空间碎片监测移除前沿技术与系统发展

空间碎片是人类航天活动产生的太空垃圾.随着航天活动的日益频繁,空间碎片数量快速增加,已经对人类空间资产安全构成了严重威胁,是全世界面临的重大挑战.开展空间碎片主动移除是国际社会的共识,是构建人类命运共同体的重要内容之一,对保障国家空间资产安全、维护国家安全和利益、确保国际外空事务主导地位和太空话语权、塑立航天大国责任和形象、引领高新科技创新发展、促进生成新兴太空经济和产业模式等具有十分重大的意义.本文深入分析了空间碎片环境现状及演化趋势,系统评述了空间碎片监测与移除研究国内外现状与发展趋势,梳理了涉及的关键技术和科学问题.围绕我国太空安全、空间事业可持续发展等重大需求,分析了我国空间碎片监测与移除存在的问题与差距.提出了空间碎片环境治理概念、技术体系构成和以空间碎片"精准监测、高效移除、有效防护"为技术核心,形成功能齐备、性能先进、高效率、低成本、常态化、商业化、国际化的空间碎片环境治理业务能力为目标的系统工程发展建议.     

碎片清理发动机概念探索

提出空间碎片发动机的新概念和一种空间碎片清理的新方式.空间碎片发动机立足于空间碎片清理工作,将捕获到的空间碎片通过机械方式分解后,使用球磨等物理方式将碎片粉碎到一定细度,并通过电子束充电使粉末带电.带电粉末在静电粉末加速器中加速后高速喷出,为空间碎片清理航天器进一步变轨提供动力.这些带电粉末将在太阳风及地球磁场的作用下飘离地球周围.一方面,该碎片发动机清理了地球周围的空间碎片,为人类可持续利用空间环境提供保障,另一方面,为航天器获得动力提供足够工质,延长了清理器在轨寿命和飞行距离,提高了单次发射的工作效能.此外,由于航天器不需要携带大量燃料,可持续的推进剂供应,也将为小行星探测和行星际航行提供更好的思路.     

太空[清洁工]

目前,地球周围的太空中,源于人类航天活动的火箭和卫星的残片总效已达百万。俄罗斯空间科学家阿托纳利·库辛也预计:如果轨道碎片继续每年以2%～5%这一令人忧虑的速度增长,那么到2030年,人类将不能向地球轨道发射任何东西,请出"太空清洁工"已刻不容缓。为此科学家们现已研究出两种方案。     

减少空间碎片中国在行动

在人类历史上的首次两颗完整卫星相撞事故,产生了为数不少的空间碎片,向全世界敲响了空间安全的警钟。     

空间微小碎片撞击对太阳电池表面损伤的评估方法

利用等离子体驱动微小碎片加速器, 开展空间微小碎片撞击对太阳电池表面损伤的地面模拟实验, 得到了微小碎片撞击对太阳电池表面损伤的平均表面损伤系数和撞击损伤方程, 并分别提出了利用平均表面损伤系数和撞击损伤方程评估空间微小碎片撞击对太阳电池表面损伤的评估方法. 结合master2005空间碎片分布模式计算得到的空间微小碎片分布规律, 采用这两种评估方法分别对800 km轨道高度航天器太阳电池遭受微小碎片撞击引起的表面损伤率进行了评估. 计算结果表明这两种方法能够相互验证, 并且发现空间微小碎片撞击对太阳电池的表面损伤主要由5~500 μm碎片撞击引起.     

等离子驱动微小碎片加速器机理及运行参数

毫米以下尺寸微小碎片在近地空间存在数量大, 对航天器暴露材料的长期累积侵蚀作用成为影响航天器寿命和可靠性的重要因素, 在航天器的空间环境适应性设计中必须予以考虑. 为了模拟研究空间微小碎片对航天器材料的撞击效应, 研制了等离子体驱动的微小碎片加速器. 本文对加速器的核心过程—— 等离子体的加速、压缩进而形成超高速等离子体射流的物理过程建立了物理模型, 并进行了计算以及与实验结果的对比分析, 揭示了加速过程的物理机制, 为加速器的优化设计提供了依据. 同时, 通过一系列实验研究, 确定了加速器运行的最佳工作参数, 并初步获得了加速器的加速能力范围.     

