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後太空梭時代的開始

科學月刊_96
・2012/07/26 ・2786字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

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太空梭的退役揭開了太空探險春秋戰國篇,年輕的航太科技新秀如雨後春筍般的崛起,其革命性的創新將帶領人類進出太空更自如。

陳彥升

人類在20世紀歷經了航太科技突飛猛進的洗禮,如今進入太空從事各類科學實驗,或是進行商業探勘及通訊服務,似乎已是稀鬆平常的例行事務,然而在2011年7月美國太空梭最後一次昇空畫下句點之際,一個自1960年代以來一直挑戰著火箭科學家的老問題,正將由新一代的太空科技公司來提出解答,就如SpaceX(太空探索科技公司)的天龍號太空船(Dragon Capsule),在5月25日完成與國際太空站銜接後,安全返回地面,此創舉寫下了另一歷史新頁。

新一代發射載具

這裡所說的老問題是:「火箭發射載具為何不能既簡化又有效率?」其中的效率又有兩個面向,也就是經營成本方面,以及運載效率方面,當然這兩者通常也是相輔相成的。而簡化的訴求,主要是要使火箭系統的可靠度提昇,因而降低經營的成本。簡單的說就是,新一代的運載火箭,必須要更便宜、可靠又有效率,這也是美國結束太空梭橫跨30年飛行的主因之一。而尋求這個問題的重大突破,需要經過深思熟慮的重大政策決定,正如1960年代的甘迺迪總統支持太空計畫,歐巴馬總統在就職之初,即作出改變NASA及美國太空工業的決定,他們將扶植民間公司負責經營地球軌道火箭運載的任務,而讓NASA能集中精神,發展火星及外太空探索的前瞻任務。

圖一:太空梭與新一代發射載具的比較。依重量(左至右)與長度排列。其中NASA用以取代太空梭的發射載具為SLS(太空發射系統),設計與農神五號(Saturn V) 相近,可以將太空人運送到更遠的地方,並且做為人類太空探測的基石。而其他民營 太空公司(ATK 、SpaceX 、ULA 、Orbital)也陸續研發他們的發射載具。

 

圖二:2012年5月22日SpaceX研發的天龍號太空船,從佛羅里達州空軍基地發射,由「獵鷹9號」(Falcon 9)火箭搭載 升空。經3天的飛行,於25日與國際太空站成功對接,完成太空史上第一次民間太空船對國際太空站的補給任務。本次任務證明即便太空梭退役後,民營業者依然能夠啟動往返太空站的能力。

其實自1995年以來,一些美國太空工業的新秀,即陸續積極作準備加入戰場,且在21世紀初開始展露好成績。首先,軌道科學公司(Orbital Science Corporation, OSC)利用美空軍現有洲際飛彈所改裝的發射載具,完成商業衛星的發射服務。接著,由航太設計黑馬奇才之稱的魯坦(Burt Rutan)的公司Scaled Composites(縮尺複合材料公司),所領銜設計的SpaceShipOne(太空船一號)太空飛機於2004年9月間,運用安全又簡化的「混合式火箭技術」,完成連續兩週內運送人員進入太空,並安全返回地面,贏得了1000萬美元獎金的AnsariX-Prize,而他們公司現在正與維珍銀河公司(VirginGalactic)合作,繼續發展SpaceShipTwo(太空船二號)及SpaceShipThree(太空船三號),並已有可觀的太空旅行機票的銷售,自此太空旅行業正式成形。這裡提到的混合式火箭技術,即是使用液體氧化劑,加上固體燃料,以作為火箭燃燒推進的能源。

平地一聲雷— SpaceX 的崛起

太空旅行業的發展對於先前所說的簡化與效率問題,提供了部分的答案及新穎的想像,而另一個在火箭發射營運上較重大的突破,則是在2002年SpaceX公司問世之後,才漸漸被發現與證實。目前,規劃以完全民間的資源,來提供載人或無人的發射載具服務,往返地球軌道及國際太空站的公司,主要有SpaceX、OSC、ATK以及Blue Origin(藍源)等四家公司,其中ATK與BlueOrigin的火箭載具還在發展中,而以SpaceX的想法與規劃最具競爭力。他們如何作到的,值得我們進一步探討。

