目前，地球正被由太空垃圾組成的“垃圾帶”包圍著。這個(gè)垃圾帶中飄浮的主要是一些損毀的衛(wèi)星碎片和廢棄的火箭助推器，它們?cè)谔罩酗w速運(yùn)行，不僅危及當(dāng)前的太空活動(dòng)，而且對(duì)未來(lái)的太空任務(wù)也有極大的危害。

太空垃圾是什么？

太空垃圾（又稱空間碎片）是指圍繞地球在近地軌道上運(yùn)行的無(wú)用人造物體，其中包含人造衛(wèi)星碎片、漆片、粉塵，隊(duì)及飛船殘骸、火箭廢棄物、航天員丟棄或遺落的物品等。

空間碎片的數(shù)量有多少？

截至目前，人類進(jìn)行的4900多次太空發(fā)射任務(wù)使地球被教百萬(wàn)個(gè)太空物體包圍，其中正在服役的航天器只占很小一部分，其余94%的物體都屬于太空垃圾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如今太空垃圾已經(jīng)超過(guò)4500噸。在地球軌道附近可被跟蹤到的直徑大干1O厘米的空間碎片數(shù)量已超過(guò)21000塊，估計(jì)直徑大于1厘米的空間碎片數(shù)量約有500 000塊，還有數(shù)隊(duì)千萬(wàn)計(jì)的直徑小于1厘米的油漆碎片。這些太空垃圾飛行速度極快，暗藏著巨大的殺傷力。

險(xiǎn)些相撞

距離小于8千米的衛(wèi)星和碎片，每天會(huì)有約1000次的“擦肩”。放到廣袤的宇宙中來(lái)看，這個(gè)距離很短，需要被注意。

空間碎片在哪里？

據(jù)統(tǒng)計(jì)，73%的空間碎片位于地球低軌道，即距地球表面2 000千米一300千米的軌道。因?yàn)椋谶@個(gè)區(qū)間內(nèi)既可以保證環(huán)繞地球的時(shí)間，又不脫離大氣層，所以絕大多數(shù)的人造衛(wèi)星都發(fā)射于此，當(dāng)它們被廢棄后，也就在此區(qū)間形成了大量的太空垃圾。

同樣，在同步衛(wèi)星工作的地球同步軌道上（軌道半徑約為36000千米），也有不少的空間碎片。高度介于以上兩個(gè)軌道之間的中軌道上，衛(wèi)星比較少，所隊(duì)碎片也比較少。

太空土立圾的危害

1957年，蘇聯(lián)發(fā)射了首顆進(jìn)入地球軌道的人造衛(wèi)星斯普特尼克1號(hào)，發(fā)射過(guò)程中脫落的火箭部件成為首件太空垃圾。自此之后，隨著航天活動(dòng)不斷增多，人類在太空留下了各式各樣的物體，而且太空垃圾的增長(zhǎng)速度逐年遞增，按照目前的碎片增長(zhǎng)速度估算，如果不采取任何措施，70年后碎片數(shù)量將達(dá)到凱斯勒效應(yīng)的臨界值。所有碎片連鎖式撞擊，最終會(huì)形成一團(tuán)包圍著地球的碎片云，任何試圖發(fā)射到碎片云范圍內(nèi)的航天器都會(huì)被摧毀，到那時(shí)近地空間將徹底不可用。

超級(jí)鏈接

凱斯勒效應(yīng)

凱斯勒效應(yīng)又叫碰撞緞聯(lián)效應(yīng)，是由美國(guó)科學(xué)家唐納德·K·凱斯勒于1978年提出的一種理論假設(shè)。該假設(shè)認(rèn)為當(dāng)近地軌道上運(yùn)行的物體密度達(dá)到一定程度時(shí)，這些物體在碰撞后產(chǎn)生的碎片能夠形成更多的新撞擊，形成級(jí)聯(lián)效應(yīng)。這也意味著近地軌道將被危險(xiǎn)的太空垃圾覆蓋。由于失去能夠安全運(yùn)行的軌道，在此后的教百年內(nèi)，太空探索將無(wú)法繼續(xù)。

在正常情況下，聲音在空氣中的傳播速度約為340米/秒。碎片在軌道上運(yùn)行時(shí)，巨大的地心引力能夠使其運(yùn)行速度至少是聲速的20倍。一塊質(zhì)量為10克的太空垃圾與人造衛(wèi)星相撞，衛(wèi)星會(huì)在瞬間被打穿或擊毀，其作用力相當(dāng)于兩輛時(shí)速100千米（汽車在高速公路上的行駛速度）的汽車相互碰撞。然而，美國(guó)國(guó)家航空航天局（ NASA）的科學(xué)家稱：“毫米級(jí)的空間碎片帶來(lái)的穿透風(fēng)險(xiǎn)最大，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)近地軌道上的大多數(shù)宇宙飛船產(chǎn)生高速?zèng)_擊。這些碎片最高時(shí)速可達(dá)48 000千米，比子彈快將近10倍?！睋?jù)美國(guó)科學(xué)家估計(jì)，一個(gè)10厘米直徑的鋁球太空垃圾的撞擊力量相當(dāng)于引爆7千克黃色炸藥（TNT），能夠令任何東西變成碎片。1983年6月，一塊直徑僅0.03厘米的漆片殘骸，就撞穿了挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)的5號(hào)舷窗。1986年，歐洲太空局的“阿麗亞娜”火箭進(jìn)入軌道之后不久便爆炸，形成了564塊約10厘米大小的殘骸和2 300塊小碎片。這些垃圾后來(lái)直接造成兩顆日本通信衛(wèi)星失靈。