太空垃圾威胁着空间站建设

人类30多年的航天活动在太空中留下的『垃圾』会有碍载人航天飞行,拟议中作为科学研览基地的空间站的建设不能不对此采取措施。太空『垃圾』是失效的人造卫星、多级航天火箭的残骸以及其它碎片,其中地面可以观测到的最大者与一辆公共汽车相当,最小者与一只垒球相当,数量约7000—15000块,而且还以每年百分之二至五     

人类数字、时间和空间加工的关联性与独立性

数字、时间和空间的认知问题是人类认识世界时所面临的根本问题.人脑对这三者的加工均涉及数量的加工.对数字和时间加工来说,研究揭示出二者的加工具有内在联系,但时间加工可能涉及一些特异性的过程;对数字和空间加工来说,除了数字本身具有空间特性之外,二者还表现出了共同的加工特点,但同时也表现出了一定的分离;对时间和空间加工来说,研究发现时间表征也存在空间特点,并且二者的加工相互影响,尤其是人类在加工时间时无法避免无关空间信息的影响.当前有研究者指出,存在着多重数量系统负责数字、时间和空间的加工,也有研究者认为存在着共享的数量系统是这三者加工的基础.未来研究应注重系统地探讨数字、时间和空间的共同机制,探讨其他加工过程的相关性(如运算过程),以及探讨其他相似维度(如声音、亮度等)的加工等.     

"神舟三号"飞船的空间科学实验

20世纪开拓的"空间"领域,给人类带来了充满活力、充满希望的广阔的活动空间,今天的"空间"早已不是遥远的、虚无缥缈的"仙境",而是一个新的实实在在的资源:它为人类提供了高度资源、微重力资源、超高真空资源、无限的能源和物质资源.     

20世纪南极法尔兹半岛海豹数量变化及其影响因素

通过对采自南极乔治王岛法尔兹半岛地区的一根长为35.5 cm的海豹粪土沉积柱进行多方面的沉积学分析, 包括沉积物的岩性特征, 沉积物中Cu, Se, Zn等标型元素以及反映有机质含量的总有机碳(TOC)随深度的变化, 该沉积剖面自上而下可分为两个明显不同的沉积单元, 其中上部25.5 cm的沉积层明显受到海豹排泄物混入的影响, 底部10 cm主要为未受海豹活动影响的海相沉积. 同时恢复了该地区20世纪以来海豹数量的变化过程, 该变化主要受控于人为因素的影响. 在20世纪上半叶, 由于人类的大量捕杀, 该地区海豹数量持续低迷. 20世纪60年代以后由于南极地区捕杀海豹活动的禁止以及人类对南极生态系统的保护, 该地区海豹数量迅速恢复并在之后一直维持了较高的数量水平. 该地区20世纪以来海豹数量的显著变化表明了人类活动对南极生态系统的强烈影响, 对认识人与自然的关系及生态系统的保护有深刻的意义, 同时也为进一步研究南极地区生态系统的演化历史提供了高精度的信息载体.     

城市绿化与昆虫生态研究

树木是地球上数量最大、寿命最长的生物,是评价城市环境的首屈一指的特征.由于人口不断增长带来的天然森林面积的逐渐减小,世界上树木不断增多的地区集中在城市.这些树木为人类和昆虫所利用,在树木、昆虫和人类之间的相互作用是极其复杂的.鉴于改变植物的多样性、引进外来品种、污染环境和强制性绿化等,人类已使得被认为有害的昆虫的数量在不断增多,范围逐渐扩大.本文将介绍人类对城市树木昆虫的生态影响方面的研究状况.     