圖三:由Scaled Composites公司所研發的SpaceShipOne, 於2004年9月間,運用安全又簡化的混合式火箭技術,完成連 續兩週內運送人員進入太空,並安全返回地面,贏得了1000萬 美元獎金的Ansari X-Prize 。

SpaceX在2002年成立後,即推出引人注目小巧的獵鷹一號(Falcon 1)發射載具,其總長21.34公尺,不及曾經運送太陽神太空人登月的農神五號(Saturn-V)火箭的五分之一,直徑1.67公尺,重3萬8555公斤。一般的運載火箭使用3或4節的設計,而此火箭僅用兩節,減少脫節分離的風險,因此大幅提昇了可靠度而降低成本。其使用的燃料是一種精製、且比一般加油站的汽油更經濟的煤油。通常大約只要10個工程師,就可進行這火箭的測試前點火檢驗。同樣的工作,一般的火箭則需百人才能完成。若觀看工程師們圍繞著如此小的火箭的忙碌情形,會令人反思其命名獵鷹實是言過其實,也許麻雀或山雀更適當些。

但是這不起眼的「次小型火箭」卻應允將可大量消減衛星發射入軌的費用,或則甚至使美國垂死的太空工業得以因此復甦(美國的航太公司曾經囊括了全世界約80%的發射服務,現在卻不到兩成)。這個在加州霍桑市的公司計畫提供以每次約650萬美元超低價的費用,舉昇670公斤的酬載入軌。其他航太公司能提供最低價的同樣服務可是需要約美金3000萬元。根據Falcon 1的發展成功,這公司目前已完成研製及開始出售下一階段的大型火箭Falcon9,且希望能以目前標準價錢的十分之一提供載人或無人的火箭發射服務。Falcon9總長69.2公尺,寬3.2公尺,重33萬3400公斤。SpaceX 的副總裁在2005年曾經說過:「我們很可能在十年內可達到登月的目標。」由此可以知道他們長遠的企圖心。

圖四:SpaceX研發的獵鷹號系列(Falcon)火箭,從Falcon1到Falcon9-S9,其中LEO為近地球軌道–有效載荷,而GTO為地球同步轉換軌道–有效載荷。

小公司,大目標

的確,以一間小公司來講,SpaceX的主管們是必須往大的目標去思考。馬斯克(Elon Musk)是這公司的董事長兼總裁。他是以他網路鉅子所得的財源來支撐這家火箭公司,而且一直是雄心勃勃。他在2005年時曾對媒體表示:「六十年前我們並沒有核子武器,能想像六十年後我們將會發明出什麼呢?」他且認為:「能在火星上建一個自給自足的第二個人類文明,是最重要的目標。因為,既然資料的備份儲存是必要的,備份儲存一個生物環境圈應該也是相同的重要。」由此可見他的眼光與NASA的相當。

圖五:蓄勢待發的獵鷹九號(Falcon 9),其長69.2公尺,寬3.2公尺,重33萬3400公斤。

馬斯克對這個位於洛杉磯南端工業大樓的1800人企業貫徹了他的大膽作風。他們極其認真地要挑戰波音和洛克西德瑪丁。他們很清楚,這些大公司雖然是民間企業,但是他們的作法卻是像到處官僚及冗員的政府計畫。SpaceX據此發動他們的攻勢,進行了一場革命。而這種看法與論點,也得到美國政府的重視與支持。然而,這到底還是困難的火箭科學。重力是一大負擔,大氣的阻力是顯著的,還有,就算簡單的火箭,還是有高爆炸性,這使得新成立的公司經常有火箭墜落燒燬的經驗。雖然2004年SpaceShipOne贏得X-Prize是一個創舉,但那只是一項次軌道的飛行,其所需能量僅是真正入軌飛行的2%而已。儘管SpaceX只是運送一個酬載入軌環繞地球——遠小於飛到火星上落腳的規模,且還端看許多不能掌握的因素,Falcon系列發射載具的成功將給這公司的老板莫大的鼓舞。

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睽違三年,重磅回歸:獵鷹重型的現在與未來
EASY天文地科小站_96
・2022/11/04 ・2560字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 文/林彥興(EASY天文地科團隊總編輯,現就讀清大天文所)

