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劃重點(diǎn)

★ 太空垃圾如果雪崩式增長(zhǎng)，會(huì)阻礙人類的星辰大海之路。

★ 太空垃圾的低成本高效清理，是我們面臨的一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。

“保羅和我利用助推器靠近了它，正在拴連結(jié)繩的時(shí)候，保羅的面罩上突然出現(xiàn)了一個(gè)洞……空氣從面罩中沖出來(lái)，他一下子就飛出去老遠(yuǎn)，我只好眼睜睜地看著他旋轉(zhuǎn)……在他的嘴角右側(cè)，有個(gè)一元硬幣大小的窟窿，正是這個(gè)洞使他顯出一張怪異的大嘴。不過(guò)他確實(shí)臉帶笑意，他肯定是在一瞬間失去了生命，那瞬間的微笑就凝固成為永恒。仿佛在昭示：生命是多么的脆弱?！?/p>

幸好，上面這起慘烈的太空事故，只是袁英培的小說(shuō)《太空神風(fēng)》中虛構(gòu)的情節(jié)。但如果我們不早點(diǎn)開(kāi)始應(yīng)對(duì)太空垃圾的威脅，這種場(chǎng)景只怕以后就會(huì)成真。

來(lái)自giphy

01

太空垃圾到底是誰(shuí)丟的？

太空垃圾又稱空間垃圾、空間碎片，是指太空中所有在軌的、廢棄的人造物體。大至衛(wèi)星解體造成的碎片，也包括火箭末級(jí)、棄置衛(wèi)星等廢棄的航天器；小到飛行器掉落的涂層、飛行器排出的液體固化形成的顆粒、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)未燃燒的固體顆粒等。

太空垃圾的來(lái)源多種多樣，包括人為散布、任務(wù)遺留、廢棄飛行器、反衛(wèi)星試驗(yàn)等。

比如，美國(guó)在20世紀(jì)60年代，曾將4億3000萬(wàn)根不到2厘米長(zhǎng)，還沒(méi)頭發(fā)絲粗的銅針，散布在軌道上形成云狀環(huán)，用來(lái)反射無(wú)線電信號(hào)，以便海外的美軍能更好地與本國(guó)聯(lián)系。這些銅針最終成了太空垃圾，直到現(xiàn)在仍有相當(dāng)數(shù)目殘留在軌道上。

還有一些太空垃圾，是反衛(wèi)星武器試驗(yàn)的后果。比如美國(guó)在1985年用導(dǎo)彈嘗試擊毀了一個(gè)衛(wèi)星，結(jié)果制造了上千顆大于1厘米的太空垃圾。所幸由于實(shí)驗(yàn)在較為低的軌道上進(jìn)行，大部分的碎片被重力牽引并在大氣層內(nèi)燃燒殆盡。

而俄羅斯在2021年11月15日也用一枚導(dǎo)彈，摧毀了一顆廢棄軍事偵察衛(wèi)星。這產(chǎn)生了上千顆可追蹤的碎片，并可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)十萬(wàn)塊較小的碎片。這些碎片將在軌道上停留數(shù)年甚至數(shù)十年，并且可能會(huì)威脅國(guó)際空間站上的航天員生命。

除了前面說(shuō)的那些比較“太空”的東西，現(xiàn)存的太空垃圾當(dāng)中也有一些更匪夷所思的玩意兒……

比如宇航員愛(ài)德華·懷特在艙外活動(dòng)時(shí)遺失的一只手套；邁克爾·科林斯在雙子星座10號(hào)任務(wù)期間遺失的攝影機(jī)；和平號(hào)空間站運(yùn)作15年間棄掉的垃圾袋、一個(gè)扳手和一支牙刷。

還有宇航員在維修國(guó)際空間站太陽(yáng)能電池板時(shí)，遺失了一對(duì)鉗子，在STS-126中一名太空人進(jìn)行艙外活動(dòng)時(shí)丟失了一個(gè)與公文包大小的工具包。

在STS-126中丟失的工具包（圖片正中）

02

太空垃圾為何如此致命？

可能有的朋友會(huì)奇怪，太空中這些垃圾，感覺(jué)比日常生活中的垃圾好像也高不到哪兒去啊？能有什么危害呢？無(wú)非就是看到大塊的垃圾躲開(kāi)，小渣渣直接無(wú)視就行了唄？

道理其實(shí)很簡(jiǎn)單，那就是速度，同樣是一顆子彈，別人用手扔給你 ，你很輕松就能接住，但如果是從槍膛里以數(shù)百米每秒的速度射向你，那就得出人命了，而太空垃圾的運(yùn)動(dòng)速度，遠(yuǎn)超槍彈。

太空垃圾之所以會(huì)對(duì)在軌航天器產(chǎn)生致命威脅，正是由于空間碎片的高速碰撞。相對(duì)地球來(lái)說(shuō)，太空垃圾本身的速度常超過(guò)7.5 km/s，而步槍的子彈速度只有大約1 km/s，太空垃圾有可能和空間飛行器發(fā)生對(duì)撞，最高速度可以高達(dá)15 km/s。別看一個(gè)大小在厘米尺度的空間碎片不起眼，但已足夠摧毀整顆衛(wèi)星。即使是毫米尺度的碎片，也有可能癱瘓衛(wèi)星。

美國(guó)航天飛機(jī)上的撞擊坑

俄羅斯和平號(hào)空間站上被太空垃圾破壞的太陽(yáng)能電池板

03?如何防范太空垃圾造成的意外？

人們提出了4種辦法，用于防范太空垃圾造成意外破壞。分別是監(jiān)測(cè)和預(yù)警、碰撞規(guī)避和防護(hù)、離軌和棄置策略以及主動(dòng)清除。

