激光清理太空垃圾

使用激光清除太空垃圾【摘要】随着科技的进步和社会的发展，太空成为人们继陆海空之后的第四个活动空间，人们逐步将关注的焦点转移至太空，航天发射活动越来越频繁。据不完全统计，迄今为止，在轨运行的航天器多达2400多个，太空垃圾，太空碎片等威胁着航天器在轨运行的安全。本文介绍了使用激光清除太空垃圾的方法，对清除空间碎片，保护空间环境有一定的借鉴意义。【关键词】激光太空垃圾一、目的随着航天技术的发展，越来越多的航天器被发射到地球轨道上，作为航天活动的副产品，大量运载工具产生的喷射物和抛弃物、失效的有效载荷、空间物体爆炸、撞击碎片等被滞留在地球轨道上，形成了大量的空间碎片。绝大部分空间碎片处在高度低于2000km的近地轨道，他们绕地球的飞行速度通常达7-8km/s，与航天器迎头相撞的速度可达15km/s。空间碎片所具有的强大撞击动能，会对在轨航天器构成巨大威胁，会对空间环境造成严重污染和破坏。为了有效遏制当前空间环境日益恶化的趋势，必须采取减缓措施，以达到减少空间碎片、保护空间环境的目的。二、空间碎片的来源、危害1957年10月4日，前苏联成功地发射了第一颗人造地球卫星，揭开了人类空间时代的序幕，同时也为太空送去了第一批垃圾。当时，宇航员完成飞行任务，把卫星的装载舱、备用舱、仪器设备及其他遗弃物都留在了卫星轨道上。此后，随着人类太空史上的一次次壮举，太空垃圾与日俱增。人类先后已将4000余颗卫星送入太空，目前仍在正常运转的仅有400余颗，其余的或坠毁于地球表面，或遗留在太空，成为太空垃圾。据统计，目前约有3000吨太空垃圾在绕地球飞奔，而其数量正以每年2％—5％的速度增加。科学家们预测：太空垃圾以此速度增加，将会导致灾难性的连锁碰撞事件发生，如此下去，到2300年，任何东西都无法进入太空轨道了。太空垃圾给航天事业的发展带来了隐患，它们成为人造卫星和轨道空间站的潜在杀手，使宇航员的安全受到严重威胁。要知道，太空垃圾是以宇宙速度运行的。一颗迎面而来的直径为0．5毫米的金属微粒，足以戳穿密封的飞行服；人们肉眼无法辨别的尘埃（如油漆细屑、涂料粉末）也能使宇航员殒命；一块仅有阿司匹林药片大的残骸可将人造卫星撞成“残废”，可将造价上亿美元的航天器送上绝路。在人类太空史上，太空垃圾造成的事故和灾难屡见不鲜。1983年，美国航天飞机“挑战者”号与一块直径0．2毫米的涂料剥离物相撞，导致舷窗被损，只好停止飞行。前苏联的“礼炮—7”号轨道站也多次被此类“尘埃”损坏。1986年，“阿丽亚娜”号火箭进入轨道之后不久便爆炸，成为564块10厘米大小的残骸和2300块小碎片，这枚火箭的残骸使两颗日本通信卫星“命赴黄泉”！1991年9月15日，美国发射的“发现者”号航天飞机差一点与前苏联的火箭残骸相撞，当时“发现者”号与这个“不速之客”仅仅相距2．74千米，幸亏地球上的指挥系统及时发来警告信号，它才免于丧生。据计算，目前太空轨道上每个飞行物发生灾难性碰撞事件的几率为3．7％，发生非灾难性撞击事件的可能性为20％。以此计算，今后将每5—10年可能发生一次太空垃圾与航天器相撞事件，到2020年将达到2年一次。太空垃圾不仅给航天事业带来巨大隐患，而且还污染了宇宙空间，给人类带来灾难，尤其是核动力发动机脱落，会造成放射性污染。目前，美国和前苏联在空间的核反应堆中有1吨的铀—235及其他核分离物。前苏联共发射31颗核动力侦察卫星，其中已有两颗给地面带来污染：1978年，“宇宙954”号大量放射性残骸落入加拿大的斯克拉芬海；1983年，“宇宙1402”号的反应堆芯落入南大西洋。三、现有的清除太空垃圾的方法太空垃圾越来越多，威胁到航天器的正常飞行，因此，科学家提出众多清除太空垃圾的方法，简单介绍如下：（1）“金钟罩铁布衫”为了代替镶嵌在航天器表面越来越厚的保护层，美国科学家惠普耳建议在保护层前安装一层防护屏，当太空垃圾与防护屏发生碰撞时，防护屏被击碎，同时太空垃圾也被撞碎变成粉末，从而解除了对航天器的威胁。（2）“自杀卫星”英国萨里大学的科学家们，发明了“太空清道夫”卫星。它的体积只有足球那么小，重量仅为5．9千克，配备四个小型摄影机。一旦侦察到太空垃圾，它便依附在垃圾上，然后将其推到大气层。这时卫星与垃圾都会被烧毁，同归于尽。（3）“终结绳索”据国外媒体报道，美国一家公司最近开发出了一种能够让报废卫星快速脱离近地轨道的新方法——“终结绳索”。它是一条长度为5千米的细导线，被绕成一个线圈放置在卫星内部。当卫星达到指定位置后，“终结绳索”便会自动打开。