凯斯勒综合症,太空中的终极灾难

周一凌晨,俄罗斯军方在一次武器试验中摧毁了一颗已报废的卫星。高速碎片令人不安地经过国际空间站(International Space Station)的前哨站,宇航员被迫在那里躲避。目前,卫星和空间站可以简单地避开有威胁的太空垃圾,但我们可能正在接近这样一种情况:轨道上滚雪球般的碰撞实际上切断了我们与太空的联系。令人不安的是,我们可能已经处于这个被称为凯斯勒综合症的过程的早期阶段。

事实上,人们越来越意识到近地轨道的糟糕状态以及在那里盘旋的大量垃圾。据估计,目前太空中有3.3亿块碎片,这绝对是一个令人难以置信的数字。显然,我们并没有向轨道发射3.3亿块碎片,但这正是问题所在:太空中的物体会分裂成许多更小的碎片,然后这些碎片会撞向其他物体,如此循环,随着时间的推移,导致碎片的指数级生成。

唐纳德·凯斯勒预见到了这一点。1978年,这位美国宇航局的科学家警告说,随着“地球轨道上人造卫星数量的增加,卫星之间碰撞的可能性也会增加。”卫星碰撞会产生轨道碎片,每一个碎片都会增加进一步碰撞的可能性,导致地球周围碎片带的增长。”随着时间的推移,输送带的密度会越来越大,凯斯勒担心它会成为“下个世纪的一个重大问题”。

欧洲航天局(European Space Agency)对凯斯勒综合症(Kessler Syndrome)的描述是,这种“逃逸、自我维持、连锁碰撞过程”可能会加快卫星被碎片和其他卫星摧毁的速度,但碎片也会产生更多碎片。近地轨道的大片区域,特别是560英里到870英里(900- 1400公里)之间非常有用的波段,最终将在很长一段时间内无法进入,可能长达几十年。

早在1991年,凯斯勒就表示,“现在有必要开始限制在轨道上消耗的火箭体和有效载荷的数量。”20年后,考虑到火箭发射到太空的狂热速度,这几乎是一个可笑的命题。此外,试图阻止这一进程的努力可能已经是徒劳的,因为太空碎片产生的速度现在已经高于碎片落入地球大气层的速度。凯斯勒在2009年就意识到了这一点。

建模结果由美国的数据支持空军的测试,以及一些独立的科学家得出的结论是,当前的碎片环境是“不稳定的”,或超过了一个关键阈值,因此,任何通过消除过去碎片来源来实现无生长小碎片环境的尝试都可能失败,因为未来碰撞产生的碎片将比大气阻力清除它们的速度更快。

欧洲航天局(European Space Agency)对此表示赞同,称“产生的碰撞碎片将开始主导”近地轨道的有用部分,而且这“即使现在所有发射活动都停止了,也将是真的,这是极不可能的发展。”

顺便提一下,地球同步轨道,在地球上空约2.2万英里(3.6万公里)的高度上,有数百颗卫星,同样也不能幸免于凯斯勒综合症。

“凯斯勒综合症”一词是由约翰·加巴德创造的,他为北美防空司令部追踪了主要的卫星解体事件,并在没有严格定义的情况下使用。凯斯勒将继续澄清这个术语,说它“是为了描述这样一种现象,即大到足以记录的物体之间的随机碰撞,会产生比自然流星体环境更大的小碎片,从而对航天器造成危害。”他补充说,除非我们最终采取行动,否则“这种现象最终将成为最重要的长期碎片来源”。

凯斯勒从来没有说过破坏性的瀑布会在短时间内出现,比如几天或几个月,或者一个单一的触发事件就能引发瀑布,如2013年的电影《地心引力》描述了这样的场景,一颗俄罗斯卫星被摧毁,导致大量太空垃圾倾泻而下,最终摧毁了国际空间站。事实上,一个单一的触发事件不太可能将卫星全部摧毁,但产生大量碎片的碰撞可以加速这一过程。本周早些时候,俄罗斯击落了Kosmos-1408卫星,直接推动了这一进程,它的反卫星(ASAT)试验产生了数千块新的碎片,这些碎片将在未来几年威胁航天器。

人们担心,envisat——一颗退役的、重达18000磅的地球观测卫星,如果被摧毁,也可能引发灾难性的连锁反应,但正如凯斯勒本人在2012年告诉《太空安全杂志》的那样,这不大可能。但凯斯勒解释说,这将使这个过程加快一个数量级:

“级联过程可以更准确地认为是连续的,已经开始了,在轨道上的每次碰撞或爆炸慢慢导致未来碰撞频率的增加。但由于Envisat如此巨大,如果碰撞发生,它将立即(产生)一个碎片环境,在最乐观的情况下,我们预计至少在100年内不会出现这种情况。这接近于大多数人所说的‘触发’事件。”

趋势表明,我们将继续助长凯斯勒综合症。火箭发射的成本比以往任何时候都要低,这使得太空越来越成为进行商业活动的可行场所。小型化可以制造更小更便宜的卫星,但这意味着我们每次发射都能把更多的卫星送入太空。此外,还有一种趋势是巨型卫星星座,在这种星座中,一队队的轨道航天器协同工作,提供宽带互联网接入等服务。SpaceX已经向轨道发射了1700多颗星链卫星,目前正引领这一超级星座计划,但OneWeb和亚马逊等其他公司也打算发射类似的系统。

根据欧洲航天局的数据,目前约有7630颗卫星围绕地球运行,其中大约4700颗正在运行。每增加一个物体进入轨道就会增加碰撞风险,而每一次碰撞又会增加未来发生碰撞的机会。正如空间法专家Louis de Gouyon Matignon在《空间法律问题》中写道的那样,这“可能会使(近地轨道)卫星的长期生存能力前景极其渺茫”。

事实上,形势可能会变得非常严峻。难以接受的高密度碎片将使地球轨道不适合卫星、空间站和宇航员。在一种最糟糕的情况下,一连串的碎片将摧毁大片卫星,使部分地球轨道至少在一段时间内无法用于人类活动。310英里(500公里)以下的碎片云最终会落回地球,但这需要10年或更长时间。至于372英里(600公里)以上的区域,可能会无限期地禁止进入,除非我们找到一种方法手动清理。

我前面详细的影响失去我们的卫星,但是高斯Notes版本是我们的沟通能力将严重阻碍,GPS是不存在的(以及这些系统依赖于它),天基同步计时和导航将会停止,我们的金融体系崩溃,我们将失去重要的军事能力,我们将失去气象卫星,以及其他许多东西。

非常严重的事情。我们大多数人都不希望回到20世纪中期,幸运的是,我们有办法减少太空碎片的体积。这些措施包括:限制常规空间作业(如维护和修理在轨卫星)造成的空间碎片数量;防止空间碰撞(例如,使所有卫星都具有可操作性和禁止反卫星武器试验);提高卫星的抗冲击能力(如通过屏蔽);负责任地处理退役卫星(例如,设计能够自行脱轨的卫星)。寻找新的、有效的方法来清除太空垃圾也至关重要。

我们还需要对可以送入太空的物体的体积和类型进行合理的限制。让所有人,包括公共和私营部门,都参与进来并不容易,但这对于维持健康的轨道生态是必要的。地球轨道是一个非常特殊的地方,失去它将是一个遗憾。

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/tianwen/1972.html