【科學新知】不惑青年:如何清除宇宙級垃圾?

2021-10-26 18:09:39 最後更新日期:2021-10-27 16:55:23
不惑青年

生理上已屆不惑之年,心理上似個弱冠青年。巨嬰性格,愛機械、好工業。

0e96a5657a3f42e6ba824699874f30f2運載「實踐二十一號」衛星的長征3乙火箭,在西昌衛星發射中心發射時的狀況。(央視新聞擷圖)

10月24日,《新華社》發布了一篇非常簡短的報道:當日上午9時27分,西昌衛星發射中心用長征3乙運載火箭,成功將「實踐二十一號」衛星發射升空。衛星順利進入預定軌道,發射任務獲得圓滿成功。「實踐二十一號」衛星主要用於空間碎片減緩技術試驗驗證。這次任務是長征系列運載火箭的第393次飛行。

至於本次發射任務的主角,作為空間碎片減緩技術試驗驗證的「實踐二十一號」衛星的研發與應用狀況、採用什麼技術來實施空間碎片減緩等背景資料,報道卻隻字未提,一貫高機密發射任務的報道手法。

筆者對該衛星的技術指標、空間碎片減緩技術路徑、將來的應用前景、有沒有軍事用途等等都甚感興趣,奈何花了好些時間也找不到該衛星的公開資料,只好從一些空間碎片減緩的背景資料中,側面了解「實踐二十一號」衛星的使用價值與展望,供讀者參考。

空間碎片如何產生?

所謂空間碎片減緩技術,說簡單一點,便是清除太空垃圾的技術。

自從1957年人類第一顆人造衛星發射進入太空以來,已有6000餘顆衛星或航天器被先後送入地球軌道,當這些衛星或航天器在其使用壽命結束、失去動力或喪失功能後,大多數仍會留在原來的軌道中,成為太空垃圾。再加上他們之間或因軌道過於接近而相撞,或因自身元器件爆炸導致解體,因此進一步產生更多在太空垃圾。據統計,約56%的碎片來自在軌爆炸或碰撞解體的衛星或航天器。

美國太空總署(NASA)今年5月的一篇報道就指出,在地球軌道上,目前約有23000個尺寸在10厘米以上的碎片,大於1厘米的碎片則有約50萬個,如果把大於1毫米的小碎片也計算在內,估計數量多達1億個,當中有約27000個碎片被跟蹤監測,為可能與其他衛星或航天器的相撞提供預警。NASA 早在 2006年 便預測,在未來200年內,直徑大於10 cm的碎片在低地球軌道(LEO——距地面2000公里以下)、中地球軌道(MEO——距地面2000至36000公里)、地球靜止軌道(GEO——距地面36000公里)區域將分別達到70000、20000、7000個。在特別是在距地 900~1000 公里的 LEO 區域內,空間碎片數量將達到超臨界(super-critical)狀態,估計2035年之後,每年將有3~4顆衛星由於空間碎片撞擊而失效或喪失部分功能。

Debris GEO1280NASA 製作的太空垃圾分布示意圖。其中有兩個主要的分布帶分別是,位於地球靜止軌道(GEO)上的環狀帶及位於近地軌道(LEO)上的雲狀帶。

這些碎片對於在地球軌道上工作的衛星及航天器構成嚴重安全威脅,因為他們的在軌運行速度至少達到第一宇宙速度,即7.8公里/秒(低於這個速度的物體會受地球引力影響被拉回到大氣層隕落,不會成為太空垃圾),所以即使這些太空垃圾的體積再細小,以高速撞擊在軌運行的衛星或航天器,其破壞力均足以讓他們受到嚴重破壞或失效,若被大於10厘米的碎片撞擊,破壞則是毁滅性的。

自1986年以後,太空垃圾數量劇增,碰撞事故頻發。比較嚴重的一次發生在2009年2月11日,美國通訊衛星「銥星33」與俄羅斯通訊衛星「宇宙2251」在高度為788.57公里的軌道上相撞,撞擊速度達11.6公里/秒,兩個衛星迅即解體,並遺留了超過2000個直徑大於10厘米的碎片在軌道上。由於兩個衛星所處的軌道正是提供區域性氣象與通訊服務衛星相對稠密的太陽同步軌道(SSO),事件發生後所有新發射到 SSO 的衛星或航天器,其軌道設計均需要避開該次相撞後遺留下來的碎片區。

國際太空站作為人類目前建造過最大的航天器,自開建到現在,幾乎每年都要進行一、兩次的規避機動來避免與太空垃圾相撞。

太空垃圾的清理需國際合作

國際宇航聯合會(IAA)非常重視空間碎片問題,在1991年年會(IAC)上召開了首次空間碎片專題會議,2003年召開了首次空間碎片和空間交通管理(Space Traffic Management)專題會議,到2006年再召開了首次空間碎片減緩(Space Debris Mitigation)專題會議。為了協調各航天國家的統一行動,共同解決空間碎片問題,1993年成立了機構間空間碎片協調委員會(The Inter-Agency Space Debris Coordination Committee,IADC)。IADC是具有國際普遍認可的空間碎片有關問題的權威性實體機構,是空間碎片研究和技術導向的國際組織,目前由12個國家的宇航機構加上歐洲航天局(ESA)組成,每年舉行一次 IADC 大會,並定期向聯合國和平利用外太空委員會(UN COPUOS)彙報工作。1995年,中國國家航天局(CNSA)加入了這一國際組織。

NASA 和 ESA 的研究均顯示,目前所有的空間碎片減緩措施雖然能夠減少空間碎片的產生,但是不足以保持空間碎片環境的穩定,需要開展空間碎片主動移除,才能大大遏制空間碎片的瘋狂增長,保障空間碎片環境的穩定性。

