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航天器寿命到期后去哪了?

  前不久,美俄两颗“僵尸卫星”擦肩而过,险些相撞。这让人想到了美国SpaceX公司今年5月23日成功将星链系统的首批60颗卫星送入轨道,明年还要发射上千颗卫星完成初步组网,星链系统的卫星数量更是高达1.2万颗。这么多的卫星不禁让人引发担忧,那么多飞上天的

  自1957年人类使用运载火箭首次将人造卫星送入轨道后,太空轨道上的人造航天器越来越多。由于任务和用途的不同,它们分布在不同的轨道上,而它们寿终正寝之后的处理,同样各有不同。

  首先我们来看近地轨道,近地轨道顾名思义就是高度较低的地球轨道,这是人类太空活动的主要场所之一。气象卫星、通信卫星、遥感卫星和侦察卫星集中于近地轨道区域,人类的载人航天活动目前也集中在近地轨道上。

  一般来说,对于高度在500公里以下的近地轨道卫星而言,由于大气阻力的原因,它们会很快降低高度再入大气层烧毁,而高度更高的卫星轨道衰减就慢的多了,遥感气象卫星密集的600~800公里高度,是太空垃圾最密集的区域之一。

  对于大质量的航天器,尤其是载人飞船和空间站来说,为了避免随意掉下来对地面造成危害,一般会主动离轨落入南太平洋的航天器坟场——那儿只有不多的岛屿,而且人烟稀少,造成人员和财产损失的可能性很低。

  在赤道上空,距离地面35786公里高度的静止轨道上,卫星和地面保持相对静止,是部署通信卫星的风水宝地,也是另一块卫星和太空垃圾密布的区域。

  静止轨道的位置是宝贵的太空资源,但静止轨道距离地面高度太高,要想主动离轨进入大气层烧毁,需要的燃料实在太多了,现在的处理是让它们机动进入轨道更高的墓地轨道。

  墓地轨道上的大气阻力微乎其微,而太阳光压、太阳引力和月球引力扰动却不小,仍会导致轨道缓慢变化,国际电联的建议书要求,墓地轨道高度比静止轨道高200公里以上,确保至少100年内卫星近地点避开静止轨道区域。进入墓地轨道的卫星就算寿终正寝了,至少我们这代人看不到它们从墓地轨道爬出来,撞上正常工作的卫星。

  深空探测器、着陆器和漫游车到寿后的处理又有所不同。大部分月球轨道器会选择在寿终正寝前撞击月球,避免影响到后续的月球探测任务,但月球着陆器和月球车将永远停留在月球表面,比如我国的嫦娥三号、四号着陆器和两个玉兔月球车,到寿后只能废弃放在月表。火星探测器基本也是同样的操作,不过深空探测器的处理并不完全一样,比如伽利略号探测器和卡西尼号探测器分别冲入木星和土星大气层烧毁,以免到寿失控后会撞上木卫二和土卫六这样有可能存在生命的天体造成生物污染。

  人类进入太空时代以来,尽管科学家们对各种卫星有了初步的处理,但太空轨道上还是积累了大量的太空垃圾。

  太空垃圾的来源各有不同,既有火箭末级及其碎片,又有失效卫星等航天器及其碎片。总的说来,寿终正寝的卫星是太空垃圾最主要的来源。人类不过半个多世纪的航天发射已经产生了不计其数的轨道碎片,其中尺寸大于2厘米的轨道碎片就有20多万个,而且它们还随着人类的航天活动以每年2%~5%的速度增长!

  太空垃圾很大一部分就是失效或到寿的卫星。随着近地轨道上卫星密度的不断增长,卫星之间以及卫星与太空垃圾的碰撞产生的碎片,也成了太空垃圾的重要来源。

  美俄两个航天大国拥有最多的卫星,两国之间也发生过最著名的卫星碰撞:2009年俄罗斯失效的“宇宙2251”和美国工作的“铱星33”发生碰撞,产生了大量的太空垃圾。今年9月,欧空局的风神气象卫星不得已进行机动变轨,避开星链卫星,降低相撞的概率。总的说来,目前到寿的卫星基本沦为太空垃圾,轨道较低的还能很快再入烧毁,较高轨道的会在太空停留很长时间,它们还可能意外与现役卫星碰撞,产生更多的太空垃圾。

  早期,人类沉浸在进入太空的乐观喜悦中,对太空垃圾并没有多少考虑,但现在面对来势汹汹的太空垃圾,单纯指望大气阻力降轨道纯属“装鸵鸟”。

  好在人类也并没有坐以待毙,目前联合国外空条约等国际法要求近地轨道上的卫星必须考虑减少轨道碎片,具体地说就是卫星必须在到寿25年内再入大气层烧毁。美国联邦通信委员会还在探讨更严格的规定,比如短期任务的卫星在轨寿命不应超过任务寿命的两倍。这样一来,原来1颗工作寿命几个月甚至几周的卫星,就要在更短的时间,而不是25年内再入烧毁,进一步减缓轨道碎片数量的增长。SpaceX公司的星链卫星都装备了电推发动机,寿命到期后将主动降低轨道以更快地再入大气层,满足25年再入的规定。事实上,差点和欧空局风神卫星相撞的星链卫星,就在测试主动离轨能力。

  另外,各国航天机构还在开发主动清除太空垃圾的技术,这也成为了商业航天公司感兴趣的热门领域之一。未来,主动清理技术将进一步减少太空垃圾的数量,这些寿终正寝的卫星或者说太空垃圾会更快地进入大气层烧毁。

  近地轨道上的卫星可以主动离轨或清理减少太空垃圾的产生,但卫星在高轨道变轨需要的燃料实在太多,中高轨道尤其是静止轨道就没法这么做了。

  目前,对静止轨道卫星的处理方式还是将其送入墓地轨道置之不理,不过卫星再利用技术也露出一线曙光:美国国防部高级研究计划局(DARPA)的凤凰计划试图搜集和处理报废卫星上的可用部件,尤其是通信卫星的天线等系统,组装成新卫星再次利用。如果在不远的将来这项技术得到应用的话,墓地轨道上寿终正寝的通信卫星也就变废为宝,成为亟待开发的太空金矿,死灰复燃重返静止轨道发挥余热了。

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