索隆

2021年11月15日，俄羅斯開展了一次反衛(wèi)星導彈試驗，將己方一顆廢棄衛(wèi)星擊碎。衛(wèi)星位于地球上空約480公里，服役近40年。這一舉動隨即引發(fā)美俄雙方激烈爭執(zhí)。俄國防部稱，“按照試驗時間和軌道參數(shù)，所產(chǎn)生的碎片未曾、也不會對空間站、航天器和太空活動構(gòu)成威脅。”美官員則稱，試驗產(chǎn)生的1500多個可追蹤碎片及更多不易發(fā)現(xiàn)的小碎片將在軌道上停留數(shù)年或更久，這會對包括國際空間站人造衛(wèi)星在內(nèi)的各類航天器安全造成影響。

不容忽視的是，廢棄的衛(wèi)星或衛(wèi)星解體以及與火箭殘骸碰撞等產(chǎn)生的碎片將帶來大量太空垃圾，這一問題由來已久且日漸凸顯。人類頭頂上方，就是浩瀚無邊的垃圾場，垃圾存量超過8000噸。

可以想象，各類航天器的運行就是在大大小小、飛速運動的垃圾間閃轉(zhuǎn)騰挪。在地球上，實行的是“誰污染、誰治理”的原則，但這一切在太空尚屬空白。迄今為止，從發(fā)射衛(wèi)星到清除垃圾，都缺少國際性公約以及法律法規(guī)的約束。

俄羅斯廢棄的衛(wèi)星名為Kosmos-1408，是一顆軍用偵察衛(wèi)星。國際空間站飛行在距地大約420公里的高度，較Kosmos的飛行高度低五六十公里。當Kosmos“粉身碎骨”后，碎片四散到更高或更低的離地高度。國際空間站每90分鐘繞地球一圈，這意味著每90分鐘空間站會靠近或通過碎片帶。空間站上有7名航天員，4名來自NASA（美國宇航局），2名來自俄羅斯，1名來自歐洲宇航局。在導彈發(fā)射后最初幾小時內(nèi)，7名航天員一度躲進美國太空探索技術公司的載人龍飛船和俄羅斯聯(lián)盟號宇宙飛船中。最壞的打算是，航天員們將乘坐這些“救生艇”逃離太空，回到地球。

一些衛(wèi)星處在不同的軌道上。早期照相偵察衛(wèi)星及用于探測低層大氣的科學衛(wèi)星處在離地400公里左右的高空，屬低軌道衛(wèi)星。絕大部分應用衛(wèi)星，包括氣象衛(wèi)星、對地觀測衛(wèi)星等的飛行高度都在700到1200公里之間。

處于不同軌道高度的空間碎片壽命也不同。如，高度在400公里以下的碎片，在四處游蕩的過程中，因為有一定大氣阻力，壽命衰減就會較快，幾個月就壽終正寢，進入大氣層，回地球“入土為安”。600公里高度的碎片軌道壽命為幾年，600公里至800公里為十幾年，800公里至1000公里為幾十年。如果是1000公里或2000公里高度以上的碎片，壽命則可長達百年乃至上千年。

越是衛(wèi)星密集的軌道，空間碎片的數(shù)量越多。高度在2000公里以下的近地球軌道LEO（軌道高度約為400-2000公里，絕大多數(shù)的對地觀測衛(wèi)星、測地衛(wèi)星、空間站以及一些新的通信衛(wèi)星系統(tǒng)都采用近地軌道）；20000公里左右的中地球軌道MEO（軌道高度為2000-36000公里之間，GPS、GLONASS都屬于此類軌道）；以及高度在36000公里左右的地球同步轉(zhuǎn)移軌道GEO（指近地點在1000公里以下、遠地點為地球同步軌道高度約36000公里的橢圓軌道）是空間碎片的密集運行區(qū)域。

