一名遠(yuǎn)征40任務(wù)的宇航員指著2014年國(guó)際空間站圓形圓頂窗戶(hù)上留下的標(biāo)記——流星體。(Image credit: NASA)
（神秘的空間地球uux.cn）據(jù)美國(guó)太空網(wǎng)（By Elizabeth Howell）：太空垃圾時(shí)常會(huì)妨礙國(guó)際空間站的運(yùn)行。
國(guó)際空間站(ISS)自1998年以來(lái)一直在軌道上運(yùn)行，站多空間碎片已經(jīng)迫使其進(jìn)行了數(shù)十次規(guī)避操作。久躲根據(jù)美國(guó)宇航局2022年12月的避次一份報(bào)告，自1999年以來(lái)，太空國(guó)際空間站已經(jīng)32次修正自己的垃圾航向，以避開(kāi)衛(wèi)星和可跟蹤的國(guó)際空間碎片。
微流星體或空間碎片的空間撞擊已經(jīng)記錄在俄羅斯進(jìn)步號(hào)和聯(lián)盟號(hào)飛船以及加拿大2號(hào)等空間機(jī)器人上，以及面向地球的站多環(huán)繞式圓頂窗口上。但是久躲，隨著越來(lái)越多的避次衛(wèi)星被發(fā)射到太空，空間碎片問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，太空增加了與國(guó)際空間站或相互碰撞的垃圾風(fēng)險(xiǎn)。已知的國(guó)際太空垃圾已經(jīng)迫使國(guó)際空間站進(jìn)行回避操作，要求宇航員躲避，甚至取消太空行走。
國(guó)際空間站何時(shí)必須躲避碎片？
距離地球約250英里(400公里)的國(guó)際空間站軌道比以往任何時(shí)候都更加擁擠。這部分是因?yàn)樾l(wèi)星的數(shù)量在增加，部分是因?yàn)樘绽?br>美國(guó)宇航局的長(zhǎng)期指導(dǎo)方針要求，如果任何衛(wèi)星進(jìn)入空間站軌道周?chē)?strong>“披薩盒”形狀的空間區(qū)域，國(guó)際空間站必須進(jìn)行機(jī)動(dòng)。根據(jù)機(jī)構(gòu)官員的說(shuō)法，這個(gè)盒子大約是2.5×30×30英里(4×50×50公里)，國(guó)際空間站位于中心。(軌道平面上的可跟蹤物體直徑約為2英寸(5厘米)，但鑒于軌道上的物體速度很高，即使是油漆斑點(diǎn)也會(huì)造成問(wèn)題。)
“當(dāng)預(yù)測(cè)表明任何被跟蹤的物體將通過(guò)足夠近的距離，并且跟蹤數(shù)據(jù)的質(zhì)量被認(rèn)為足夠準(zhǔn)確時(shí)，休斯頓和莫斯科的任務(wù)控制中心將共同努力制定謹(jǐn)慎的行動(dòng)方針，”該機(jī)構(gòu)官員在2021年5月的國(guó)際空間站規(guī)避程序中寫(xiě)道。
這些來(lái)自美國(guó)宇航局和加拿大航天局的圖像顯示了國(guó)際空間站Canadarm2機(jī)械臂上的空間碎片撞擊的位置，該撞擊于2021年5月12日發(fā)現(xiàn)，并于5月28日發(fā)布。(Image credit: NASA/Canadian Space Agency)
太空垃圾問(wèn)題有多嚴(yán)重？
憂(yōu)思科學(xué)家聯(lián)盟截至2022年5月跟蹤了5465顆活躍衛(wèi)星，比僅6個(gè)月前(2021年12月)的4852顆記錄衛(wèi)星增加了12%。(他們的信息來(lái)自聯(lián)合國(guó)外層空間事務(wù)辦公室經(jīng)常更新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。)
華盛頓特區(qū)工會(huì)代表史蒂文·楊(Steven Young)在2022年3月寫(xiě)道，目前在軌運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量“令人震驚”。他說(shuō):“今年(2022年)發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量超過(guò)了僅僅六年前的2016年運(yùn)行衛(wèi)星的總數(shù)。”。
