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轨道碎片——太空中的垃圾(1)

http://military.china.com 2005-06-13 11:17:25 【大中小】

　　
　　轨道碎片——太空中的垃圾

　　韩蕾周伯昭陈磊
　　

　　如果有机会从太空用雷达和光学望远镜观察地球，会看到如上图中的情景。地球周围密密麻麻地布满的是什么东西，这是一些“游荡”在近地轨道上的人造碎片，大到火箭残骸和废旧卫星小到涂料薄层和金属残片。它们有一个共同的名字——地球轨道上的空间碎片，简称轨道碎片。

　　在40多年欣欣向荣的太空探索活动中，不幸产生了大量的轨道碎片。这些碎片的速度约为7.5千米/秒，即使是最小的碎片撞击到航天器上，也可能使其严重受损，产生灾难性的后果。数以百万计的人造轨道碎片(再加上天然的微流星体)聚集在近地空间，对航天器的生存构成了重大威胁。截至2004年9月20日，美国空间监视网(SSN)统计编目的9216个在轨物体中，仅有2909个有效载荷，其余6307个属于可观测的较大碎片。低于2000千米的低轨道(LEO)是碎片的主要集中区域(上左图)，而地球同步轨道(GEO)上也形成了碎片环(上右图)。

　　轨道碎片环境状况

　　轨道碎片的来源
　　
　　从左面的“编目在轨物体的组成圈”可以看出，轨道碎片最主要的来源是由事故引发或蓄意制造的卫星分解，包括圈中的“分解碎片”、“有效载荷”和“箭体”，喷出物的速度不尽相同。例如，美国于1985年9月13日进行反卫星武器试验，摧毁了一颗退役通信卫星，在560千米的高度产生了285块碎片，截至1995年仍有9块碎片在轨。图中的“异常碎片”是由非计划分离造成的，脱落物体包括隔热层，防护罩及太阳能电池板等，分离时相对于卫星的速度比较低。图中的“任务相关碎片”是在有效载荷的展开、启动或脱轨时释放的，数目一般较少但也有例外——前苏联“礼炮-7”空间站释放出200个碎片，而美国“成斯福特针”实验释放了140个碎片。氧化铝颗粒是轨道固体火箭发动机正常工作时的副产品，已成为厘米尺寸的轨道碎片的重要组成部分。
　　

　　世界各国已进行的空间任务超过4300次，而目前20％的编目碎片是由10次任务产生的，其中只有1次是在最近10年。影响碎片数量的有空间任务频率、卫星分解和太阳活动等基本因素。

　　轨道碎片的分布
　　
　　空间碎片的分布井不均匀。高度为800～1000千米的低轨道上数最多。静止轨道上的卫星一旦失去轨道保持能力，太阳和月球的作用将使其在南北各2.2 x 104千米(各l5度)、相对轨道高度52千米的范围内漂移，形成一个围绕地球的、体积6×l011立方千米的环形区域。在这个区域中大约有500个保持定点的工作卫星和失去控制的自由漂移卫星，卫星之司平均距离大于6×104千米。这一区域没有大气阻力，因而碎片没有轨道衰减、可长期停留。越来越多的卫星被布放到静止轨道上，这里碎片的浓度将持续增加。
　　

　　轨道碎片的寿命
　　
　　近地轨道上空间物体的命运各不相同：高度200-400千米圆轨道上的空间碎片，运行几个月就会再入大气层；在400-900千米的轨道上，运行寿命大约1年或更长。这要取决于物体面积与质量之比。卫星轨道寿命是大气密度和阻力系数的函数，物体单位面积的质量越大阻力系数也越大，大气阻力对其影响就越小。由于大气密度常在变化，且空间碎片的阻力系数是个未知数，因此，预测空间碎片在轨道上的运行寿命是很困难的，也不容易准确。

　　地球轨道上的空间碎片的自然衰减还受太阳活动的影响。太阳活动时地球高层大气受热膨胀，向更高的高度扩散，使得高层大气密度增加，促进了卫星和空间碎片的轨道衰减。在600千米以上，大气密度很低，即使有所增加对碎片的轨道衰减也影响甚微；而在600千米以下，大气密度变化对加速碎片轨道衰减有明显的作用。这是一种自然“消除”空间碎片的过程，但非常缓慢，远不足以同碎片的产生相抵消。地球静止轨道上的物体具有百万年以上的轨道寿命。

　　 对轨道碎片的观测
　　
　　近地空间碎片的测量数据来自于地基雷达和光学望远镜、天基望远镜以及对返回航天器表面的分析(即下面将要谈到的“碎片的真实碰撞分析”)。其中最重要的数据源是美国空间监视网、“干草堆”雷达、返回航天器表面的“长期暴露装置”和航天飞机等。

　　美国航空航天局(NASA)有关l～30厘米碎片的数据主要来自“干草堆”(Haystack)x一波段雷达。它是世界上功率最大的雷达之一，位于马萨诸塞州列克星顿市，由麻省理工学院林肯实验室管理，自1990年开始搜集轨道碎片数据。有别于传统模式，它用固定天线检测进入视场的碎片、进行统计学采样，获得有关碎片尺寸、轨道高度和倾角的信息。科学家据此得出结论：尺寸1厘米以上碎片的数目超过10万。NASA同时还使用“干草堆”雷达附近的辅助雷达(HAX)搜集数据。HAX与“干草堆”的工作波段不同，尽管灵敏度不及后者，但有更宽的视场。

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