說起太空垃圾，我們第一時間想到的可能就是那些從太空墜落的人造飛行物殘骸。但實際上，它涵蓋的范圍非常之廣。不光是廢棄的衛(wèi)星、報廢的火箭助推器，還有宇航員作業(yè)時留下的航天服、工具鏟、老虎鉗、相機、牙刷、鉛筆等。比如1982年蘇聯(lián)宇航員列勃捷夫在太空行走前，就不小心讓艙里的螺栓、墊圈還有一支鉛筆被吸出到太空，成為致命的垃圾。

不過，太空垃圾的主力軍是世界各國發(fā)射的運載火箭、衛(wèi)星等航天器。完成任務后，它們有的很快進入大氣層燒毀，有的則長久停留在軌道上，變成太空垃圾。

太空垃圾墜落產(chǎn)生的最大危害當屬著名的“宇宙954”事件。1978年1月24日，一顆蘇聯(lián)核動力衛(wèi)星回收時因失控從天而降，墜落到加拿大西北部地區(qū)。當時它攜帶30千克濃縮鈾核燃料，足以生產(chǎn)3枚核彈頭，被形容為從天而降的核災難。這些具有高放射性的碎片在18000平方英里的范圍內(nèi)散落，引發(fā)民眾的強烈恐慌。幸而并沒有危及人身安全，但加拿大還是花費1400萬美元清除污染，并獲得蘇聯(lián)賠償。

碎片家族有著個頭大小之分，根據(jù)歐洲航天局的最新預估，圍繞地球運行直徑大于10厘米的空間碎片有34000個，1厘米到10厘米的碎片數(shù)量約為90萬個，直徑在1毫米至1厘米之間的碎片有1.28億個。

如果你認為這些以厘米計算的碎片不足以構(gòu)成威脅的話，那你就大錯特錯了。美國宇航局估計，這些碎片大多數(shù)以每小時2萬公里的速度繞地球運動。這個速度相當于我們普通客機的70到80倍。它們就像馬路上隨意亂開的汽車一樣漂浮在太空軌道上。并且，如果不經(jīng)過追蹤，你無法知道它們什么時候會停住，何時會突然進行變線等。

由于它的相對速度較大，所以小到幾毫米的油漆斑點都足以給人造衛(wèi)星或者載人飛船造成致命損傷?？梢哉f，這些看似不起眼的碎片是宇宙交通事故最大的潛在“肇事者”。

自人類航天史發(fā)展以來，它們造成的事故已不在少數(shù)。1991年12月，俄羅斯的廢棄人造衛(wèi)星“宇宙1934”與飛船“宇宙926”釋放出的一大塊物體相撞，旋即發(fā)生爆炸。2013年3月，俄羅斯衛(wèi)星與一小塊中國衛(wèi)星被擊毀之后產(chǎn)生的碎片相撞，再次在太空中發(fā)生爆炸。

在科幻電影《地心引力》中，美航天飛機維修哈勃望遠鏡期間，因俄羅斯擊碎一顆俄方廢棄衛(wèi)星，導致大量空間碎片產(chǎn)生，將航天飛機及望遠鏡擊毀。通?？臻g碎片都以第一宇宙速度（7.9公里/秒）量級的速度運行，這相當于狙擊步槍子彈飛行速度的幾倍。一個直徑10厘米的太空垃圾就可以將航天器完全摧毀。一顆以第一宇宙速度運行的衛(wèi)星，被1厘米大小、以同樣速度運行的碎片撞擊，后果相當于衛(wèi)星受到一輛1噸重、以50公里/小時行駛的汽車撞擊，只能“以身殉職”。數(shù)毫米大小的太空垃圾就可能使航天器無法繼續(xù)工作。小于0.1毫米的碎片主要會引起航天器表面燒蝕和濺蝕，會使太陽能電池的效率降低。

2021年5月，在對國際空間站機械臂的一次常規(guī)檢查中，專家發(fā)現(xiàn)機械臂上有一個被微小碎片撞擊的小孔。但好在這是一次“幸運的撞擊”，并未影響機械臂的運行。

