文章來源:中國航天科技集團公司 發布時間:2009-02-20
人類歷史上的首次兩顆完整衛星相撞事故,產生了為數不少的空間碎片,向全世界敲響了空間安全的警鐘。
作為一個負責任的航天大國,中國早在上世紀90年代初,就組建了一支從事空間碎片研究的隊伍,成功開發出長征四號乙火箭末級剩余推進劑排放系統,解決了火箭入軌后第三子級“鈍化”問題,避免了因自身爆炸產生空間碎片情況的出現。
2000年以來,中國航天科技集團公司一院、五院、八院及中國科學院等各方面科技工作者通過努力,又完成了部分基礎設施的建設,使我國具備了參加國際空間碎片聯測的能力,還自主研發出空間碎片撞擊風險評估軟件包等。這些措施,能夠對空間碎片進行有效的防護。
火箭多有減緩措施
目前,我國的運載火箭已有長征一號、長征二號、長征三號和長征四號四大系列。從中選取幾個代表性的火箭,分別是“長征二號丙”、“長征三號甲”和長征四號系列運載火箭,它們都有“金牌火箭”之稱。除“長征二號丙”為兩級和三級狀態并存外,其余兩個均為三級火箭。在成千上萬的太空碎片中,有很多都是由于末級火箭的解體造成的。
“火箭入軌后,由于末級里面還有幾十公斤甚至上百公斤的剩余推進劑,很容易發生自然解體,俗稱‘爆炸’。1990年,長征四號甲火箭在成功完成星箭分離動作后33天,就發生了爆炸,產生了60多塊可觀測的碎片。”長征四號乙火箭總設計師李相榮說,“不久,美國宇航局代表團便來到中國,建議對末級火箭采取鈍化措施。”
當時,發射太陽同步軌道衛星的長征四號甲火箭被認為是形成空間碎片最危險的對象。與發射地球同步軌道衛星的火箭相比,它的軌道壽命比較長。李相榮等人曾經計算過,900公里圓軌道上的空間碎片,大約需要50年才能墜落到地球的大氣層,“因此,我們更應該注重空間碎片問題”。
從長征四號乙火箭開始,他們便研制出了火箭末級剩余推進劑排放系統,實行“三放光”政策,即把儲箱里的液體放光,把氣瓶里的氣體放光,把電池的能量放光。這樣,箭體就鈍化了。除非與別的航天器相撞,火箭自身不會爆炸。排光辦法也是國際上的通行做法。
初期,有的衛星研制單位對此產生了顧慮,擔心排放出去的推進劑把衛星污染了,影響衛星的正常工作。因此,有2枚火箭的末級剩余推進劑排放系統在裝好后又被拆除了。恰恰是在這2枚火箭中,又發生了一次爆炸,時間也是30多天。
當看到安裝排放系統沒有對衛星造成不利影響時,衛星研制單位便不再反對。此后的13次發射,長征四號火箭均采取了鈍化措施。事實證明,再也沒有發生過爆炸現象。
有業內同行指出,長征四號火箭的鈍化措施,是中國最成功的空間碎片減緩辦法,在國際上也可圈可點。
對于另一枚三級火箭“長征三號甲”而言,由于其近地點軌道高度在200公里左右,軌道衰減周期比較短。一般情況下,短則幾個月,長則幾年,末級火箭便會落下來。截至目前,該火箭末級還未發生過任務后在軌爆炸現象。
陳閩慷曾經是“長征三號甲”的主任設計師,現在是“長征二號丙”的副總設計師。他專門負責過末級火箭空間碎片減緩研究工作。
“在發射地球同步軌道衛星的時候,為了節省衛星變軌的能量,長征三號甲火箭的推進劑大多耗在了軌道優化上,因此所剩不多,發生爆炸的可能性也比較小。即便如此,我們也做了一些研究,如選擇合適的發射時機,在近地點處通過軌道攝動加速其衰減,但目前還沒有加以應用。”陳閩慷介紹說。
“在長征二號丙火箭上,我們已經安裝了箭體處理系統:兩級狀態采用先調姿后啟動主發動機離軌的方案;三級狀態在上面級安裝姿控發動機完成離軌。”陳閩慷介紹說,長二丙火箭完成任務后的離軌工作,從上世紀90年代中后期就開始實施了,效果很好。
我國衛星、飛船應無恙
此次美俄衛星相撞高度約在地面以上790公里處。這個軌道是我國應用衛星比較集中的一個區域,如風云氣象衛星、資源觀測衛星等。
風云三號氣象衛星總設計師董瑤海介紹說,風云三號衛星的軌道高度約在830公里,與此次產生的碎片相撞概率非常低。但是,在相撞力的作用下,碎片高度會發生變化。因此,必須密切監視碎片的動態,一旦遇到危險,就采取變軌措施將其避開。
談到空間碎片的威力,八院805所研究員、空間碎片環境保護工程專家組組長張文祥說,目前太空中的空間碎片不計其數,能夠被人類觀測和跟蹤的厘米級碎片數量不到2萬,一般都類似于蘋果大小。由于高速移動,其動能相當于同等質量TNT炸藥爆炸時釋放能量的幾十倍,足以擊穿航天器,帶來毀滅性災難。
董瑤海說,對于壽命到期的衛星,他們可以采取的主要措施是利用剩余推進劑,從常用軌道移到不常用軌道,避免跟別的衛星相碰造成碎片,同時讓出軌道資源。
“到目前為止,世界上還沒有一個國家可以說已經避免了衛星成為太空垃圾。因為要使衛星回落到大氣層,需要留很多燃料,這個不太現實。現在通行的做法是將衛星移軌。對于高軌道的衛星,如地球靜止軌道衛星,主要實行升軌。對于極軌衛星來說,國際上還沒有明確規定。”他表示,我國專家也正在考慮這個事情。
雖然軌道高度距790公里甚遠,但衛星相撞的消息也引起了載人航天工作者特別的關注。航天專家楊宏說,盡管這是非常小概率的事件,但對載人航天器的飛行安全提出了更高的要求,必須認真研究其影響并采取相應對策。
實際上,從“神舟五號”以來,每次發射前,科研人員都要對空間環境做詳細分析,以確保飛行安全。我國的載人航天工程,在方案論證及設計期間,已經把空間環境中微流星以及空間碎片的預測、分析及防護作為研究的內容之一,也一直對國內外最新的研究成果進行跟蹤。針對可能出現的情況,采取了一系列的防護措施,并經過了充分的地面驗證。
說到空間站,楊宏說,國際上通行的做法是加固外表。所謂空間防護措施,主要是對一定大小的空間碎片和微流星有效。對于大質量的空間碎片來說,最有效的措施就是開展國際合作,進行全過程實時跟蹤、預報,采取主動規避的辦法。
眾多航天專家表示,建立科學的太空軌道秩序十分重要。他們將按照國際慣例,在自己的航天器壽命即將結束時,采取相應措施使其離軌,或者掉進大氣層燒毀,或者進入一個對地面的生態、環境、人員各方面影響最小的安全領域。