監(jiān)測(cè)和預(yù)警

對(duì)空間碎片保持監(jiān)測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行編目和碰撞預(yù)警是降低空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)的第一步。各個(gè)航天大國(guó)都建有空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，如美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(Space Surveillance Network)，既包括天基的衛(wèi)星平臺(tái)，也包括地面的雷達(dá)、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

美國(guó)兩代空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)“空間籬笆”。

左圖：部署在美國(guó)本土的第一代 ，右圖：部署在海外的第二代

碰撞規(guī)避和防護(hù)

碰撞規(guī)避和防護(hù)是通過(guò) “躲”和“防”的方式應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的太空垃圾碰撞威脅。當(dāng)在軌航天器與較大的空間碎片（大于10厘米）或其他物體存在較高的碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，通過(guò)變軌離開(kāi)碰撞軌道是最簡(jiǎn)單直接的規(guī)避方法。但以消耗燃料、損失其工作壽命為代價(jià)。從1999年部署至2020年9月，國(guó)際空間站為規(guī)避空間碎片共變軌28次，其中2020年1月至9月共執(zhí)行3次碰撞規(guī)避變軌。

對(duì)于更小的碎片，可以通過(guò)提升航天器自身防護(hù)水平以直接抵抗空間碎片的撞擊。

與常識(shí)相反，單純?cè)黾雍教炱魍鈿さ暮穸炔⒉皇歉咝У淖龇ǎ芏鄷r(shí)候采用的是Fred Whipple早在1947年針對(duì)空間微流星體提出的多層防護(hù)措施。Whipple提出微流星體在擊穿一塊厚度與自身尺度相當(dāng)?shù)牟牧虾髸?huì)因高溫而氣化和電離，因此只需在航天器外1英寸的距離上包裹一層約6—7 mm厚的材料，即可防護(hù)空間微流星體的撞擊。這一防護(hù)措施被稱為Whipple防護(hù)。目前，國(guó)際空間站和我國(guó)的天宮空間站，均裝有Whipple防護(hù)板。

左側(cè)為模擬只加厚倉(cāng)壁，而右側(cè)則為加上Whipple防護(hù)板的效果，圖片來(lái)自NASA

離軌和棄置

由于大氣阻力作用，低軌衛(wèi)星會(huì)在阻力作用下自然降低軌道。低軌衛(wèi)星在工作壽命結(jié)束后，如果25年內(nèi)可以再入大氣隕落，則不需要處置。如果軌道高度不太低，需要采取適當(dāng)?shù)碾x軌措施降低軌道，遵照25年內(nèi)隕落的建議。

對(duì)于地球靜止軌道衛(wèi)星，工作壽命結(jié)束后可以抬高軌道至“墳?zāi)管壍馈薄災(zāi)管壍揽梢员ＷC被棄置的衛(wèi)星不與正常的靜止軌道相交，確保靜止軌道工作衛(wèi)星的安全。除此以外，為了進(jìn)一步減緩空間碎片，減少不必要的解體事件，航天器或火箭體在棄置時(shí)需要耗盡內(nèi)部能源，包括：(1)排空或燃盡推進(jìn)劑；(2)電池放空電量；(3)釋放艙內(nèi)壓力。

主動(dòng)清除

對(duì)于近地空間越來(lái)越多的空間碎片，比較合適的處置方式是主動(dòng)將其清除。目前主動(dòng)清除尚在理論研究和實(shí)驗(yàn)階段，常見(jiàn)的方案包括附著后推離軌道、柔性網(wǎng)拖離軌道、激光燒蝕反推離軌等。

04

為了星辰大海，垃圾真的不能再增加了

目前編目在冊(cè)的空間碎片已超過(guò)2萬(wàn)個(gè)，而受觀測(cè)手段限制尚不能跟蹤到的厘米以下更小的碎片則超過(guò)1億。其實(shí)早在20世紀(jì)70年代就有科學(xué)家提出，衛(wèi)星等航天器因碰撞而解體，可能由此引發(fā)連鎖反應(yīng)。

NASA約翰遜航天中心軌道碎片項(xiàng)目辦公室統(tǒng)計(jì)的各類型較大碎片的數(shù)目

這就是大家所熟知的“凱斯勒效應(yīng)”(Kessler syndrome)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是除非大尺寸廢棄物體的數(shù)量顯著降低，否則隨著物體間隨機(jī)碰撞的發(fā)生，碰撞產(chǎn)生的碎片將成為新碎片的重要來(lái)源，發(fā)生類似原子彈爆炸的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，碰撞越來(lái)越多。太空垃圾逐漸包圍地球，使得新的航天發(fā)射無(wú)法進(jìn)行。

太空垃圾如果數(shù)量過(guò)多，超過(guò)了臨界密度，發(fā)生“凱斯勒效應(yīng)”，從而雪崩式增長(zhǎng)，將會(huì)阻礙人類的星辰大海之路。

為此，美國(guó)、歐洲、俄羅斯，還有我國(guó)都在發(fā)展太空垃圾主動(dòng)清除技術(shù)。太空垃圾的低成本高效清理，是我們面臨的一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。相信以后隨著人類太空活動(dòng)的增加，將會(huì)出現(xiàn)像小說(shuō)《太空神風(fēng)》以及動(dòng)漫《星空清理者》中的太空垃圾回收行業(yè)。

作者 | 周炳紅

中國(guó)航天科普大使，空間科學(xué)傳播專家工作室 副主任，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員

審核 | 劉 勇

中國(guó)航天科普大使，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員，博士生導(dǎo)師，美國(guó)新罕布什爾大學(xué)理學(xué)博士， 中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)理事，航天科技教育聯(lián)盟特約專家

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