激光清理太空垃圾

1、使用激光清除太空垃圾【摘要】隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，太空成為人們繼陸?？罩蟮牡谒膫€(gè)活動(dòng)空間，人們逐步將關(guān)注的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移至太空，航天發(fā)射活動(dòng)越來(lái)越頻繁。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，迄今為止，在軌運(yùn)行的航天器多達(dá)2400多個(gè)，太空垃圾，太空碎片等威脅著航天器在軌運(yùn)行的安全。本文介紹了使用激光清除太空垃圾的方法，對(duì)清除空間碎片，保護(hù)空間環(huán)境有一定的借鑒意義。【關(guān)鍵詞】激光 太空垃圾一、目的隨著航天技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的航天器被發(fā)射到地球軌道上，作為航天活動(dòng)的副產(chǎn)品，大量運(yùn)載工具產(chǎn)生的噴射物和拋棄物、失效的有效載荷、空間物體爆炸、撞擊碎片等被滯留在地球軌道上，形成了大量的空間碎片。絕大部分空間碎片處在高度低于2

2、000 km 的近地軌道，他們繞地球的飛行速度通常達(dá)7-8km/s，與航天器迎頭相撞的速度可達(dá)15 km/s ?？臻g碎片所具有的強(qiáng)大撞擊動(dòng)能，會(huì)對(duì)在軌航天器構(gòu)成巨大威脅，會(huì)對(duì)空間環(huán)境造成嚴(yán)重污染和破壞。為了有效遏制當(dāng)前空間環(huán)境日益惡化的趨勢(shì)，必須采取減緩措施，以達(dá)到減少空間碎片、保護(hù)空間環(huán)境的目的。二、 空間碎片的來(lái)源、危害1957年10月4日，前蘇聯(lián)成功地發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，揭開(kāi)了人類空間時(shí)代的序幕，同時(shí)也為太空送去了第一批垃圾。當(dāng)時(shí)，宇航員完成飛行任務(wù)，把衛(wèi)星的裝載艙、備用艙、儀器設(shè)備及其他遺棄物都留在了衛(wèi)星軌道上。此后，隨著人類太空史上的一次次壯舉，太空垃圾與日俱增。人類先后已將4

3、000余顆衛(wèi)星送入太空，目前仍在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的僅有400余顆，其余的或墜毀于地球表面，或遺留在太空，成為太空垃圾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前約有3000噸太空垃圾在繞地球飛奔，而其數(shù)量正以每年25的速度增加?？茖W(xué)家們預(yù)測(cè)：太空垃圾以此速度增加，將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的連鎖碰撞事件發(fā)生，如此下去，到2300年，任何東西都無(wú)法進(jìn)入太空軌道了。太空垃圾給航天事業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了隱患，它們成為人造衛(wèi)星和軌道空間站的潛在殺手，使宇航員的安全受到嚴(yán)重威脅。要知道，太空垃圾是以宇宙速度運(yùn)行的。一顆迎面而來(lái)的直徑為05毫米的金屬微粒，足以戳穿密封的飛行服；人們?nèi)庋蹮o(wú)法辨別的塵埃（如油漆細(xì)屑、涂料粉末）也能使宇航員殞命；一塊僅有阿司匹林藥片

4、大的殘骸可將人造衛(wèi)星撞成“殘廢”，可將造價(jià)上億美元的航天器送上絕路。在人類太空史上，太空垃圾造成的事故和災(zāi)難屢見(jiàn)不鮮。1983年，美國(guó)航天飛機(jī)“挑戰(zhàn)者”號(hào)與一塊直徑02毫米的涂料剝離物相撞，導(dǎo)致舷窗被損，只好停止飛行。前蘇聯(lián)的“禮炮7”號(hào)軌道站也多次被此類“塵埃”損壞。1986年，“阿麗亞娜”號(hào)火箭進(jìn)入軌道之后不久便爆炸，成為564塊10 厘米大小的殘骸和2300塊小碎片，這枚火箭的殘骸使兩顆日本通信衛(wèi)星“命赴黃泉”！1991年9月15日，美國(guó)發(fā)射的“發(fā)現(xiàn)者”號(hào)航天飛機(jī)差一點(diǎn)與前蘇聯(lián)的火箭殘骸相撞，當(dāng)時(shí)“發(fā)現(xiàn)者”號(hào)與這個(gè)“不速之客”僅僅相距274千米，幸虧地球上的指揮系統(tǒng)及時(shí)發(fā)來(lái)警告信號(hào)，它才