在电离层和地球磁场的共同作用下，这条绵延达5千米的导线上可产生持续的电流。如此一来，地球磁场会对其产生一种向下的拉力，进而牵动卫星逐渐下落。这一过程将一直持续到卫星重返大气层并在那里完全烧毁。（4）“轨道康复者”为了给燃料用尽的卫星添加燃料或者对卫星进行维护维修，可以求助英国的“轨道康复者”和美国的“轨道快车”卫星。它们是卫星的拯救者，可使卫星的服务运转时间延长10年左右，从而变相减少了太空垃圾的产生。四、使用激光清除太空垃圾1、使用激光清除太空垃圾的发展现状激光清除太空垃圾方法很早就得到国际上航天大国的重视，但当时的设想造价昂贵，且涉及泄密军事技术，未能付诸实施。1993年美国Sandia国家实验室的Monroe提出利用核能泵浦激光清除近地轨道空间碎片。系统使用连续氩氙激光器FALCON，输出波长是1730nm，功率是5MW，采用自适应光学，发射口径为10m,激光能量能到达平均轨道高度为450km的目标，碎片的拦截距离为900km。1996年，NASA和美国空军资助的ORION计划中，提出采用地基高能激光清除近地轨道空间碎片的方案。ORION方案使用铷玻璃激光器，输出波长为1060nm输出功率为30kw，采用自适应光学，发射口径为6m，重复频率为2Hz，能清除1500km轨道高度上的碎片。1999年德国DLR物理研究所的Bohn提出一种基于高能脉冲化学氧碘激光器的空间碎片清除方法。系统可以清除450-1000km轨道高度上的碎片。2011年10月17日，一篇题为《RemovingOrbitalDebriswithLasers》的论文上传到科学网站arXiv，此次研究人员提出的方法均采用现存或正在研发的技术和设备。论文作者认为，使用这种方法比发射专门的航天器执行清理任务更方便，也更经济。用航天器清理太空垃圾的成本高达几亿美元，而使用激光清理碎片至多不过百万美元左右。美英等国对此产生兴趣，准备建造强激光清除太空垃圾。2、使用激光清除太空垃圾的原理高能激光清除空间碎片有两种方式：第一种方法是直接气化，使高能激光束照射在靶材表面上，光能转化为热能。在数纳秒的时间内，光斑区的温度升高至材料的熔点，甚至沸点，材料被熔化和气化，从而形成一小股等离子体射流，基本上相当于将这块太空垃圾转变为一个将碎片推出轨道的小型喷气式飞机的燃料。较小的碎片在轨道消失后会燃烧殆尽。其他碎片则需要被小心地推出轨道，从而使其最终落入太平洋。第二种方法是减速降轨，使太空垃圾进入大气层烧毁，它是指用高能脉冲激光照射靶面，当光斑区的温度达到材料的气化温度时，在材料表面将产生等离子体向靶外膨胀飞散，造成靶面烧蚀，烧蚀出来的物质以远高于声速的速度向外飞散；同时在烧蚀面对冷介质产生一个流体力学反作用，使空间碎片速度减小，从而使其近地点高度降低进入大气层摩擦烧毁。3、激光空间碎片清除关键技术为了使激光清除空间碎片真正达到实际效用，则必须克服以下几个关键技术难题：（1）设计性能优良的激光器。作为空间碎片清除系统的核心部件，高能激光必须满足高光束质量、高功率、高重频的特性。在美国发展的各种高能激光器中，化学激光器是最成熟的激光器。目前，化学激光器已经达到了最高的整体功率水平，虽然它们具有高功率，但其发展已近晚期，将逐渐被固态激光器所取代。推动固态激光器发展的一个重要因素是其具有更高的转换效率。高效率最重要的作用是对光机系统本身的影响，更小的热流进出激光器，系统将更加坚固耐用。（2）提高捕获跟踪瞄准系统精度。空间碎片具有目标直径小，探测距离远，运行速度快的特点，因此要求雷达或光电探测器有较大的捕获现场，较强的搜索能力，同时需要改进跟踪算法，减小跟踪误差，优化提前量设置，从而使激光能准确聚焦到碎片上。（3）提高自适应光补偿精度。大气湍流和热晕效应会引起高能激光束的漂移、展宽以及光束强度的变化。因此要把激光能量有效地聚焦在目标上，就必须采用自适应光学对发射的激光束预先进行大气畸变效应的补偿。除上述关键技术亟待解决外，还需要进一步探讨的问题有：一是在碎片没解体的情况下，激光束是否可以产生足够的冲力，这取决于碎片结构材料和碎片自身；二是激光在传输中有可能打到邻近航天器，飞机等，如何预防此类问题的发生。五、结束语：在空间环境越来越拥挤的今天，清除太空垃圾是发展的必然趋势。而使用激光清除太空垃圾是一种低成本、高效、安全的清除技术。虽然激光清除技术距离实际应用还有一定距离，但是随着科技的发展和研究的深入，相信在不久的将来激光空间碎片清除技术一定会在清除空间碎片、治理空间环境污染等方面发挥应有的作用。