空間碎片：亦遠(yuǎn)亦近的太空垃圾

為解決垃圾圍城問題，2019年7月1日起，《上海市生活垃圾管理?xiàng)l例》正式實(shí)施，垃圾分類進(jìn)入強(qiáng)制時(shí)代。一時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)了許多段子，其中最有趣的一條是，上海市民每天都要經(jīng)受兩次來自老阿姨的靈魂拷問：“儂是啥垃圾？”

實(shí)際上，垃圾圍城的問題不僅存在于都市，在遙遠(yuǎn)的太空，也同樣存在著嚴(yán)重的環(huán)境問題。今天我們就來說一說太空環(huán)境的最大污染源——空間碎片。

那么什么是空間碎片呢？

聯(lián)合國和平利用外層空間委員會(huì)(UNCOPOUS)和機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)(IADC)對(duì)空間碎片的定義是：地球軌道上在軌運(yùn)行或再入大氣層的無功能的人造物體及其殘塊和組件。

空間碎片具體包括：完成任務(wù)的火箭箭體和衛(wèi)星本體、火箭的噴射物、在執(zhí)行航天任務(wù)過程中的拋棄物、空間物體之間碰撞產(chǎn)生的碎塊等。

換句話說：由人類的太空活動(dòng)產(chǎn)生，又對(duì)人類沒有功能的太空物體，都是空間碎片。

例如，1970年發(fā)射的我國第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”至今仍然在軌，但是隨著其功能失效，從定義上講，它早已是一個(gè)空間碎片。

再比如最近Spacex公司推動(dòng)的太空互聯(lián)網(wǎng)Starlink星鏈計(jì)劃，其首批60顆試驗(yàn)衛(wèi)星已經(jīng)通過獵鷹9號(hào)火箭成功發(fā)射，這些試驗(yàn)衛(wèi)星在其失效后，也將成為新的空間碎片。

starlink一箭60星的實(shí)測圖像 | 圖源：中科院空間目標(biāo)與碎片觀測研究中心

那么空間環(huán)境的現(xiàn)狀是怎樣的呢?

自1957年第一顆人造地球衛(wèi)星升空以來，截至2019年7月1日，人類共把8461顆航天器送入軌道，其中3432顆已經(jīng)隕落，5029顆航天器仍然在軌。然而，在這5029顆在軌運(yùn)行的航天器中，僅有1000多顆航天器仍然在正常工作，其余的都已經(jīng)喪失功能變成了空間碎片。在此期間，太空還發(fā)生了數(shù)百次的在軌航天器或火箭解體、爆炸和撞擊事件，產(chǎn)生了數(shù)量眾多的空間碎片。

空間碎片數(shù)量增長圖 | 圖源：NASA

這樣，在太空就形成了一個(gè)人為的外層空間環(huán)境——空間碎片環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前數(shù)億毫米級(jí)以上的空間碎片運(yùn)行在地球軌道空間，總質(zhì)量達(dá)到幾千噸。

空間碎片環(huán)境變化 | 圖源：NASA

空間碎片對(duì)在軌航天器的危害

太空中如此多的空間碎片，會(huì)對(duì)在軌航天器的安全運(yùn)行造成極大的威脅。目前，中國在軌航天器已達(dá)356顆，與空間碎片在100米以內(nèi)的近距離危險(xiǎn)交會(huì)，平均每年發(fā)生數(shù)十次。雖然大部分空間碎片的尺寸較小，但空間碎片運(yùn)行速度非?？?，平均速度是子彈的二十倍。因此，小尺寸空間碎片也具備極大的動(dòng)能，一旦撞上航天器，將造成災(zāi)難性的后果：厘米級(jí)以上空間碎片可以導(dǎo)致航天器徹底損壞，毫米級(jí)或微米級(jí)空間碎片可以導(dǎo)致航天器性能下降或功能失效。

美國航天飛機(jī)STS-7舷窗玻璃上的碎片撞擊坑 | 圖源：NASA

地球軌道空間不可承受之重

更為緊迫的是，隨著航天發(fā)射門檻的降低，空間碎片數(shù)量的增長還在不斷加快。在低地球軌道區(qū)域，厘米級(jí)空間碎片由2005年的30萬個(gè)增長到2015年的50萬個(gè)。

根據(jù)美國空間碎片研究專家Kessler的研究結(jié)果，按照目前的空間碎片增長速度估算，如果不采取任何措施， 70年后空間碎片數(shù)量將達(dá)到發(fā)生碎片鏈?zhǔn)阶矒粜?yīng)的臨界值，之后近地空間將徹底不可用。這就意味著我們的子孫后代將無法再繼續(xù)探索星空，因此聯(lián)合國、IADC、ESA等國際組織已陸續(xù)編寫了各項(xiàng)太空行為準(zhǔn)則，對(duì)各國的太空活動(dòng)進(jìn)行約束和規(guī)范，避免人為原因產(chǎn)生更多的碎片。

改善空間環(huán)境的技術(shù)手段有哪些？

那么如何通過技術(shù)手段改善空間環(huán)境，避免空間碎片損壞我們的衛(wèi)星和載人飛船、空間站呢？

第一種是被動(dòng)防護(hù)，即在航天器的表面采取防護(hù)措施，比如安裝防護(hù)板。

國際空間站碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖 | 圖源：NASA

第二種是主動(dòng)防護(hù)，即開展空間碎片的跟蹤觀測，通過軌道計(jì)算確定航天器與較大尺寸空間碎片的軌道，并計(jì)算航天器與碎片發(fā)生碰撞的概率，一旦碰撞概率到達(dá)預(yù)警值，就讓航天器進(jìn)行規(guī)避機(jī)動(dòng)。

第三種是開展主動(dòng)碎片移除，即發(fā)射專用的航天器，通過機(jī)械臂抓捕、飛網(wǎng)捕捉、太陽帆和激光移除等多種方式把較大尺寸的碎片清除。

e.deorbit 碎片主動(dòng)清除任務(wù)概念圖 | 圖源：ESA歐空局

e.deorbit 飛網(wǎng)捕捉碎片示意圖 | 圖源：ESA歐空局

第四種是空間碎片減緩，例如對(duì)地球低軌道上的碎片進(jìn)行降軌使其進(jìn)入大氣層燒毀，對(duì)地球同步軌道碎片使其升軌而進(jìn)入墳?zāi)管壍?，從而達(dá)到保護(hù)在軌航天器不受碎片撞擊或大幅降低撞擊風(fēng)險(xiǎn)的目的。

結(jié)束語

空間碎片在離我們數(shù)百甚至上萬公里的太空，但是空間環(huán)境的保護(hù)問題事關(guān)人類太空的發(fā)展，離我們每個(gè)人都很近。保護(hù)太空環(huán)境，給我們的子孫后代留下一個(gè)燦爛的星空，是我們?nèi)祟惖墓餐氊?zé)。

作者簡介

韋棟：中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)，中國科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片觀測研究中心助理研究員，研究領(lǐng)域:空間目標(biāo)軌道動(dòng)力學(xué)。

主編：毛瑞青

視頻制作：朱聽雷

編輯：王科超、高娜