5、免于喪生。據(jù)計(jì)算，目前太空軌道上每個(gè)飛行物發(fā)生災(zāi)難性碰撞事件的幾率為37，發(fā)生非災(zāi)難性撞擊事件的可能性為20。以此計(jì)算，今后將每510年可能發(fā)生一次太空垃圾與航天器相撞事件，到2020年將達(dá)到2年一次。太空垃圾不僅給航天事業(yè)帶來(lái)巨大隱患，而且還污染了宇宙空間，給人類帶來(lái)災(zāi)難，尤其是核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)脫落，會(huì)造成放射性污染。目前，美國(guó)和前蘇聯(lián)在空間的核反應(yīng)堆中有1噸的鈾235及其他核分離物。前蘇聯(lián)共發(fā)射31顆核動(dòng)力偵察衛(wèi)星，其中已有兩顆給地面帶來(lái)污染：1978年，“宇宙954”號(hào)大量放射性殘骸落入加拿大的斯克拉芬海；1983年，“宇宙1402”號(hào)的反應(yīng)堆芯落入南大西洋。三、現(xiàn)有的清除太空垃圾的方法太空

6、垃圾越來(lái)越多，威脅到航天器的正常飛行，因此，科學(xué)家提出眾多清除太空垃圾的方法，簡(jiǎn)單介紹如下：（1）“金鐘罩鐵布衫”為了代替鑲嵌在航天器表面越來(lái)越厚的保護(hù)層，美國(guó)科學(xué)家惠普耳建議在保護(hù)層前安裝一層防護(hù)屏，當(dāng)太空垃圾與防護(hù)屏發(fā)生碰撞時(shí)，防護(hù)屏被擊碎，同時(shí)太空垃圾也被撞碎變成粉末，從而解除了對(duì)航天器的威脅。（2）“自殺衛(wèi)星”英國(guó)薩里大學(xué)的科學(xué)家們，發(fā)明了“太空清道夫”衛(wèi)星。它的體積只有足球那么小，重量?jī)H為59千克，配備四個(gè)小型攝影機(jī)。一旦偵察到太空垃圾，它便依附在垃圾上，然后將其推到大氣層。這時(shí)衛(wèi)星與垃圾都會(huì)被燒毀，同歸于盡。（3）“終結(jié)繩索”據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，美國(guó)一家公司最近開(kāi)發(fā)出了一種能夠讓報(bào)廢衛(wèi)

7、星快速脫離近地軌道的新方法“終結(jié)繩索”。它是一條長(zhǎng)度為5千米的細(xì)導(dǎo)線，被繞成一個(gè)線圈放置在衛(wèi)星內(nèi)部。當(dāng)衛(wèi)星達(dá)到指定位置后，“終結(jié)繩索”便會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。在電離層和地球磁場(chǎng)的共同作用下，這條綿延達(dá)5千米的導(dǎo)線上可產(chǎn)生持續(xù)的電流。如此一來(lái)，地球磁場(chǎng)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一種向下的拉力，進(jìn)而牽動(dòng)衛(wèi)星逐漸下落。這一過(guò)程將一直持續(xù)到衛(wèi)星重返大氣層并在那里完全燒毀。（4）“軌道康復(fù)者”為了給燃料用盡的衛(wèi)星添加燃料或者對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行維護(hù)維修，可以求助英國(guó)的“軌道康復(fù)者”和美國(guó)的“軌道快車(chē)”衛(wèi)星。它們是衛(wèi)星的拯救者，可使衛(wèi)星的服務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間延長(zhǎng)10年左右，從而變相減少了太空垃圾的產(chǎn)生。四、使用激光清除太空垃圾1、使用激光清除太空垃

8、圾的發(fā)展現(xiàn)狀激光清除太空垃圾方法很早就得到國(guó)際上航天大國(guó)的重視，但當(dāng)時(shí)的設(shè)想造價(jià)昂貴，且涉及泄密軍事技術(shù)，未能付諸實(shí)施。1993年美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Monroe提出利用核能泵浦激光清除近地軌道空間碎片。系統(tǒng)使用連續(xù)氬氙激光器FALCON，輸出波長(zhǎng)是1730nm，功率是5 MW，采用自適應(yīng)光學(xué)，發(fā)射口徑為10 m,激光能量能到達(dá)平均軌道高度為450km的目標(biāo)，碎片的攔截距離為900km。1996年，NASA和美國(guó)空軍資助的ORION計(jì)劃中，提出采用地基高能激光清除近地軌道空間碎片的方案。ORION方案使用銣玻璃激光器，輸出波長(zhǎng)為1060 nm輸出功率為30 kw，采用自適應(yīng)光學(xué)，發(fā)射口

