[科普中國]-地球已經(jīng)被太空垃圾覆蓋了？

在不同的時代，人類總有不同的困擾。波瀾壯闊的航天時代也不例外，其中最讓人頭疼的莫過于太空垃圾。

是的，我們把繞地球飛行的無用處的人造物體統(tǒng)一叫做太空垃圾。

讓開！我密恐要犯了……

太空垃圾都是什么？

（1） 航天發(fā)射活動中拋棄的多余負重

幾乎所有的航天活動都依賴航天發(fā)射，在發(fā)射中隨著燃料的消耗，火箭會將多余的負重逐漸拋棄，比如火箭第一級、助推器、載人火箭的逃逸塔和整流罩，它們都會落回地球。Space-X賴以成名的火箭回收絕技就是針對第一級的。而火箭的第二級、上面級等殘骸和未燒完的燃料都將進入軌道，在發(fā)射的短短10分鐘后就將變成太空垃圾。

唉，這真是同箭不同命啊。

（2）壽終正寢的衛(wèi)星們

進入軌道的衛(wèi)星們也有著自己的壽命，最長的通訊衛(wèi)星也不過10-15年壽命，一旦壽命結束，就留在軌道成為太空垃圾，而且由于燃料使用完畢，會處于完全失控狀態(tài)。

（3）太空垃圾碰撞出的新太空垃圾

更恐怖的是，太空垃圾的產(chǎn)生是會逐漸加速的，它們彼此之間還會在軌道發(fā)生碰撞，可能比幾何級數(shù)增長更加夸張。

圖 銥星33和Cosmos 2251在碰撞前和碰撞后四個月的垃圾碎片分布圖

2009年2月10日，銥星系統(tǒng)第33星和俄羅斯Cosmos 2251兩顆衛(wèi)星發(fā)生了碰撞，在短短幾個月之內(nèi)，兩顆衛(wèi)星碰撞產(chǎn)生的垃圾幾乎覆蓋了它們曾經(jīng)所在的軌道，這些垃圾還有不斷碰撞的可能，情況非常不樂觀。

這讓我想起了古文《愚公移山》，“雖我之死，有子存焉；子又生孫，孫又生子；子又有子，子又有孫；子子孫孫無窮匱也”……可怕。

（4）可怕的導彈反衛(wèi)星實驗

不過，可怕的不只有太空垃圾的碰撞。同樣的道理，用導彈攻擊衛(wèi)星也是產(chǎn)生太空垃圾的一個重要原因。由于導彈會有目的性地在一個位置爆破，產(chǎn)生的影響要遠遠超過衛(wèi)星的碰撞。

目前只有蘇聯(lián)、美國和中國進行過導彈反衛(wèi)星實驗，每次實驗都是太空垃圾研究專家們的一場噩夢。

太空垃圾可能產(chǎn)生哪些危害？

圖 美國洲際導彈防御系統(tǒng)雷達網(wǎng)覆蓋圖

目前，監(jiān)測太空垃圾最大的信息庫來自美國的洲際導彈防御系統(tǒng)雷達網(wǎng)。

這些超大相控陣雷達（動輒像足球場那么大），最主要是為了防御曾經(jīng)來自蘇聯(lián)、古巴（導彈危機）的彈道導彈。冷戰(zhàn)之后，這個雷達網(wǎng)依然在發(fā)揮作用，現(xiàn)在多了一條軍民兩用的功能：監(jiān)控太空中的各種垃圾和衛(wèi)星。他們的信息是最權威的，而且都對外公開。

圖 太空垃圾增長速度圖，可以看出每次數(shù)量劇增基本都來自衛(wèi)星碰撞和反衛(wèi)星實驗

根據(jù)這些檢測數(shù)據(jù)，太空垃圾的現(xiàn)狀不容樂觀。

目前估計，繞地飛行的直徑小于1厘米的垃圾有1.7億個，1-10厘米直徑大小的垃圾則有67萬個，更大直徑的垃圾有2.9萬個。

更加恐怖的是，這些太空垃圾還在不斷發(fā)生撞擊，如果不加控制，數(shù)量會繼續(xù)瘋狂增長，它們帶來的影響是致命的。

要知道，絕大部分垃圾分布在低于500公里的近地軌道上，它們的飛行速度普遍在7000米/秒以上，是狙擊步槍子彈速度的7倍左右。在這種強大動能面前，一個最小的碎片和一個較大的衛(wèi)星造成的殺傷力都會很大。

值得慶幸的是，恰恰因為最多的（80%）太空垃圾分布在靠近地面的軌道，這里極其微弱的空氣阻力會將它們緩慢拖入地球大氣燒毀。

地球大氣是人類最后一道屏障，它燒掉了99%以上的星際塵埃、隕石和太空垃圾，保護了地球上億萬計生命的安全。迄今為止，地球上還從未發(fā)生過因太空垃圾墜落地球而直接傷人的事件。

然而，還有一些分布在更高軌道的太空垃圾，這些垃圾基本上就很難被銷毀了。

特別對于處在地球上空35786公里高的地球靜止軌道，這里聚集了人類幾乎所有的通訊衛(wèi)星，它們也產(chǎn)生了很多衛(wèi)星垃圾。由于這個高度實在太高，完全沒有空氣阻力的影響，這些太空垃圾一旦產(chǎn)生，恐怕千萬年后都不會消失。