類似的事件并不罕見，隨著太空垃圾所占的軌道空間不斷擴大，碰撞發(fā)生的可能性也在不斷增加。早在1978年，美國宇航局科學家唐納德·凱斯勒就提出了一種理論假設。該假設認為當近地軌道的航天器密度達到一定程度時，它們會產(chǎn)生碰撞，形成碎片，進而形成更多碰撞，更多碎片……這樣下去，最壞的結(jié)果便是導致近地軌道被危險的太空垃圾所覆蓋。

如今，像Space X、One Web等衛(wèi)星運營商打著聯(lián)通全世界的旗號，在低地軌道布設小衛(wèi)星，此舉將增加衛(wèi)星碰撞的可能性，“這將是未來太空最大的危險”。2009年2月10日，在西伯利亞泰梅爾半島上空770公里的高度，美國銥衛(wèi)星公司的銥星33號和俄羅斯的宇宙2251衛(wèi)星發(fā)生碰撞，撞擊時的相對速度為11.6公里/秒，產(chǎn)生至少2000多片碎片。這是人類歷史上首次近地軌道人造衛(wèi)星碰撞事件。碰撞時，銥星仍處于工作狀態(tài)，俄國衛(wèi)星已廢棄多年。

馬斯克的Space X計劃于2027年前實現(xiàn)“星鏈”宏圖，部署共計12000顆低軌道衛(wèi)星，至今已有1700顆衛(wèi)星在軌運行。除此之外，馬斯克預計還將向低地軌道貢獻30000顆小衛(wèi)星。Space X的競爭對手波音、亞馬遜等近年來也在向聯(lián)邦通信委員會提交申請，預計向近地軌道發(fā)射總計35000顆商用衛(wèi)星。此外，One Web也將像Space X一樣，發(fā)射總計超過40000顆衛(wèi)星。2021年10月，非洲國家盧旺達宣布了更為瘋狂的發(fā)射計劃，將在未來發(fā)射320000顆小衛(wèi)星。

對于低地軌道衛(wèi)星發(fā)射來說，在哪里發(fā)射、發(fā)射多少顆并沒有一定之規(guī)，通常是各國先到先得，跑馬圈地。根據(jù)聯(lián)合國的外層空間物體指數(shù)，截至2021年9月，近地球軌道約有7500顆運行中的衛(wèi)星。

1978年，美國宇航局科學家唐納德·凱斯勒曾提出一種假設，當?shù)偷剀壍牢矬w密度足夠高時，物體間碰撞會產(chǎn)生碎片，碎片又會與其他物體碰撞，產(chǎn)生更多碎片。一系列連鎖反應后，最終，會導致衛(wèi)星軌道資源被碎片包圍，造成永久性破壞，以致無法開展太空活動。這被稱為“凱斯勒效應”。凱斯勒認為，目前業(yè)界已達成共識，碎片環(huán)境已達到臨界點，即便現(xiàn)在停止所有發(fā)射，碎片依然會繼續(xù)增加。至于凱斯勒效應，“它已經(jīng)開始了，雖然碰撞尚不劇烈，規(guī)模也還不大”。

亞倫·博利是英屬哥倫比亞大學的一名天文學家。他在2021年3月發(fā)表在《科學報告》上的一篇文章中提到，在近地球軌道上，已有超過12000個直徑10厘米及以上、可追蹤的碎片。如果統(tǒng)計直徑降至1厘米，碎片數(shù)目可能達上百萬個。諸如星鏈等低成本衛(wèi)星的普遍擴散進一步加劇了近地球軌道的環(huán)境壓力。博利還分析說，雖然Space X聲稱發(fā)射衛(wèi)星將在5到6年使用壽命結(jié)束時主動離軌，但離軌的整個過程需要6個月。如果其他公司也如此操作，這意味著數(shù)以千計的離軌衛(wèi)星將緩慢穿過同一個擁擠的空間，構(gòu)成碰撞風險。離軌的衛(wèi)星將被追蹤，以避免和碎片近距離交會。但能否真正避免“太空交通事故”，這取決于各個運營商間能否持續(xù)溝通與合作，目前這樣的合作是“臨時和自愿”的。