9、徑為6 m，重復(fù)頻率為2 Hz，能清除 1500 km 軌道高度上的碎片。1999年德國(guó)DLR物理研究所的Bohn提出一種基于高能脈沖化學(xué)氧碘激光器的空間碎片清除方法。系統(tǒng)可以清除450-1000 km 軌道高度上的碎片。2011年10月17日，一篇題為Removing Orbital Debris with Lasers的論文上傳到科學(xué)網(wǎng)站arXiv，此次研究人員提出的方法均采用現(xiàn)存或正在研發(fā)的技術(shù)和設(shè)備。論文作者認(rèn)為，使用這種方法比發(fā)射專門(mén)的航天器執(zhí)行清理任務(wù) 更方便，也更經(jīng)濟(jì)。用航天器清理太空垃圾的成本高達(dá)幾億美元，而使用激光清理碎片至多不過(guò)百萬(wàn)美元左右。美英等國(guó)對(duì)此產(chǎn)生興趣，準(zhǔn)備建造強(qiáng)

10、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間碎片有兩種方式：第一種方法是直接氣化，使高能激光束照射在靶材表面上，光能轉(zhuǎn)化為熱能。在數(shù)納秒的時(shí)間內(nèi)，光斑區(qū)的溫度升高至材料的熔點(diǎn)，甚至沸點(diǎn)，材料被熔化和氣化，從而形成一小股等離子體射流，基本上相當(dāng)于將這塊太空垃圾轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)將碎片推出軌道的小型噴氣式飛機(jī)的燃料。較小的碎片在軌道消失后會(huì)燃燒殆盡。其他碎片則需要被小心地推出軌道，從而使其最終落入太平洋。第二種方法是減速降軌，使太空垃圾進(jìn)入大氣層燒毀，它是指用高能脈沖激光照射靶面，當(dāng)光斑區(qū)的溫度達(dá)到材料的氣化溫度時(shí)，在材料表面將產(chǎn)生等離子體向靶外膨脹飛散，造成靶面燒蝕，燒蝕出來(lái)的物質(zhì)以

11、遠(yuǎn)高于聲速的速度向外飛散；同時(shí)在燒蝕面對(duì)冷介質(zhì)產(chǎn)生一個(gè)流體力學(xué)反作用，使空間碎片速度減小，從而使其近地點(diǎn)高度降低進(jìn)入大氣層摩擦燒毀。3、激光空間碎片清除關(guān)鍵技術(shù)為了使激光清除空間碎片真正達(dá)到實(shí)際效用，則必須克服以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題： （1）設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的激光器。作為空間碎片清除系統(tǒng)的核心部件，高能激光必須滿足高光束質(zhì)量、高功率、高重頻的特性。在美國(guó)發(fā)展的各種高能激光器中，化學(xué)激光器是最成熟的激光器。目前，化學(xué)激光器已經(jīng)達(dá)到了最高的整體功率水平，雖然它們具有高功率，但其發(fā)展已近晚期，將逐漸被固態(tài)激光器所取代。推動(dòng)固態(tài)激光器發(fā)展的一個(gè)重要因素是其具有更高的轉(zhuǎn)換效率。高效率最重要的作用是對(duì)光機(jī)系統(tǒng)本

12、身的影響，更小的熱流進(jìn)出激光器，系統(tǒng)將更加堅(jiān)固耐用。（2）提高捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)精度?？臻g碎片具有目標(biāo)直徑小，探測(cè)距離遠(yuǎn)，運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，因此要求雷達(dá)或光電探測(cè)器有較大的捕獲現(xiàn)場(chǎng)，較強(qiáng)的搜索能力，同時(shí)需要改進(jìn)跟蹤算法，減小跟蹤誤差，優(yōu)化提前量設(shè)置，從而使激光能準(zhǔn)確聚焦到碎片上。（3）提高自適應(yīng)光補(bǔ)償精度。大氣湍流和熱暈效應(yīng)會(huì)引起高能激光束的漂移、展寬以及光束強(qiáng)度的變化。因此要把激光能量有效地聚焦在目標(biāo)上，就必須采用自適應(yīng)光學(xué)對(duì)發(fā)射的激光束預(yù)先進(jìn)行大氣畸變效應(yīng)的補(bǔ)償。除上述關(guān)鍵技術(shù)亟待解決外，還需要進(jìn)一步探討的問(wèn)題有：一是在碎片沒(méi)解體的情況下，激光束是否可以產(chǎn)生足夠的沖力，這取決于碎片結(jié)構(gòu)材料和碎