二氧化碳的时空变化规律与影响因素分析

利用大气本地站数据验证了2010～2015年温室气体观测卫星(Greenhouse Gases Observing SATellite, GOSAT)二氧化碳L4B浓度数据,分析了二氧化碳浓度时空分布及其变化特征,结合总初级生产力数据和人类二氧化碳排放数据,分析了二氧化碳空间特征变化的影响因素.结果表明:(1) GOSATL4B级数据与地面实测数据的相关系数均在0.95以上,具有较高的精度和稳定性.(2)二氧化碳在不同气压高度上空间分布特征差异较大,近地面二氧化碳浓度波动幅度最大且有明显的空间差异性特性,全球有4个高值中心,分别为东亚、西欧、美国东海岸,以及非洲中部地区;北半球近地面的二氧化碳浓度整体高于南半球,南半球的变化幅度相对较小且变化趋势与北半球相反.(3)研究期间二氧化碳浓度呈现明显增长趋势,二氧化碳浓度随季节变化规律明显.(4)东亚地区样区二氧化碳浓度的变化与初级生产力具有明显的负相关关系,充分证明了陆地生态系统重要的碳汇作用;而与人类活动导致的二氧化碳排放呈显著正相关,说明了人类活动是二氧化碳增加的重要因素.     

人类活动的孢粉指示体

过去人类活动的特征及其环境效应是全球变化研究的热点问题. 孢粉记录作为揭示过去人类活动对景观影响的代用指标, 有几个重要的特征: (1) 某些特有乔木花粉的减少; (2) 先锋树种花粉的繁盛; (3) 栽培作物和杂草花粉相伴生; (4) 花粉浓度和分异度的显著变化; (5) 喜氮植物和牧场杂草花粉的出现. 伴人植物(杂草和栽培作物)花粉是理想的人类活动指示体, 尤其是杂草花粉, 它反映了人类活动历史. 不同方式的人类活动产生不同的孢粉组合. 在森林区和草原区, 指示人类活动的花粉谱模式是不同的. 应用孢粉变化特征来研究人类活动时, 特别要强调高精度的时空分辨率. 因为高精度的空间分辨率不仅有助于反映植被景观的复杂性, 更重要的是能够清楚地揭示出人类活动对景观的干扰作用, 防止片面性; 高精度的时间分辨率能够精确地记录短时间尺度的植被变化, 避免遗漏人类活动事件. 重视孢粉学与其他多种指标的结合, 能更加准确地揭示景观的发展变化过程. 炭屑作为人类活动对植被扰动的代用指标, 其峰值的出现常伴随着乔木花粉的大量减少和伴人植物花粉的显著增加.     

青藏高原生态变化

青藏高原是全球平均海拔最高的自然地理单元.近几十年乃至上百年来,在气候变化和人类活动双重影响下,青藏高原生态系统的结构和功能以及重要物种的种群数量和结构均发生了深刻的变化.近几十年的研究表明:青藏高原植被返青期提前,生长期延长,覆盖度和生产力增加,碳汇功能增强,青藏高原植被总体趋于向好,局部变差.气候变化是高原生态系统变化的主控因子,气候变暖对青藏高原生态系统的影响是正面的,但这种影响仍存在时间和空间上的不平衡性,尤其是降水在时间和空间上的变化对干旱和半干旱地区植被产生较大影响,在干旱的年份叠加人类放牧活动等会导致这些区域,尤其是青藏高原西部地区植被产生严重的退化,但随着青藏高原生态安全屏障保护与建设工程的实施,高原生态系统退化的态势得到了进一步遏制,人类对高原特有珍稀植物资源,如虫草、雪莲和胡黄连的过度采收以及对野牦牛、藏羚羊和藏野驴的盗猎等现象得到近一步缓解,近期高原的野牦牛、藏羚羊和藏野驴的种群数量得到恢复.青藏高原的隆起不仅对本区而且对其毗邻地区的气候与环境都产生着深刻的影响,其生态系统对全球变化的响应与影响研究具有特殊重要的地位,今后迫切需要加强生态系统结构和功能变化的地面监测和遥感技术的应用,加大大型生态保护工程建设的实施力度,整体提高高原地区应对全球变化的能力.     