台灣時間 2022 年 11 月 2 日晚上九點四十一分,SpaceX 的「獵鷹重型 Falcon Heavy (FH)」火箭從濃霧繚繞的甘迺迪太空中心 LC-39A 發射台轟然升空。睽違三年,世人終於再次體會到世界最強火箭飛向天際,以及雙助推器同時著陸的震撼。

USSF-44 任務中獵鷹重型火箭的升空與著陸。圖/SpaceX

從獵鷹九號到獵鷹重型

相信有在關注太空時事的讀者們,對 SpaceX 的獵鷹九號火箭都不陌生。

獵鷹九號火箭。圖/SpaceX

獵鷹九號是 SpaceX 目前當仁不讓的發射主力,從低軌小衛星共乘高軌頂配同步衛星乃至星際探測器都能一手包辦,而且還擁有能夠「重複使用第一節」這舉世唯一的絕技,在大幅降低成本的同時,也讓 SpaceX 能夠以超過一週一發的超高頻率發射火箭。從 2022 年初至週二當天,獵鷹九號已經發射 49 次,佔世界總發射次數的約 35%;論發射酬載總質量,世界所有其他火箭加起來還不到獵鷹九號的一半。[1][2]

但獵鷹九號雖然優秀,面對少數特別重的酬載(也就是衛星、太空船等火箭攜帶的物體),或是要把酬載送到特別高能量的軌道時,仍然力有未逮。怎麼辦呢?基本概念很簡單:在獵鷹九號第一節兩側,再綁兩根第一節火箭,給火箭更多的燃料、更強的推力,就能把更重的酬載,送到更高更遠的地方,這就是「獵鷹重型 Falcon Heavy, FH」火箭。習慣上,人們將中間那根第一節稱為芯級(Core Stage),兩側的則稱為助推器(Side Booster)。根據任務需求,芯級和助推器可選擇不同的回收模式(陸上回收、海上回收、不回收)。在完全不回收的模式下,獵鷹重型擁有超過 60 公噸的最高理論運載力(LEO),比位列第二的三角洲四號重型火箭多了一倍不只。

發射台上的獵鷹重型火箭,可以清楚的看到並排的芯級與助推器。圖/SpaceX

風光亮相後?

獵鷹重型在 2018 年進行了一場轟轟烈烈的首飛。由於未經驗證的新火箭,一般不會有客戶願意買單承擔風險,因此火箭製造商通常會自費發射一些不太重要的東西,常稱為「假酬載 Dummy Payload」,向客戶展示火箭確實可以把你的衛星送入軌道。這個不太重要的假酬載,也給了工程師們搞怪的機會。

假酬載該選什麼好呢?
大老闆 Elon Musk:「啊,那就把我的 Tesla 跑車打上去吧。」

Falcon Heavy 首飛官方剪輯

首飛隔年(2019)四月和六月,獵鷹重型分別進行了兩次任務(福衛七號就是其中之一噢)。但在這之後,獵鷹重型彷彿就進入了休假期,長達三年都沒有發射任務。為甚麼會這樣呢?這背後的原因有非常多面相可以討論,比如獵鷹九號就已經足以應付現在市場上絕大部分的發射需求、獵鷹重型發射的酬載開發與製造進度延宕等等。篇幅有限,在此就不展開細說。但總之,對太空迷們來說,這三年真的是格外漫長。獵鷹重型還是獵鷹重型,但 2022 的世界已經跟 2019 大不相同了。

獵鷹九號(與其子型號)與獵鷹重型發射次數統計,可以看到比起馬不停蹄的獵鷹九號,獵鷹重型的發射是多麼稀少。來源:維基百科,2022.11.04 數據。

機密任務 USSF-44

回到正題,本次 USSF-44 任務的目標,是為美國太空軍發射機密軍事衛星,前往地球同步軌道。

發射直播回顧。

在上面的影片中,我們可以看到火箭發射的全過程。在轟轟烈烈地起飛後,火箭沿著預定軌道不斷加速。升空後約兩分三十秒,幾乎耗盡燃料兩根助推器率先脫離。而芯級在本次任務中則不進行回收,毫無保留地將所有燃料都用於運送衛星。約四分零三秒,芯級耗盡所有燃料並脫離,由第二節火箭負責繼續將衛星送入指定軌道。由於衛星的機密性,第二節直播就此切斷。直播聚焦於兩個助推器,如何自行返回陸上降落場,並最終成功降落。