除了使太空更為擁擠，小衛(wèi)星的集聚還會對天文觀測造成影響。太陽光從航天器上反射，會使得天空可能變亮兩到三倍。由于衛(wèi)星大部分為鋁制，大量衛(wèi)星及碎片再入大氣還會帶來鋁在大氣中的沉積，火箭發(fā)射產(chǎn)生的黑碳、煙灰會使得氣候變暖，破壞臭氧層。當碎片落回地球，還有可能給人類帶來意外襲擊。

面對無處不在的空間碎片，主要航天國家和國際組織只能采取“惹不起，躲得起”的方式，對其重點航天器執(zhí)行碰撞預警和機動規(guī)避。截至2020年，國際空間站已執(zhí)行規(guī)避危險碎片操作28次，僅2020年就有3次。歐洲航天局平均每顆低軌衛(wèi)星每年需執(zhí)行兩次避碰操作。

實現(xiàn)規(guī)避和預警，就要建立對空間碎片的觀測和預報系統(tǒng)。2020年3月，美空軍新一代地面雷達系統(tǒng)——“太空籬笆”上線。這一雷達系統(tǒng)位于北太平洋馬紹爾群島屬地內(nèi)，可追蹤到近地軌道尺寸為1至10厘米間的20萬件太空垃圾。2017年，美國宇航局將一太空碎片感應器連接至國際空間站的實驗艙外部，用以探測在地面上難以查明的毫米級碎片。航天器進而通過調(diào)整發(fā)射時間，或在軌運行時長，改變與碎片碰頭時間或軌道高度，達到規(guī)避目的。

太空垃圾的問題愈發(fā)嚴峻，再不及時清理必將后患無窮。因此，全世界的航天界都在研制各種方法來清除回收太空碎片。

比如用高強度纖維編織的垃圾網(wǎng)攔截太空碎片；或是將太空垃圾送到更高的空間軌道等。有意思的是，這些點子的靈感有一些是從動物身上獲得的。

2017年8月，美國斯坦福大學的科學家就受壁虎啟發(fā)，研制出一種能抓住太空漂浮物體的機械抓手?，F(xiàn)實中，我們經(jīng)?？吹奖诨⒃趬Ρ凇⑻旎ò宓裙饣钠矫嫔涎杆倥佬?。這一項技能得益于它腳下布滿了細微的皮瓣和毛發(fā)等。這些物質(zhì)能使壁虎在跟任何表面完全接觸時，都會產(chǎn)生非常大的吸附力，使自身粘附在上面。利用類似的原理，研究者便研發(fā)出一塊仿壁虎材料，并將兩塊材料組合成一個抓手。

在實驗室、零重力環(huán)境下的測試表明，這種“壁虎抓手”不僅能抓取并操作重達370千克的大物體，也能抓取并操作質(zhì)量不到300克的小物件。這意味著，它能抓取不同形狀、大小以及材料的太空垃圾。 但為了保險起見，它仍在進行改進，并運往國際空間站進一步測試使用。

除了壁虎的構(gòu)造，科學家也參照了鳥類的飛翔特性。他們想到給太空垃圾插上“翅膀”，讓它們自己飛回地球。2010年3月，英國科學家就設計了一種“立方帆”，來對付較大體積的太空垃圾。在立方帆的內(nèi)部，安裝有一張折疊起來的聚合膜。當它發(fā)射到太空之后，這張膜就會張開，面積可達25平方米。當立方帆附近出現(xiàn)太空碎片時，地面人員就會發(fā)出指令，小型動力裝置就會開啟，靠近太空碎片進行“對接”工作，使立方帆自身與碎片結(jié)合為一體。

