eliminated-福州话
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
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
2000
km
的近地轨道，
他们绕地球的飞行速度通常达
7-8km/s<
/p>
，
与航天器迎头相撞的速度可达
15
km/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。<
/p>
图
1
宇宙空间的现状
1
、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。
< br>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
< br>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。
图
2
一块空间碎片
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”！
1
991
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
< br>年一次。
太空垃圾不仅给航天事业带来巨大隐患，<
/p>
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。
2
、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
：
“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。
“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。
“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
< br>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。
“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。
3
、使用激光清除太空垃圾
3.1
、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
< br>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
5
MW
，
采用自适应光学，
发射口径为
10
m,
激光能量能到达平均轨道高度为
4
50km
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<
/p>
1060
nm
，
输出功率为
30
kw
，采用自适应光学，发射口径为
6
m
，重复频率为
2
Hz
，能清
除
1500 km
轨道高度上的碎片。
1999
年德国
DLR
物理研究所的
< br>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
450-1000 km
轨道高度上的碎片。
2011
年
10
月
17
日，一篇题为《
Removing Orbital Debris
with Lasers
》
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
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