為了研究太空中的微流星體和太空垃圾可能對(duì)航天器造成的危害，1984年4月，“挑戰(zhàn)者號(hào)”將圓柱形的“長(zhǎng)期暴露裝置”釋放到近地軌道，其用途之一是檢測(cè)微流星體和太空垃圾撞擊的影響。1990年1月，該裝置被回收。檢查發(fā)現(xiàn)，其表面僅肉眼可見(jiàn)的撞擊凹痕超過(guò)32 000個(gè)，最大凹痕直徑達(dá)0.5厘米。相當(dāng)于這個(gè)“長(zhǎng)期暴露裝置”每天要被撞擊15次，即每繞地球一周就被撞擊一次。

對(duì)于退役的衛(wèi)星，雖然人們可以利用最后一點(diǎn)兒燃料把它們送入處置軌道，然后在太陽(yáng)光壓和太陽(yáng)風(fēng)的作用下不斷提升軌道高度。但這種方法終究只是權(quán)宜之計(jì)，沒(méi)有真正減少太空垃圾，而且暫存的垃圾也不會(huì)靜止待在處置軌道上，而是受地球引力作用，以軌道速度繞地球運(yùn)行。運(yùn)行著的碎片，即使是最細(xì)小的，威力也遠(yuǎn)超一般人的想象。

太空垃圾的應(yīng)對(duì)之策

應(yīng)對(duì)太空垃圾主要可從四個(gè)方面著手，即減緩、防護(hù)、觀測(cè)預(yù)警和清除。

減緩就是在發(fā)射階段即考慮如何減少空間碎片的產(chǎn)生?？梢栽趶U棄火箭體脫落時(shí)，使用殘留燃料施加反向推力，以保證廢棄部分很快隕落或隕落過(guò)程中能夠燃燒完畢，此外還要盡量防止火箭體爆炸。

防護(hù)是指在航天器上加裝防護(hù)罩，發(fā)生碰撞時(shí)防止碎片對(duì)航天器產(chǎn)生破壞。但是防護(hù)措施會(huì)增加航天器的重量，也就是增加發(fā)射成本，擠占有效載荷空間，因而航天器的防護(hù)能力一般只針對(duì)1厘米以下的空間碎片。

觀測(cè)預(yù)警是指根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)編目中所有空間碎片兩兩計(jì)算相互交會(huì)的情況，對(duì)于進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的航天器實(shí)施變軌規(guī)避操作。

清除就是通過(guò)各種方法抓取空間碎片，然后將其拖入大氣層燒毀。但是，清除工作目前還在試驗(yàn)和研究階段，并沒(méi)有大面積應(yīng)用。

觀測(cè)與追蹤

這些飄浮在外太空的垃圾，成為各國(guó)航天機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。美國(guó)和歐洲航天大國(guó)都建立了先進(jìn)的太空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，我國(guó)也設(shè)立了國(guó)家碎片監(jiān)測(cè)中心，對(duì)太空垃圾進(jìn)行了嚴(yán)密的跟蹤，繪制了太空垃圾的空間地圖，并及時(shí)發(fā)布預(yù)警。這種為了防止碰撞而對(duì)地球附近的太空垃圾等物體進(jìn)行觀測(cè)的活動(dòng)被稱為空聞警戒。

目前，針對(duì)典型的太空垃圾，有兩種觀測(cè)方式：雷達(dá)觀測(cè)和光學(xué)觀測(cè)。

雷達(dá)觀測(cè)就是通過(guò)不同頻率的雷達(dá)信號(hào)來(lái)追蹤空間碎片。雷達(dá)觀測(cè)可以全時(shí)觀測(cè)，不受日夜交替的影響。

光學(xué)觀測(cè)是利用望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)進(jìn)行碎片觀測(cè)，觀測(cè)能力由望遠(yuǎn)鏡的口徑等因素決定。

繩網(wǎng)式碎片抓捕系統(tǒng)

英國(guó)科學(xué)家提出的“立方帆”是典型的繩網(wǎng)式碎片抓捕系統(tǒng)，它是一顆微小衛(wèi)星，內(nèi)部安裝有一張張開(kāi)面積可達(dá)25平方米的聚合膜。發(fā)射到太空之后，這張膜能夠張開(kāi)，包裹碎片進(jìn)入低軌，在大氣層中燃燒。目前，澳大利亞與歐美國(guó)家正在合作開(kāi)展此項(xiàng)研究。

激光清除

通過(guò)鎖定某個(gè)太空垃圾目標(biāo)，激光器將發(fā)出一束激光照射碎片的某個(gè)部分，使其氣化，然后利用氣體的反作用力推動(dòng)太空垃圾朝地球的方向運(yùn)動(dòng)，最終使其進(jìn)入大氣層燒毀。

空間碎片主動(dòng)清理飛行器

通過(guò)機(jī)械臂或攜帶多個(gè)獨(dú)立的捕獲模塊抓取廢棄衛(wèi)星和太空碎片，將它們帶到大氣層燒毀。我國(guó)的“遨龍一號(hào)”便是世界上第一個(gè)主動(dòng)的空間碎片離軌清除飛行器，也是中國(guó)航天人在世界航天領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的杰作。

太空魚(yú)叉

將魚(yú)叉發(fā)射刺入廢棄衛(wèi)星之類的大型垃圾后，利用其倒鉤即可將垃圾拖離原有軌道，或拖至大氣層燒毀。據(jù)悉，太空魚(yú)叉項(xiàng)目是歐洲太空局“清潔空間計(jì)劃”的一部分，該計(jì)劃將于2020年中期實(shí)施，首要任務(wù)就是移除已經(jīng)廢棄的迄今為止建造的最大的地球觀測(cè)衛(wèi)星——Envisat環(huán)境觀測(cè)衛(wèi)星。