而這條軌道又是唯一且最寶貴的軌道，因為只有它同時滿足了在赤道上空（0度軌道傾角）和35786公里的軌道高度兩個條件，能滿足與地球自轉(zhuǎn)相同的24小時軌道周期，實現(xiàn)同步/相對靜止。

這樣看來，這條軌道是不可替代的稀缺的軌道資源。因此全世界都在搶發(fā)這個軌道上的通訊衛(wèi)星以占住資源（國際原則是先發(fā)先占），但這條軌道目前已經(jīng)深受太空垃圾的影響。

圖 國際空間站的Cupola觀景臺和裂紋放大圖

2016年4月，一塊極小的太空垃圾碎片擊中了國際空間站上的Cupola對地觀景臺玻璃，造成了一個直徑7毫米的裂紋。在國際空間站20年的運行時間里，由太空垃圾造成的傷痕可謂時有發(fā)生，但這一次真是讓人捏了一把汗，因為誰也不知道，如果真出事的話，結局會如何。

由于近地軌道充斥著太空垃圾，人類發(fā)射最多的近地軌道/低軌衛(wèi)星也深受其害，雖然地面會每天更新信息，提醒有威脅的太空垃圾所處的位置，但為了規(guī)避它們，這些衛(wèi)星也是苦不堪言。為了躲避，這些衛(wèi)星不得不提前消耗寶貴的燃料，這直接影響了它們的壽命和科學數(shù)據(jù)。

圖 筆者研究的Swarm衛(wèi)星兩年內(nèi)經(jīng)歷了12次大的軌道機動，以防止兩顆衛(wèi)星彼此以及和太空垃圾相撞

隨著商業(yè)航天的發(fā)展，目前Planet labs、Space-X、OneWeb都提出了在幾年內(nèi)建立數(shù)千顆的商業(yè)衛(wèi)星組網(wǎng)方案，這些衛(wèi)星總數(shù)可以輕松超過人類過去60年來發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量的總和。

當然，這也會大大增加太空垃圾的數(shù)量，如果不加以控制而放任太空垃圾隨意增長，在可以想象的將來，地球?qū)⒈惶绽采w，恐怕任何發(fā)射的航天任務都將面臨重大威脅。

如何移除太空垃圾？

正因如此，目前有很多關于太空垃圾移除方式的研究。

（1）自然移除

太陽11年的活動周期是影響低軌太空垃圾的重要原因。當太陽活動很強時，它們更容易被空氣拖回地球銷毀，但這畢竟是自然條件，人類無法干涉。

（2）人為移除

人為方面，目前有專家提出了很多種方案。

比如，采用再一次航天發(fā)射的方式將一個乃至很多小型推進裝置安裝到廢棄的大型衛(wèi)星上，再將它們推回大氣銷毀；

也有采用安裝太陽反射帆的方式，讓太陽風將它們逐漸吹離軌道甚至吹入大氣。

還有一種更為有效且已經(jīng)被驗證的方案就是直接捕獲太空垃圾。

圖 STS-51-A任務的宇航員Dale Gardner抓住了Westar 6衛(wèi)星

1984年年初的航天飛機STS-41-B任務中，因為火箭的上面級沒有正常工作，美國西聯(lián)匯款公司（Western Union）的Westar 6和另一顆印尼訂購衛(wèi)星入軌失敗，成為太空垃圾。而在隨后11月的的STS-51-A任務中時，航天飛機在返回地球之前，飛到這兩顆衛(wèi)星附近，由宇航員使用載人機動系統(tǒng)飛到它們附近將它們抓住，最后裝入航天飛機送回地球。

后來Westar 6在檢修后賣給香港亞洲衛(wèi)星控股公司，成為大名鼎鼎的亞洲一號衛(wèi)星，由長征三號火箭發(fā)射，這也是我國火箭第一次進行國際商業(yè)航天發(fā)射。這就是最典型的變廢為寶了。

當然，還有更簡單的方案，就是采用“撒網(wǎng)捕魚”的方式將衛(wèi)星捕獲，但這種方式也是返回大氣銷毀，無法再次回收了。

不過，上述移除方法都只針對近地軌道的太空垃圾有效，而對高軌尤其是靜止軌道卻毫無辦法。因為它的高度實在太高，移除它們的造價和技術難度遠大于想象。但如果不移除，寶貴的地球靜止軌道資源（僅有一條）會被擠占，這更是無法接受的。

圖 目前太空垃圾全球分布圖，紅色的就是地球靜止軌道上的正常工作衛(wèi)星

（3）自我移除

目前，最好的解決方案是治本，換句話說，從一開始，就杜絕衛(wèi)星成為太空垃圾的可能。在衛(wèi)星和火箭設計時，就留有一定余量，讓它們攜帶足夠的燃料，在衛(wèi)星接近壽命終點時，采用最后的動力，全力以赴脫離寶貴的地球靜止軌道，滑入深空。這個方法也適用于近地軌道。

從理論上講，這種方案是性價比最高也最治本的方案，因此國際上一直在努力推動所有衛(wèi)星在發(fā)射時都留有動力的冗余設計。因為只有這樣，才會有人類航天可持續(xù)發(fā)展的未來。

最后，為大家附上所有工作狀態(tài)衛(wèi)星和太空垃圾監(jiān)測的可視化網(wǎng)站www.stuffin.space。