經過近三十年的努力,國際上已建立起多套對空間碎片的監測系統,其中監測能力最強的美國更建立了空間監測網絡(Space Surveillance Network),在全球多個地點建立監測站,利用光學及雷達設備進行監測及跟蹤,對空間碎片進行識別、分類、軌道監控、碰撞預報等,而且相關數據大部份可公開查閱。

空間碎片主動移除技術

空間碎片主動移除是指:對 LEO 碎片使其進入大氣層燒毀,而對 GEO 碎片則使其軌道抬高或降低到235公里的墳墓軌道,從而達到保護在軌航天器不受碎片撞擊。

空間碎片主動移除技術,國際公認的幾個要求是:

  1.  移除過程中避免產生更多的空間碎片;
  2.  可在多個軌道執行主動移除;
  3.  碎片重返地球時可控;
  4.  移除成本低、效率高。

Scenario 3歐洲航天局計劃在2023年發射首個空間碎片主動移除試驗衛星,使用的技術是空間拖船追趕抓捕移除技術(圖片來源:ESA)

目前,各國提出的空間碎片主動移除技術主要有1)空間拖船追趕抓捕移除技術; 2)電動力繩索移除技術; 3)膨脹降軌移除技術; 4)太陽帆移除技術; 5)液/氣體、微粒雲霧、離子束(激光)移除技術。這5項技術中,前4項均可歸類為捕獲式移除方法,第5項為破壞式移除方式,當中,又以激光主動移除空間碎片技術被認為是最有前景的方法,因為技術難度比其他幾種技術低,成本也較低,可重複使用。

激光主動移除空間碎片技術的原理是,使用強激光束照射碎片表面,使輻照區材料產生等離子體並向外噴出,外噴等離子體對碎片產生反向作用力,使得碎片原來軌道發生改變。對LEO的碎片,可令其軌道高度降低到小於200公里,從而能進入大氣層燒毀,達到清除目的。對GEO的碎片或失效衛星,則可令其軌道抬高,離開36000公里的靜止軌道上,達到移除目的。

1 s2.0 S0094576519312688 gr2天基激光主動移除空間碎片技術示意圖。(圖片來源:Sciencedirect.com)

中國對相關技術的研究與用途

從公開的資料來看,中國對空間碎片主動移除技術的研究,在國家「十一五」規劃(2006-2010年)期間便開始獲得國家科研經費支持,2011年發表的《2011年中国的航天》白皮書亦提出要繼續加強空間碎片監測、減緩和航天器防護工作。「實踐二十一號」衛星是中國第一個發射的天基空間碎片減緩技術試驗驗證星,可說是經過十多年研究後的科研成果。但衛星到底是採用捕獲式還是破壞式空間碎片移除方法,暫時仍無從得知,須後續加以關注。

今次長征3乙火箭是將「實踐二十一號」衛星送到地球同步轉移軌道(GTO),隨後再依靠衛星自身動力轉移至GEO。

zxxdrxwmblqz上圖是2010年製作,具象化顯示在GEO上的衛星分布圖。可見早在10年前,這個軌道的衛星已經非常擁擠。(圖片來源:波音航天部門)

在GEO的衛星都必須分布在赤道上空的同一個圓環型軌道上,在運行過程中,為了避免衛星訊號互相干擾,需要將衛星分開來放置,這就意味著在這個軌道上能容納的衛星數量是有上限的,當退役或失效的衛星無法離開此軌道,就變相霸佔了軌道空間,影響新衛星進入此一軌道。目前GEO主要是大型通訊衛星、氣象衛星、全球定位衛星所佔用。

「實踐二十一號」衛星選擇在GEO運行是相當有遠見到選擇。這個越來越希缺的軌道空間,如果能成功驗證到移除該軌道廢棄衛星或空間碎片的技術並且實用化,將來可以為其他國家提供移除服務,以騰出軌道空間讓新衛星進入,是非常有商業應用前景的技術。

desktop Global Space Debris Monitoring Removal Market外國市場調查機構估算,國際上對空間碎片移除技術有一定需求,2018年整個市場總值約 21 億美元,至 2025 年每年增長約 4%。(圖片來源:MarketResearchFuture

另外,空間碎片主動移除技術對於中國航天事業的發展來說,也是至關重要的航天技術。

8月底,互聯網上出現中國1000米級航天器在軌建造技術將展開前期研究的新聞,令到有網民以為大陸是要建造「殲星艦」,而對航天技術一竅不通的 KOL 更加以恥笑的口吻說大陸在「吹牛」等等。其實,所謂的1000米級航天器指的是中國正在研究建造的太空太陽能電站。

太空太陽能電站也需要建在GEO,由上千米甚至幾千米的光伏電板陣列組成,在此一軌道,同等面積的光伏電板其發電效能是它在地球表面的25倍。目前,中國已規劃在2030年前後在 GEO上建造一個發電量為1兆瓦(MegaWatt)的小型太空電站,2050年再擴展升級到1000兆瓦,軌道上光伏電板發出的電力,將以微波傳回地球,地面接收設施選址在重慶碧山,已於2021年6月開始建造。太空太陽能電站將是核電以外,人類現在掌握的科技中,最穩定有效的潔淨能源來源。

162670054435204000 a700xH太空太陽能發電站的概念圖與設想。(圖片來源:前NASA科學家約翰・曼金斯)

可以想像,跨度達幾公里的太空太陽能電站受太空垃圾撞擊的機率將遠高於其他衛星及航天器,而且它佔用的 GEO 空間也比較大,所以,「實踐二十一號」衛星所驗證的空間碎片減緩技術在GEO上應用,將可以為將來的太空太陽能電站的建造掃清障礙。同時,相關技術也可以為已在軌運作中國空間站提供保障。

發佈於 科學新知
By 2021-10-26

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