絕大多數(shù)新衛(wèi)星來(lái)自SpaceX，該公司的目標(biāo)是在近期內(nèi)在低地球軌道上擁有至少12，000顆可運(yùn)行的Starlink寬帶衛(wèi)星，并已申請(qǐng)批準(zhǔn)增加3萬(wàn)顆衛(wèi)星。SpaceX表示，它已經(jīng)制定了讓Starlinks擺脫困境的程序。
“為了以可擴(kuò)展的方式實(shí)現(xiàn)安全的太空行動(dòng)，SpaceX公司開(kāi)發(fā)并為每顆SpaceX衛(wèi)星配備了機(jī)載自主防撞系統(tǒng)，確保它能夠機(jī)動(dòng)以避免與其他物體發(fā)生潛在碰撞，”公司官員在2022年2月的更新中寫(xiě)道。盡管如此，Starlink的數(shù)量還是很多。
根據(jù)哈佛-史密森天體物理中心的空間物體追蹤器喬納森·麥克道爾維護(hù)的一份表格(在新標(biāo)簽中打開(kāi))，截至2023年3月，SpaceX自2019年第一個(gè)Starlink組以來(lái)，已在軌道上發(fā)射了約4000顆衛(wèi)星。麥克道爾2020年4月的一篇同行評(píng)議論文補(bǔ)充說(shuō)，近幾年來(lái)，低地球軌道衛(wèi)星的“數(shù)量急劇增加”，這幾乎完全是Starlink的結(jié)果。他的論文顯示，Starlink的軌道各不相同，但有些軌道的高度低至211至217英里(340至350公里)，接近國(guó)際空間站的高度。
2023年2月，當(dāng)被問(wèn)及如果Starlink以及OneWeb和亞馬遜Kuiper的其他星座完全建成，軌道上的情況將會(huì)如何時(shí)，麥克道爾告訴Space.com說(shuō):“這將像一條州際公路，在暴風(fēng)雪的高峰時(shí)間，每個(gè)人都開(kāi)得太快了。”"除了有多條州際公路相互交叉而沒(méi)有紅綠燈."
歐洲航天局動(dòng)畫(huà)中圍繞地球的空間碎片和運(yùn)行衛(wèi)星。(Image credit: ESA)
2021年8月，南安普頓大學(xué)航天研究小組的負(fù)責(zé)人、歐洲領(lǐng)先的空間碎片專(zhuān)家休·路易斯(Hugh Lewis)告訴space，Starlink衛(wèi)星是低地球軌道碰撞風(fēng)險(xiǎn)的單一主要來(lái)源。Lewis的工作基于CelesTrak提供的Socrates數(shù)據(jù)庫(kù)(衛(wèi)星軌道會(huì)合報(bào)告評(píng)估太空中的威脅遭遇)。該數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)布有關(guān)衛(wèi)星軌道的信息，并為碰撞估計(jì)建立其軌道模型。
“我查看了2019年5月Starlink首次推出時(shí)的數(shù)據(jù)，以了解這些巨型星座的負(fù)擔(dān)，”Lewis在2019年告訴Space.com。“從那以后，Socrates數(shù)據(jù)庫(kù)中的相遇次數(shù)增加了一倍多，現(xiàn)在Starlink占了所有相遇次數(shù)的一半。”
此外，超過(guò)65年的衛(wèi)星和空間發(fā)射在低地球軌道留下了數(shù)不清的數(shù)千塊空間碎片。一些碎片是報(bào)廢的衛(wèi)星，而一些是碰撞的碎片，還有一些是太空活動(dòng)如級(jí)間分離時(shí)散落的碎片。
根據(jù)SpaceTrack.org的數(shù)據(jù)，截至2023年3月，北美航空航天防御司令部(NORAD)正在跟蹤超過(guò)47，000個(gè)太空物體。更多的位元太小，以目前的技術(shù)也無(wú)法追蹤。任何“死亡”的碎片都不能改變它們的軌道，而且目前還沒(méi)有清理它們的明確計(jì)劃，任何接近國(guó)際空間站的行為都讓控制人員別無(wú)選擇，只能讓開(kāi)。
國(guó)際空間站如何躲避碎片？