本次任務的成功,不僅宣告著獵鷹重型的回歸,也是 SpaceX 第一次直接把衛星送進「地球同步軌道 GEO」,而非一般的「地球同步轉移軌道 GTO」(相關知識可以參考「衛星軌道萬花筒」系列圖文)。擁有將衛星直送 GEO 的能力,對火箭發射商來說意義相當重大。另一方面,雖然可憐的芯級被太空軍指定拋棄了,但兩側助推器的同框降落真的百看不厭。如果覺得這次發射霧太大景不好,不妨多看幾次 2018 首飛的剪輯吧!

還要再等三年嗎?獵鷹重型的未來

那麼,何時才能再次看到獵鷹重型轟然起飛呢?答案可能比你以為的要快。按現在的規畫,明年一月就應當要有兩場獵鷹重型的發射,分別是 ViaSat-3 與 USSF-67,都是 GEO 直送任務。但當然,這是火箭發射,再延宕個幾個月也是很正常的。

往更遠的看,未來五年獵鷹重型將發射的重要酬載包括:

  • 大型行星探測器:靈神星(Psyche,左圖)任務與歐羅巴快船(Europa clipper,右圖)。
圖/NASA/JPL-Caltech/Arizona State Univ./Space Systems Loral/Peter Rubin|N
  • 阿提密斯計畫:月球門戶建造(PPE 與 HALO 艙段)、VIPER 月球車、月球門戶補給(Dragon-XL)。
月球門戶太空站(左下)與 Dragon XL 無人貨船。圖/NASA
南希.葛莉絲.羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope。圖/NASA (WFIRST Project and Dominic Benford)
  • 太空軍機密衛星與同步通訊、氣象衛星若干。

相信這些名字對太空迷讀者來說都是如雷貫耳。可見獵鷹重型在美國近期多項重要太空計畫中,都是關鍵角色。接下來幾年,就讓我們拭目以待,一起見證獵鷹重型大展身手吧!

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俄軍使用了真空彈!什麼是溫壓武器?它的原理和可怕之處在哪?
Lea Tang
・2022/03/14 ・1688字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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根據烏克蘭政府及人權組織的報告,俄羅斯軍隊將集束炸彈和溫壓武器使用在對烏克蘭的戰事上——此項指控在 3/10 得到俄國國防部的承認(confirmed)

一種燃燒空氣的爆炸裝置

俄羅斯軍隊所使用的溫壓武器系統 TOS-1A,是俗稱「真空彈」的空投高功率真空炸彈。這類毀滅性的裝置通常以火箭發射或空投炸彈的形式部署,透過選擇不同的燃料——有毒金屬粉末或含有氧化劑之有機物質與炸藥共同施放。

彈藥發射後,空氣中的氧扮演助燃的角色,分散的燃料團於是成了一顆巨大火球。

對生物具有致命威脅

由於火球會在一瞬間用掉周遭所有的氧氣,真空彈的威力比傳統炸彈大,燃燒時間也更長。遇到真空彈攻擊時,幾乎沒有方法能夠自保——巨大的衝擊波能穿透任何未密封的遮蔽物,即使你位處地底下。

若是瞄準封閉空間投放真空彈,則會產生更為嚴重的後果。美國中央情報局(CIA)在 1990 年的一份報告中描述道:

那些靠近著火點的人會直接消失,至於爆炸邊緣的人則會受到嚴重的內傷,包括鼓膜和內耳器官碎裂、嚴重腦震盪、肺和內臟器官破裂,甚至可能失明。

使用溫壓武器的爭議性

溫壓武器最早由二戰時期的德國所研發。1960 年代,美軍在越南、阿富汗以及蘇聯在中國、車臣都曾使用過。雖然尚未有國際法明確禁止真空彈的使用,但根據日內瓦公約「禁止使用無法區分目標的無差別攻擊武器」以及國際人道法「禁止造成過度以及不必要的傷害」:

若是使用真空彈來攻擊建築區、學校或醫院的平民,根據 1899 年與 1907 年的海牙公約,你很有可能被判犯有戰爭罪。

區域內無差別攻擊

鑑於溫壓武器對建築物或掩體中防禦者的高度破壞性,它們主要被用於城市環境。但即使鎖定的是軍事設施或人員,在人口稠密的城市中使用溫壓武器,將波及爆炸範圍內的平民並造成大量傷亡。

過度殘忍的傷害

而儘管在特定狀態下,戰爭被賦予合法公正性,暴力也不得無限上綱。如果一種武器會延長士兵或平民的痛苦,並導致過度傷害,那麼該武器理論上是不被允許的。而溫壓武器顯然符合以上定義。

國際刑事法院檢察官卡里姆汗(Karim A.A. Khan QC)表示,他的法院將著手調查蒲亭對烏克蘭犯下的戰爭罪行。圖/ ICC

國際刑事法院展開調查

根據 1998 年《羅馬規約》,2002 年 7 月 1 日國際刑事法院於荷蘭海牙成立,職能是對犯有種族滅絕罪、危害人類罪、戰爭罪和侵略罪的個人追究刑事責任。因應立陶宛及 38 個成員國的要求,國際刑事法院(ICC)針對普亭對烏克蘭的非法入侵行動已積極展開調查。

俄羅斯於 2016 年退出國際刑事法院締約國,烏克蘭也不是締約國成員,但烏克蘭已經接受了國際刑事法院的管轄權,所以檢察官有權進行調查。英國外交大臣卓慧思(Liz Truss)在聲明中表示:

迫切需要國際刑事法院對俄羅斯的野蠻行徑進行調查,追究那些應為此負責的人。英國將與盟國密切合作,以確保正義伸張。

參考資料:

  1. What is a thermobaric or vacuum bomb?
  2. Ukraine war: Russia confirms it has used thermobaric weapons, says UK’s Ministry of Defence
  3. What are thermobaric weapons, and does Russia have them in Ukraine?
  4. What are thermobaric weapons? And why should they be banned?
  5. Statement of ICC Prosecutor, Karim A.A. Khan QC, on the Situation in Ukraine: Receipt of Referrals from 39 States Parties and the Opening of an Investigation
  6. UK leads call for ICC to investigate Russia’s war crimes
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Lea Tang
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徜徉在極北之海的浪漫主義者。 喜歡鯨豚、地科、文學和貓。

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各國意識抬頭,太空碎片帶來的災難有多嚴重?
黃 正中_96
・2022/02/22 ・2181字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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十年前(2011 年)美國國家科學委員會(NRC)發布了一份報告,對於環繞地球的碎片數量發出了警報[1]。當時根據美國太空總署的估計,碎片已達到「臨界點」,導致在軌道上的碎片,不斷碰撞並產生更多碎片,從而增加了人造衛星故障的風險。十年過去了,繞地球運行的碎片數量越來越多,甚至風險增加得更快;是否太空碎片數量的臨界點正在逼近?沒有人知道答案,但可能很快。

何謂太空碎片?

首先,我們先來談談什麼是太空碎片。

依據美國航空太空總署(NASA)定義,太空碎片泛指不提供有效服務,且繞行地球運行的人造物,如廢棄衛星、留在軌道上的火箭與其零件、大碎片相互碰撞後產生的小碎片,均可為之。而太空碎片最主要來源為火箭殘餘燃料爆炸而產生的碎片。

根據全球最完整追蹤太空碎片的系統——美國太空監視網絡(SSN),所登錄的太空碎片已超過一億個。

衛星送入軌道,依照能量守恆和動量守恆定律,飛行的速度必須達到每秒幾公里,才能繞著地球飛行;因此如果它在軌道上撞到任何太空碎片,比如廢棄衛星撞到一片油漆碎片,即使不是災難性的,也可能造成巨大的損失。

太空碎片造成的災難有多嚴重?

