SPACE SCHOOL

Houston Association for Space and Science Education.
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來自太空的不速之客

當你享受著便利的衛星科技時,其實地球外圍並非你想像的如此安全。即使衛星或是火箭在成功發射後,在外太空上也是需要接受來自太空垃圾的嚴酷考驗。

  自從1957年蘇聯發射第一顆人造衛星後,太空垃圾的數量便隨著世界各國太空任務的進行而逐年增加。距離地球較近的太空垃圾由於地心引力的影響會逐漸墜回地球,較小的物件則是受到大氣層摩擦而燃燒殆盡,或是沒有燃燒完全卻也多是掉入海洋,鮮少對陸地上的生物造成傷害。



圖一、太空垃圾示意圖太空垃圾主要分布在近地軌道(LEO)以及地球靜止軌道(GEO),依據尺寸的不同可以分為三種:

大型廢物—尺寸大於10公分,如廢棄衛星

小型碎片—尺寸介於1到10公分,如太空人執行任務不慎遺落的工具

微小碎片—尺寸小於1公分



圖二、衛星繞行地球示意圖圖三、廢棄衛星統計



  有些碎片體積雖然小,但是在高速繞行地球的狀態下,卻有能力對艙體造成損壞甚至使得衛星無法正常運作,因此利用Whipple Shield來保護衛星以及凱斯勒現象造成的隱憂便逐漸受到重視。



追蹤與銷毀



  既然外太空並非我們想像的如此安全,那麼我們就必須想辦法追蹤甚至是銷毀這些可能有危害的太空垃圾。地面望遠鏡、地面雷達等能夠觀測在GEO以及LEO上的碎片。NASA與美國國防部合作而歐洲太空署則與德國TIRA系統合作來自外太空的威脅並且利用軟體來模擬監控外太空的狀況。

  許多國家也展開了了太空垃圾的清除工作,對於尚能控制的衛星,利用自我推進的方式來將自己推入死亡軌道(Gaveyard Orbit),對於有潛在危險的碎片,利用高能雷射來擊毀或是使其表面汽化增加摩擦力來減速墜落大氣層;除此之外,未來也會利用完成主要任務的火箭來進行垃圾捕捉的工作,帶著一定量的垃圾返回地球進行處理。



凱斯勒現象



  由美國科學家Donald J. Kessler所提出的假設。當近地軌道(LEO)上的物體達到一定數量後,這些物體會因為相互碰撞而產生更密集的太空垃圾,最後覆蓋住整個軌道,屆時地球將沒有安全的衛星軌道。



圖四、海拔高度與物體空間分布密度關係圖



Whipple Shield



  由美國天文學家Fred Lawrence Whipple所發明,填充物質多使用克維拉(Kevlar)或是氧化鋁纖維,其重量輕且薄並且設置於艙體外牆一定距離處,可以有效抵擋較小型的高速物體撞擊。而國際太空站則使用了超過100層的Whipple Shield來保護站體免於碎片撞擊。



圖五、由克維拉以及氧化鋁纖維組成的Whipple Shield



參考資料及來源: 

1.Space Debris

2.How Much Junk Is In Space?

3.A History Of Garbage In Space

4.ESA Space Debris—Scanning & Obsvering

5.Kessler Syndrome

6.Whippe Shield Video

7.ESA-Space Debris

8.克維拉纖維(Kevlar)

9.氧化鋁纖維

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