如果給予足夠的通知，發(fā)射到國(guó)際空間站的貨運(yùn)車(chē)輛會(huì)攜帶額外的燃料，以便在需要時(shí)可以啟動(dòng)推進(jìn)器并調(diào)整空間站的軌道，以幫助實(shí)驗(yàn)室綜合體避免空間碎片。根據(jù)美國(guó)宇航局的一份聲明，一個(gè)例子是在2022年10月25日，俄羅斯控制人員向一艘附屬的貨船Progress 81發(fā)射推進(jìn)器，持續(xù)了5分零5秒，以避免碎片。
NASA官員當(dāng)時(shí)寫(xiě)道，這一動(dòng)作將國(guó)際空間站在遠(yuǎn)地點(diǎn)(離地球最遠(yuǎn)的點(diǎn))的高度提高了0.2英里(0.32公里)，在近地點(diǎn)(離地球最近的點(diǎn))的高度提高了0.8英里(1.3公里)，對(duì)空間站的正常運(yùn)行沒(méi)有影響。
這些碎片是俄羅斯在2021年11月15日進(jìn)行的破壞性反衛(wèi)星試驗(yàn)的一部分，該試驗(yàn)受到了國(guó)際譴責(zé)。測(cè)試產(chǎn)生的碎片已經(jīng)無(wú)數(shù)次靠近國(guó)際空間站和Starlink衛(wèi)星，例如在2022年6月，空間站不得不機(jī)動(dòng)以避開(kāi)破碎的宇宙1408衛(wèi)星的碎片。
美國(guó)宇航局還在建立備份能力，以與美國(guó)航天器一起進(jìn)行演習(xí)，特別是在2022年2月24日開(kāi)始的俄羅斯與烏克蘭的戰(zhàn)爭(zhēng)之后。國(guó)際空間站的運(yùn)行基本正常，但俄羅斯可能會(huì)在2028年離開(kāi)—的軌道綜合設(shè)施，這比美國(guó)宇航局預(yù)計(jì)在2030年結(jié)束國(guó)際空間站的運(yùn)行至少提前了兩年。在這種情況下，進(jìn)步助推器將不再能夠推動(dòng)空間站擺脫碎片，所以美國(guó)宇航局要求諾斯羅普·格魯曼公司的天鵝座貨船在2022年6月25日進(jìn)行測(cè)試燃燒。經(jīng)過(guò)兩次嘗試才完成，但飛船成功地將國(guó)際空間站推進(jìn)到正常運(yùn)行高度。
2022年10月28日，俄羅斯的進(jìn)步82號(hào)貨運(yùn)飛船與國(guó)際空間站的泊斯克艙對(duì)接。像這樣的航天器可以燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提升或改變國(guó)際空間站的軌道。(Image credit: NASA)
如果國(guó)際空間站不能及時(shí)躲閃，乘員如何躲避？
如果機(jī)組人員沒(méi)有得到足夠的通知，或者如果跟蹤數(shù)據(jù)有些不精確，美國(guó)宇航局和其他合作伙伴將向國(guó)際空間站的機(jī)組人員發(fā)出命令，讓他們躲在他們的逃生艙中。
所有宇航員都在飛船上分配了座位，無(wú)論是SpaceX的Dragon還是俄羅斯的Soyuz太空艙，他們都可以在緊急情況下乘坐回家。在這種情況下，國(guó)際空間站的工作人員穿上宇航服，在他們的飛行器內(nèi)等待碎片事件的結(jié)果；一個(gè)著名的例子是2021年11月，一塊疑似ASAT碎片飛到國(guó)際空間站附近。
“這種[遮蔽程序]允許有足夠的時(shí)間通過(guò)在發(fā)生破壞性碰撞時(shí)關(guān)閉艙門(mén)來(lái)隔離這些飛船，”美國(guó)宇航局官員在2021年5月關(guān)于空間碎片和國(guó)際空間站的討論中寫(xiě)道。“如果碰撞導(dǎo)致生命維持模塊失去壓力或損壞關(guān)鍵部件，宇航員將能夠離開(kāi)空間站。在緊急情況下，航天器充當(dāng)船員的救生艇
2022年12月14日至2023年2月25日期間，當(dāng)一次微流星體撞擊導(dǎo)致一艘名為MS-22的對(duì)接聯(lián)盟號(hào)發(fā)生毀滅性泄漏時(shí)，美國(guó)宇航局和俄羅斯不得不共同制定國(guó)際空間站撤離的備用計(jì)劃。出事的飛船沒(méi)有可用的冷卻劑，三名被指派的宇航員中只有兩人可以安全地乘坐飛船回家。國(guó)際空間站緊急情況下的備用計(jì)劃是將第三個(gè)聯(lián)盟號(hào)座椅，即美國(guó)宇航局宇航員弗蘭克·盧比奧的座椅，安裝在四名宇航員下方的“龍耐力”號(hào)的地板上。然而，一艘新的聯(lián)盟號(hào)于2023年2月25日抵達(dá)，替換受損的航天器，因此這一緊急情況不需要上演。
