美國(guó)宇航局建議使用激光清除和“移位”太空垃圾 天天實(shí)時(shí)
近年來衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，讓近地軌道逐漸變得“擁擠”，而這也引發(fā)了人們對(duì)“太空垃圾”更深入的思考。撞毀衛(wèi)星、逼迫國(guó)際空間站頻頻變軌、阻礙發(fā)射器進(jìn)入太空、對(duì)宇航員安全造成威脅……美國(guó)宇航局（NASA）日前再次警告稱，未來隨著衛(wèi)星和航空器件發(fā)射的爆炸式增長(zhǎng)，這些風(fēng)險(xiǎn)只會(huì)有增無減，而激光等技術(shù)或?qū)碜罡咝У慕鉀Q方案。
為了應(yīng)對(duì)這些隱患，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)國(guó)土和國(guó)家安全委員會(huì)軌道碎片研究與發(fā)展機(jī)構(gòu)間工作組空間天氣、安全和危害小組委員會(huì)2021年1月的一份報(bào)告確定了減少軌道碎片構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)的三種廣泛方法：減少新碎片的產(chǎn)生，更好地跟蹤和表征碎片，并找到修復(fù)現(xiàn)有碎片的方法。
(資料圖片僅供參考)
在美國(guó)宇航局技術(shù)、政策和戰(zhàn)略辦公室上個(gè)月發(fā)布的一份題為“軌道碎片修復(fù)的成本和效益分析”的147頁報(bào)告中，該機(jī)構(gòu)考慮了減少軌道碎片帶來的風(fēng)險(xiǎn)的修復(fù)方法，包括移動(dòng)、移除或再利用它們。報(bào)告中提到，一些方法可以在不到十年的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生凈效益。
目前，主流的太空垃圾清潔技術(shù)涵蓋了燃料推動(dòng)、機(jī)械臂／抓手、太空“魚叉”、太空“彈弓”、降落傘、“立方帆”、陽光燃燒、激光清除等十余種方案，不同方案在處理不同的目標(biāo)時(shí)各派用場(chǎng)。而美國(guó)宇航局正在考慮使用激光和人工“太空拖船”來清除地球軌道上的太空碎片。
美國(guó)宇航局負(fù)責(zé)技術(shù)、政策和戰(zhàn)略的副局長(zhǎng)Bhavya Lal表示：“我們知道，軌道上的物體數(shù)量正在增加，這意味著我們需要仔細(xì)研究如何分析衛(wèi)星和航天器操作員面臨的風(fēng)險(xiǎn)。”
Bhavya Lal表示，該報(bào)告采用了與以往研究不同的方法，直接關(guān)注太空垃圾帶來的風(fēng)險(xiǎn)，而不是使用碎片物體的大小或數(shù)量等替代指標(biāo)。新發(fā)布的報(bào)告還更直接地考慮了潛在的財(cái)務(wù)成本，并重新討論了修復(fù)的好處，將重點(diǎn)放在近期內(nèi)降低衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商的財(cái)務(wù)成本上。
該報(bào)告發(fā)現(xiàn)，降低作業(yè)人員風(fēng)險(xiǎn)的最有效補(bǔ)救方法是清除小碎片并“移位”大的太空垃圾以避免碰撞——而這兩項(xiàng)任務(wù)都可以用地面／太空激光來完成。
截至2019年1月1日計(jì)算機(jī)生成的地球軌道上物體的圖形，圖中大約95％的物體是軌道碎片。近地軌道是距離地球表面2000公里以內(nèi)的空間區(qū)域，這也是軌道碎片最集中的區(qū)域，可以看到這一地帶如今已宛如巨大的“垃圾場(chǎng)”。（圖片來源：美國(guó)宇航局軌道碎片計(jì)劃辦公室）
當(dāng)定向能（如激光）照射一塊碎片時(shí)，它會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生推力。這種推力對(duì)于清除太空垃圾而言太弱，它無法使碎片脫離軌道，但卻足以將其推離容易發(fā)生碰撞的軌道，因此非常適用于大型太空垃圾的“移位”——使之脫離軌道，而不僅僅是重新定向。
而對(duì)于較小的太空垃圾，可以直接采用激光燒蝕。在燒蝕中，激光擊中一個(gè)物體，該物體被噴射出來，近似垂直于表面，并產(chǎn)生反方向的推力。一般來說，噴出的物質(zhì)是熱氣體和等離子體的結(jié)合，因此不會(huì)給環(huán)境帶來新的碎片。消融產(chǎn)生的推力比光子壓力大得多，但需要更強(qiáng)大的激光束和更高的光學(xué)精度。與地面激光器相比，天基激光器的一個(gè)缺點(diǎn)是，它產(chǎn)生的能量要少得多，因?yàn)樗仨氃谲壍郎袭a(chǎn)生所有的能量。但另一方面，太空激光的光束不會(huì)穿過大氣層，這意味著它會(huì)損失更少的能量。光束變形的可能性也更小，這使得它更準(zhǔn)確。
雖然這種激光可能用于反衛(wèi)星目的，但用于碎片修復(fù)的激光功率比用于摧毀航天器的激光功率低約1000倍。用于碎片修復(fù)的激光可能會(huì)干擾衛(wèi)星傳感器“視力”或致其損壞，但這可以使用通常可用的低功率激光器來完成。據(jù)報(bào)道，地面上微弱的10瓦激光就能使衛(wèi)星“眼花繚亂”，而天文臺(tái)常用的40瓦激光則能永久性地?fù)p壞衛(wèi)星傳感器。因此，用于碎片修復(fù)的激光與地面光學(xué)天文觀測(cè)站的武器化風(fēng)險(xiǎn)其實(shí)是大致相當(dāng)?shù)摹?strong>據(jù)估計(jì)，每清除10萬件小碎片（尺寸在1－10厘米之間），就可以避免2300萬美元的損失。
該報(bào)告中提到，用于修復(fù)的激光系統(tǒng)提供了其潛在的跟蹤和表征目的等更多優(yōu)勢(shì)。雖然太空垃圾清理市場(chǎng)仍處于初期階段，而且這一市場(chǎng)還有很廣的領(lǐng)域未經(jīng)研究，但要是能夠制定支持主動(dòng)清除碎片和空間可持續(xù)性的條例，預(yù)估這一市場(chǎng)每年的規(guī)模將突破1億美元。
歐洲航天局（European Space Agency）一項(xiàng)截至去年12月的數(shù)據(jù)顯示，自1957年以來，全球共發(fā)射了6370枚火箭，將1．5萬多顆衛(wèi)星送入地球軌道。一些專家估計(jì)，已有數(shù)萬億件垃圾在太空中徘徊并危及衛(wèi)星。NASA指出，在確定方法后，緩解太空垃圾泛濫這一問題的努力可能“在不到十年的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)凈效益”，不過這需要與政府和軍方達(dá)成合作。
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