航员出航,直接用手去捕获卫星。

其实想要以人工的方式捕获这只太空中的“巨大陀螺”,是极其冒险的。

首先,宇航服很有可能会被高速旋转的卫星划破。

而宇航服被划破的口子一旦超过0.6厘米,宇航员将性命不保。

若是航天飞机因操作失误而发生碰撞和损坏,也都将是灾难性的。

金沙澳门官网网址 17奋进号首次发射”
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{“type”:1,”value”:”此外,还需要注意的是,这还是奋进号的处女航。

如果任务失败也将成为NASA的又一黑历史,压力之大可想而知。

但相对机械捕获,人工捕获也是最后的办法了。

“让我们去吧”,几位宇航员决定进行最后一搏。

经过三个多小时候的准备工作,三位宇航员才先后走出航天飞机,并用固定装置稳稳地站立在了舱外。

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舱外的三位宇航员

而这三位宇航员,整整用了一个多小时,才使高速旋转的卫星停了下来。

在这之后,机舱内的宇航员便立刻操控机械臂将卫星移回舱内。

当晚,他们就给卫星装上了11.5吨重的固体燃料推进器。

5月14日,重新获得动力的intelsat 6-F3成功进入地球同步轨道。

就这样,intelsat 6-F3开始了正式的服役生涯。

尽管比计划中少服役了两年,但它早已赚回当年抢救的费用,并创造了超出其本身的价值。

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奋进号航天飞机

其实说来,航天飞机在太空维修上的功绩还真不少。

比徒手抓卫星更有名的,其实是1993年“奋进号”对哈勃空间望远镜执行的首次维修任务。

而自1993年维修之后,航天飞机又分别在1997年、1999年、2002、2009年执行了4次哈勃望远镜的维修。

前后5次维修,航天飞机已为哈勃望远镜五次成功续命。

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1993年,对哈勃进行的第一次维修

但可惜的是,综合成本、效益和安全性等各方面原因,2011年美国所有航天飞机都已经退役停飞了。

而哈勃望远镜,也将随着航天飞机的离去结束几十年的任务。

哈勃再次出现什么大故障,就没人能够上天为其排忧解难了。

目前人类也随着航天飞机的退役,暂时失去了轨道维修的能力。

若想让自家昂贵的航天器不变成一块太空垃圾,就只能在地面上检查得更加仔细了。

*参考资料

Andy.How many satellites orbiting the Earth in 2019?.pixalytics.com

金沙澳门官网网址,费雅佳.国际通信卫星6卫星已全部入轨.中国航天J].1992

刘登锐.奋进号在太空拯救卫星.国外航天J].2002

ROBERT W. STEWART.3 Astronauts Grab Marooned Satellite in a Dramatic
Rescue : Space: The manual capture is biggest step in an hours-long
procedure to retrieve the craft. The crew is to bring it into the
shuttle’s cargo bay to attach a booster rocket.1992.05.14

甄生斌,刘涛.航天飞机漫谈.中学物理教学J].2001

志豪.对航天飞机退役的反思.国际太空J].2011

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