自 1957 年以來,人造衛星和火箭製造了越來越多軌道碎片物體,大小從幾微米到幾米不等。儘管已經達成了一些國際協議,限制碎片的增長速度,各國卻沒有嚴格的計劃來減少現有碎片的數量。

地球周圍的太空充斥著碎片。圖/歐洲太空總署

如今越來越多功用的人造衛星被發射進入地球周圍的低軌道,然而其所造成的碎片與衛星數量分佈超過太空碎片容量限制時,則可能發生理論失控的碰撞反應[2]

最近,美國太空新聞(Spacenews)報導,非洲的小國家盧安達(Rwanda)向國際電信聯盟(ITU)申請 327,230 顆衛星[3],加拿大的開普勒新創公司提出 115,000 顆衛星的超級大型太空網路系統,加上亞馬遜、OneWeb、SpaceX 和 Telesat 等公司已經在積極開發的系統,以及地球靜止軌道上的通訊衛星,這些衛星數量遠遠超過預期需求的容量,達到碰撞臨界點的極限風險;問題是國際電信聯盟沒有執法權,國際電信聯盟對軌道壅塞的規定為零。

2007 年中國反衛星計劃試驗所產生的的碎片擴散,以及 2009 年銥星(Iridium)與俄羅斯 Cosmos 的碰撞,讓人們意識到,並提高了積極管理碎片情況的緊迫性,努力採取緩解方法,並提出了許多減少太空碎片的技術。去年(2021)年底,中國的天宮太空站緊急啟動姿態控制,以規避靠近中的星鏈(Starlink)太空網路衛星潛在的碰撞危機。

空間碎片撞擊試驗:以輕氣槍射擊鋁板的方式,模擬一片 14.2 克的塑料,以 5.334 公里/秒的飛行速度在太空低軌道與鋁板碰撞的情況。圖/前 NASA 工程師 Megs H. 推特貼文

「凱斯勒效應」和連鎖反應

美國 NASA 科學家在 1978 年提出凱斯勒效應(Kessler Effect)理論,說明當太空碎片達到或超過容量限制時,由於碎片碰撞而失效的太空船數量將顯著增加。地球軌道上大大小小的物體,數量將變得非常大,它們會不斷相互碰撞,產生更多碎片——最後成為一種被稱為「碰撞級密度」的連鎖反應。緊隨其後,新產生的碎片將呈指數倍增,直到近地太空被各種大小垃圾堵塞。

一旦這樣的衛星碰撞災難發生,整個連鎖反應可能只需要幾天或幾週的時間,最後可能只有幾顆衛星完好無損。

若是繼續毫無限制地增加巨型衛星星系,可能會導致數十年,甚至更長時間的太空活動完全喪失。

太空碎片一旦超過臨界點,造成碰撞災難,無論是太空網路、衛星導航、通訊衛星、地球監控、氣象預報等等,大部分可能都將失去功能。科技帶給人們的便利,以及所建立的文明,將大幅衰減、倒退。

如何解決太空碎片的問題?

若是我們什麼都不做,可能會導致每年 5 兆美元的太空商業收入損失。重新開放太空將花費至少數千億美元,並且可能需要數十年才能實現。若是能想出補救措施,就能確保太空碎片不會帶來災難性的問題,但這就需要一個非常縝密的計劃,涉及幾個新的太空系統和數十億美元的投資。

美國、歐盟、澳洲和日本以及各國的太空機構都意識到太空碎片問題的嚴重性,相繼提出不同的補救措施,包括:建立太空碎片追蹤機制,由觀測站和天文台精確跟蹤、監控太空物體的軌跡,避免現役衛星與大型物體相撞;提出減少計劃,清除太空小碎片物體的數量;跨國協調衛星的太空交通,以維持安全的飛行路徑;在設計人造衛星時,規劃衛星壽命結束前的退場機制,讓衛星降低軌道返回地球,並且在大氣層燒掉。這些方法目前都正在陸續實驗、進行中。

最近有一個例子,在今年 2 月初所發射的星鏈 (Starlink)太空網路衛星,發射時正好受到太陽風暴衝擊,有 40 顆衛星被風暴摧毀,幸好當時這一批衛星有返回地球的機制,能夠重新進入大氣層並燃燒掉,順利地減少了一批太空垃圾。

註解

  1. Report says space debris past ‘tipping point,’ NASA needs to step up action
  2. Space debris
  3. Satellite operators criticize “extreme” megaconstellation filings
  4. Space Debris: Wall-E’s Future is Real
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黃 正中_96
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國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...