之后，立方帆會利用地球高空的稀薄空氣帶著報廢的衛(wèi)星“飛”離軌道。

雖說地球軌道上的空氣分子密度極低，但卻足以讓立方帆緩緩減速，降低軌道。這樣就能使太空垃圾在比較短的時間內(nèi)墜入大氣層自行燒毀。

值得一提的是，立方帆的投資大約100萬歐元左右。一旦研發(fā)成功，可以說是處理太空垃圾的方法中性價比最高的，大大降低了太空垃圾處理的成本。

此外，還有科學家提出向太空中發(fā)射3000米寬的“漁網(wǎng)”，企圖將太空垃圾撞離軌道。甚至有科學家想出將氣球送上太空，用一陣狂風將碎片吹得向大氣層猛沖。

2021年3月，一家日本衛(wèi)星服務公司研發(fā)的“終結(jié)碎片生命”衛(wèi)星由俄羅斯聯(lián)盟號火箭發(fā)射升空。這款“神器”的“殺手锏”在于其磁性系統(tǒng)，既能抓住平靜如水的物體，也能捕獲興風作浪的碎片。當將“兇手”捉拿歸案后，衛(wèi)星將和碎片重回大氣層，同歸于盡。

2025年，歐洲航天局還將聯(lián)手一家瑞士初創(chuàng)公司，啟動首個清除過往太空垃圾的任務。這次任務將啟用一個實驗性的四臂機器人，來捕獲2013年發(fā)射的織女星火箭留下的碎片。這塊太空垃圾位于距地球800公里的上空，重約100公斤。

除了清理碎片之外，航天界還應從源頭上控制垃圾。隨著空間飛行器的增多，地球同步衛(wèi)星軌道位置的分配問題也越發(fā)受人關注。因此，協(xié)同各國進行軌道位置的合理有效分配就顯得格外重要。它需要國際上進行協(xié)同合作，按需求和可能予以優(yōu)化空間軌道的安排等。

與此同時，國際組織初步訂立了相關的“太空交規(guī)”。比如對碎片進行編號，用定位進行全程跟蹤等規(guī)避碰撞。而在對待太空垃圾的問題上，我們國家也承擔起了一個大國的責任。

2000年，我國就啟動了“空間碎片行動計劃”，對太空垃圾進行監(jiān)控和主動處理。2015年，中國國家航天局空間碎片監(jiān)測與應用中心正式成立。同時，中國政府也利用先進技術盡可能減少空間碎片的產(chǎn)生。我國的航天科研人員就對在役長征系列運載火箭實施了末級鈍化處理。經(jīng)過鈍化處理，衛(wèi)星被撞后不會發(fā)生爆炸，從而避免產(chǎn)生更多的碎片。

2016年發(fā)射的“遨龍一號”裝載了一臺機械臂，能準確地抓住速度超高的碎片。它是世界上第一個主動的軌道碎片離軌清除試驗項目。

目前，對于太空垃圾的處置方式基本上是任其自生自滅。就處理空間碎片而言，最大問題是沒有國際上的公約加以約束。另一重隱憂還在于，如今開發(fā)的清除碎片“利器”都可用作反衛(wèi)星的武器。美國佐治亞理工學院國際事務學院副教授瑪麗埃爾·博洛維茨說，近年來，對航天器的在軌維修等操作都引發(fā)了軍事人員的極大興趣。這些快速發(fā)展的技術有著雙重用途，“有可能用于和平的太空活動，也可能用于太空戰(zhàn)爭”，“不能提前確定它們在哪一天將如何使用”。這樣的迷局需要外交談判和協(xié)商，以及國際層面的信任來解決。

1968年，美國生態(tài)學家加勒特·哈丁在《科學》雜志上提出“公地悲劇”的概念，指面對有限的資源，如果每個人只從自身短期利益出發(fā)，一切將變得不可持續(xù)。此時此刻，在人類頭頂上方，正在經(jīng)歷著一場太空公地悲劇。越來越多的衛(wèi)星涌入近地軌道，人們對此的態(tài)度總是寬容的：似乎總有空間，能再發(fā)射一次。

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