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世界杯与太空垃圾

2022-11-22 06:00


此前美国洲际导弹防御系统雷达网的监测数据显示,围绕地球转动的太空垃圾估计有1亿多块。如果不对这些太空垃圾进行干预,近地轨道被垃圾占领只是时间问题。


四年,是一届世界杯的周期。


黑白的足球如同精灵跃动,撩拨着全世界球迷的神经,享受一段属于自己的欢乐时光。多年来,国际足联利用最新、最可靠的技术创新,完善其信号传输和分发工作流程,与全世界观众分享世界杯比赛的现场直播画面。


卡塔尔2022世界杯信号传输分发流程便是依赖于一个专门的广播分发网络bcn(broadcast contribution network),它使用主办地卡塔尔的基础光纤设施将场馆的视音频和数据信号传输到ibc。为确保安全,网络采用了冗余设计,冗余通道使用不同的网络路径来连接,还有一路通过卫星传输的路径作为备份,而ibc的信号则通过伦敦、法兰克福和新加坡三个国际节点进行全球分发,通过卫星将视像、图文和声音等节目进行点对面的广播,直接供广大用户接收。



可见全球的球迷可以看到高清流畅的赛事直播离不开卫星的工作。那么人类发送卫星到太空,随之产生的垃圾该如何处理?


据预计,到2030年,卫星数量将增加近十倍,达到58000枚,其中许多寿命不超过五年。随之产生的太空垃圾可能会引发毁灭性的连锁反应,据摩根士丹利预测,到2040年这些太空垃圾将对近1万亿美元营收的太空经济构成重大威胁。

迄今为止,太空垃圾发生过三次大碰撞,而且这种近距离接触现象越来越普遍。去年11月,在俄罗斯的反卫星导弹试验变成了一团残骸后,国际空间站的居民不得不在太空舱中避难。今年9月,美国联邦通信委员会裁定,“近地轨道”卫星【即海拔1200英里(约为1931km)以下的低地球轨道】运营商被要求“在可行的情况下,在其任务结束后在五年内”重新移动卫星,执行时间不超过两年。美国国家航空航天局证实,运营商确实有销毁太空垃圾的义务,但这些都是自愿原则。


国际空间站被碎片撞击(来源:nasa)


美国国家航空航天局在2021的一份报告中表示,过去十年中,各国遵守率平均低于30%,如果为了有效减缓死亡卫星、火箭体和松散碎片的积累速度,就需要90%的遵守率。


要清除或处理太空垃圾,首先要做什么?


“找到它们。”


数学模型表明,在太空垃圾中,有100万个垃圾碎片的尺寸在1到10厘米之间,还有1亿个甚至更小,它们穿行的速度通常比子弹的速度还要快很多倍。


太空碰撞示模拟(来源:best documentary)


国际空间站的“惠普尔盾(见文末科普小知识)”可以被任何大于一厘米的物体刺穿。“我们在认知上有一个灾难性的9厘米差距。”私有化空间公司首席执行官alex fielding说。“如果这就是太空的交通状况,你永远不会想过马路。”


私有化公司的尊龙体育官网的解决方案是获取更多数据。它的wayfinder应用程序结合了官方来源和卫星运营商的观测结果,创建了一个近乎实时的“谷歌空间地图”,公司可以使用它来缩小误差范围。wayfinder最近更新了碰撞评估工具,但据说,虽然将大块碎片加入地图以改进空间地图是有价值的,但提供更多关于较小物体的数据将困难得多,而且也存在风险。如果不能精准确定物体在哪里,那么其他一切都只会是徒劳。


如今太空赛道日益发展,但随之而来且日益严重的垃圾处理问题万万不可忽视。因此清除围绕地球运行的致命碎片应该作为想在那里开展业务的公司的优先事项。



除了安装清理操作程序,可能别无选择。那么主要问题是谁来做以及如何找到垃圾。由于大型航空航天公司的兴趣有限,创业公司纷纷加入这个项目:在2018年成立几个月后,瑞士的clearspace与欧洲航天局(esa)签署了一份合同,将在2025年前清除织女星火箭的残骸。clearspace将使用机器人抓住残骸并在大气中燃烧。还有总部位于东京的astroscale,该公司自9年前成立以来已筹集了3亿美元的风险投资。今年9月,英国航天局向两家公司授予了400万英镑,相当于460万美元,用于在2026年之前拆除失效的英国卫星。


发射数量变化趋势(来源:our world in data)


此外,将机器人送上太空还有经济上的好处:它可以延长耗尽燃料的卫星的寿命,用自己的推进系统将其固定到位,直到退役。这仍然给卫星运营商和垃圾清理公司留下了一个根本问题:它们在物体上的信息,包括位置、形状和质量,需要大量的猜测。大多数观测来自地面雷达,但这些数据往往是几个小时前的数据,可能会偏离目标数英里,而且考虑到物体旋转速度比预计速度更快的可能性,从而使其无法抓取。这是针对大于10厘米的碎片的,符合欧空局30000以上的数字,是唯一可以从地球上看到的碎片。


人类在开启一个充满希望的新太空时代之际,应该重视处理太空垃圾,避免造成公地悲剧



科普小知识

惠普尔盾(又称为惠普尔缓冲器),指一项航天器工程是一层由铝或者是其他低密度材料组成的薄装甲,覆盖在整体装甲板至上,并且在护盾和主装甲板之间有显著的间隙。惠普尔盾往往一受到冲击便会被摧毁,但是它的毁坏会将来袭的超高速发射物蒸发成等离子体。


惠普尔盾与主装甲板之间的间隙给予等离子体扩散的时间,增大表面积,这也就降低了等离子体撞击时的压强。这极大地降低了发射物的冲击,然而它也有缺点,它只能用于小面积的一次性防御。向同一位置再次射击就不会遭到削弱。另外,惠普尔盾很容易会被较弱的近距离核爆炸蒸发。




————  参考资料 ————

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| 文伊彦茗

| 编辑史佳萍


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