躲避碎片的成本和復(fù)雜性
美國(guó)宇航局2023年3月10日發(fā)布的一份關(guān)于解決空間碎片的報(bào)告(在新標(biāo)簽中打開(kāi))也估計(jì)了在遇到麻煩時(shí)操縱國(guó)際空間站的成本和復(fù)雜性。基于大量的公共信息來(lái)源，報(bào)告稱(chēng)每個(gè)演習(xí)需要兩個(gè)人時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)分析。也就是說(shuō)，只有一小部分關(guān)于“會(huì)合”或與太空垃圾近距離相遇的可能信息需要改變國(guó)際空間站的軌道(作者估計(jì)約為2%)。
大約需要154磅(70公斤)的推進(jìn)劑來(lái)推進(jìn)空間站，然后再需要154磅(70公斤)來(lái)降低它。然而，這個(gè)數(shù)字假設(shè)10%的推進(jìn)劑會(huì)被浪費(fèi)掉。(這種浪費(fèi)來(lái)自討論國(guó)際空間站有時(shí)需要進(jìn)行逆行或逆向運(yùn)動(dòng)以避開(kāi)太空垃圾的歷史速率的平均值，因?yàn)榈窒滠壍肋\(yùn)動(dòng)需要大量燃料。)
報(bào)告稱(chēng)，根據(jù)每公斤7萬(wàn)美元的貨物成本，這一數(shù)字是從美國(guó)宇航局監(jiān)察長(zhǎng)辦公室2018年的一份報(bào)告中獲得的，每次躲避碎片的成本約為100萬(wàn)美元。該報(bào)告稱(chēng)，這些事件對(duì)國(guó)際空間站運(yùn)營(yíng)的影響很小，因?yàn)閲?guó)際空間站工作人員的庇護(hù)活動(dòng)很少，而且“由于風(fēng)險(xiǎn)分析和機(jī)動(dòng)能力的提高，不太可能需要這些措施”。但是碎片撞擊本身的代價(jià)可能更高。
2022年12月14日，一顆明顯的微流星體撞擊了一艘俄羅斯聯(lián)盟號(hào)飛船，導(dǎo)致冷卻劑泄漏，當(dāng)時(shí)該飛船正停靠在國(guó)際空間站。(Image credit: NASA)
根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局報(bào)告作者引用的1997年國(guó)家研究委員會(huì)的報(bào)告，如果國(guó)際空間站被物體擊中，它的設(shè)計(jì)確實(shí)允許它承受“相當(dāng)于直徑1厘米的鋁球”。
2023年的報(bào)告假設(shè)撞擊將來(lái)自直徑在0.4英寸到4英寸(1厘米到10厘米)之間的物體。修復(fù)這樣一個(gè)碎片穿孔的成本將至少是2億美元，根據(jù)OIG引用貨物再補(bǔ)給任務(wù)的典型成本的數(shù)字(因?yàn)楹教炱餍枰獢y帶必要的維修材料前往國(guó)際空間站。)但考慮到眾多因素，如船員時(shí)間和損失的科學(xué)時(shí)間，或?qū)Ψ呛诵膰?guó)際空間站元件如對(duì)接宇宙飛船的潛在維修，成本可能會(huì)高得多。
美國(guó)宇航局及其空間站合作伙伴已經(jīng)制定了應(yīng)對(duì)國(guó)際空間站緊急情況的程序，但軌道上不斷增加的空間碎片有時(shí)確實(shí)會(huì)導(dǎo)致軌道復(fù)雜的問(wèn)題。批評(píng)者說(shuō)，關(guān)鍵是首先避免太空垃圾，盡快清理現(xiàn)有的太空垃圾，并盡可能減少衛(wèi)星發(fā)射的數(shù)量。目前還不清楚太空當(dāng)局將如何管理地球上方擁擠的軌道，但可以肯定的是，國(guó)際空間站的運(yùn)營(yíng)商將繼續(xù)密切關(guān)注麻煩。
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