上海市进一步推进海洋经济发展的若干战略思考

纵观人类社会发展的历史,一个明显的轨迹就是沿着流水的边线,从大江大河的中上游地区走向下游及河口地区,从河口走向海岸带,从海洋走向全球.随着经济的高速增长,陆域资源、能源、空间的压力日益加剧,人类已将经济发展的重心逐渐移向海洋世界.     

科学没有冬天

严冬已至,然而世界各国的科学研究仍在如火如荼地进行着.欧洲和日本的空间探测活动在接连受挫后,终于迈出了可喜的一步;人类基因组"差异图"的绘制完成,无疑将大大促进对疾病和人类进化的研究……     

彗星撞击成功预演保卫地球

1994年7月,人类首次目睹彗星撞击行星的场面--一颗彗星的21块碎片连续轰击了木星,并在这颗太阳系最大行星的表面撕开了足足能放进一个地球的"巨大伤口".这一景象如噩梦般挥之不去,而人类也将"小天体撞击地球"视作21世纪面临的最大生存威胁.     

地球深部异常或为45亿年前月球形成大碰撞的遗迹

<正>月球是地球唯一的天然卫星,也是人类走向深空的第一站.月球的起源一直是地球和行星科学的重大科学问题.目前广为接受的月球起源理论为40多年前提出的“大碰撞”假说.该理论认为在太阳系形成早期,曾有一颗火星大小的行星胚胎(被称为“忒伊亚”)高速(约10 km/s)撞击了原始地球,溅射出了大量碎片,而月球便从碎片盘中聚合生长而成^[1,2].     

太空垃圾越来越多了，科学家怎么清理？

正基于2019年度国家技术发明奖二等奖项目"主动碎片清除微纳GNC系统技术",本文介绍了"空间碎片"的相关情况。"2021年3月10日,美国海洋大气管理局的NOAA-17气象卫星在其轨道上突然发生爆炸,爆炸后生成了16个"轨道碎片",这些碎片高速飞离卫星本体,但却又仍留在轨道上,将会对航天安全产生巨大威胁。实际上,这16个碎片就是新产生的16块太空垃圾。太空垃圾是近些年被提得越来越多的一个概念,指的是在绕地球轨道上运行,     

青藏高原高寒草地生态系统变化的归因分析

高寒草地生态系统是青藏高原主要生态系统类型之一,其结构和功能对全球变化敏感.过去几十年,随着气候变化与人类活动加剧,高寒草地生态系统结构和功能发生了巨大变化,然而其变化的自然及人为相对贡献率存在较大争议.本研究基于优化的模型差值法评估了1990～2013年青藏高原高寒草地变化的人为相对贡献率.研究结果表明,这一时期青藏高原高寒草地生产力显著增加,人类活动主导了草地生态系统净初级生产力的变化,人为相对贡献率达到74.0%,人类活动主导草地生产力增加的面积占比大于主导草地生产力减少的面积占比,青藏高原草地可能已由过度利用转变为适度保护,但其特征呈现复杂性. 2000年后人类活动影响急剧增强,表明同期实施的大型生态恢复工程可能增加了高寒草地生产力.空间结果表明,两个时期相比有36.7%的草地生产力变化由气候变化主导转为人类活动主导,其中主导草地生产力减少是增加的两倍以上.随着我国生态文明建设的不断推进,青藏高原高寒草地生态功能总体上开始呈恢复趋势,但人类活动主导草地生产力减少的区域也在增加,该区域可能已趋于人地关系发生转变的临界点.因此,退化草地的恢复与治理仍是青藏高原生态安全屏障建设的重要支点,青藏高原草地适应性管理已刻不容缓.