太空垃圾日益增多，我們該如何應對？（上）

太空垃圾電腦合成圖片

神舟十九號乘組已于2024年10月30日進入空間站。他們此行的重要任務之一就是繼續(xù)通過太空行走在艙外安裝空間站碎片防護裝置。此前的神舟十八號乘組曾在空間站艙外安裝過空間碎片防護裝置。

空間碎片也叫太空垃圾，它是指在地球軌道上運行的各種人造物體的碎片，目前太空垃圾不斷增多的問題正日益惡化，在今后還會變得越來越嚴重。

太空垃圾越多，就越容易發(fā)生相互碰撞，從而形成更多的碎片，甚至有可能出現(xiàn)多米諾骨牌現(xiàn)象。因此，它們會對在軌運行的航天器產生了越來越大的危害，包括威脅到航天員的生命安全。

01 太空垃圾的源頭

隨著航天技術的廣泛應用，航天器的發(fā)射數(shù)量越來越多，太空垃圾也相應增加了許多。例如，2024年10月19日，國際通信衛(wèi)星-33E在地球靜止軌道上發(fā)生了意外的解體事件，使地球同步軌道區(qū)域至少新增了500塊碎片。

據(jù)統(tǒng)計，目前約有至少3000噸以上的太空垃圾在繞地球飛奔，而且數(shù)量正以每年2%～5%的速度增加。其產生主要來自三個部分：

第一部分來自已經退役的各種人造地球衛(wèi)星等人造物體，以及人造物體之間、自然天體與人造物體之間碰撞產生的碎塊等。

第二部分來自運載火箭的末級。

第三部分來自航天員在太空活動時產生且并被扔到太空中的垃圾以及在太空行走時不慎遺落在太空的物品（如螺母、工具）。

其中，人造物體相撞所產生的破壞力還與相撞時的角度有關。例如，2009年2月10日，俄羅斯2251號衛(wèi)星與美國銥星33號衛(wèi)星就曾以11.64千米/秒的相對速度碰撞，產生了2201個能夠被監(jiān)測編目的太空垃圾。

美俄衛(wèi)星相撞的軌道交叉示意圖

根據(jù)太空垃圾尺寸的大小，國際上把太空垃圾一般分為三類：

①尺寸大于10厘米的為大碎片，現(xiàn)在大概有幾萬塊，它們可被監(jiān)測到；②尺寸介于1～10厘米之間的為小碎片，現(xiàn)大概有10多萬塊；③尺寸介于1毫米～1厘米之間的為微小碎片，現(xiàn)大概有幾十萬塊。尺寸不大于1毫米的碎片現(xiàn)在大概有幾億塊。

從空間分布來看，在中低軌道運行的航天器以及大碎片密度平均每立方千米有10個左右。由于它們的速度極快，而破壞力與速度的平方成正比，即一個僅10克重的太空碎片的太空撞擊能量，不亞于一輛以每小時100千米速度行駛的小汽車所產生的撞擊能量，所以它所造成的事件是一種“低概率、高風險”事件。

低軌道上的太空垃圾在大氣阻力的影響下會逐漸隕落，從而重返大氣層燒毀。如果太空垃圾的軌道很高，就會存留很長時間。一般來說，距地300千米的太空飛行物壽命約為一年，600千米可飛行幾十年，1000千米以上的可飛行幾百年，4000千米以上的可飛行上千年，再高的碎片幾乎會一直在太空中。

02太空垃圾有很大的危害

太空垃圾對航天器正常運行的影響主要由航天器的在軌時間、被保護的面積、軌道高度和軌道傾角等因素決定，其中前三個因素是最主要的。

低軌道太空垃圾的飛行速度約為7.9千米/秒，如果撞擊到航天器表面，輕者會留下凹坑，重者會穿透航天器造成部分系統(tǒng)功能失效，甚至會產生災難性的后果，包括威脅到在艙外活動的航天員。

極小的太空垃圾由于數(shù)量多，所以會改變航天器的表面性能；稍大的太空垃圾能損壞航天器表面材料，造成撞擊坑，損傷表面器件；大的太空垃圾與航天器碰撞時，可使航天器的姿態(tài)發(fā)生變化，甚至改變航天器的軌道；超高速撞擊的太空垃圾會使自身及被撞擊的航天器表面材料氣化為等離子體云，導致航天器失效；當太空垃圾的能量足夠大時，能穿透航天器表面，打壞置于航天器內部的控制系統(tǒng)或有效載荷，使航天器發(fā)生爆炸或打散整個結構。

另外，當太空垃圾再入大氣層時，如果沒被完全燒毀，還會對地面的生命財產安全構成嚴重的威脅，尤其是以核能為動力的航天器隕落時后果特別嚴重。

比如，在20世紀70～80年代，蘇聯(lián)核動力衛(wèi)星就曾因失控墜毀在加拿大，從而產生巨大恐慌。美國“天空實驗室”空間站也曾因失控墜毀砸壞地面居民的房子。太空垃圾太多還會嚴重影響空間天文觀測，碎片撞到空間望遠鏡時會使鏡體遭到損壞。

遭太空垃圾撞擊的航天飛機窗戶

由于沙粒大小的太空垃圾所產生的沖擊與每小時160千米的保齡球相當，所以直徑在幾毫米以下的小的太空垃圾就能對運營中的航天器造成損壞。這種損害分為兩類，第一類是對航天器分系統(tǒng)表面的損害，第二類是對航天器運行的影響。比如，美國航天飛機的窗戶就曾遭受太空垃圾的撞擊。

太空垃圾已給“國際空間站”造成重創(chuàng)。例如，2016年，直徑幾微米的金屬碎屑在“國際空間站”舷窗留下了直徑7毫米的撞擊坑。2021年，一塊不在監(jiān)控范圍內的碎片擊中“國際空間站”的加拿大機械臂-2，使其外表保護層被撕裂，留下了一個直徑近10毫米的穿孔。2022年，停靠在“國際空間站”的俄羅斯聯(lián)盟號飛船外殼出現(xiàn)一個0.8毫米的小孔，導致44公斤冷卻劑泄漏。

為此，目前“國際空間站”有一套避撞程序，當有關設備監(jiān)測到有太空飛行物接近空間站并有可能發(fā)生碰撞時，這一程序就會指示空間站啟動發(fā)動機改變運行軌道，躲避碰撞。如果“國際空間站”來不及調整軌道，那么為了安全起見，航天員就要躲進飛船，以便隨時逃生。

載人航天，人命關天。為了保障空間站航天員的安全，我國也采取了相應措施。在10月29日舉行的神十九新聞發(fā)布會上，中國載人航天工程新聞發(fā)言人林西強就表示，針對空間碎片撞擊空間站可能造成泄露等威脅，不斷優(yōu)化應急處置方案，與空間站運行初期相比，航天員可用于應急處置的時間提高了5倍，空間站與航天員的安全性大幅提升。

03如何處理廢舊的航天器

人造地球衛(wèi)星、空間站等航天器在壽終正寢或中途夭折后，就變成了太空垃圾。它有可能影響其它在軌正常運行的航天器，所以妥善處理廢舊航天器很重要。

對于廢舊的航天器處理的方式有多種，要視具體情況而定，因為廢舊的航天器分可控和不可控2大類，而且即使是處理可控的廢舊航天器，也要根據(jù)軌道高低、航天器大小等采用不同方式。

當在地球靜止軌道運行的衛(wèi)星出現(xiàn)故障或壽命到期時，一般是通過遙控衛(wèi)星上的發(fā)動機進行變軌，使衛(wèi)星飛到更高的無用軌道，其目的之一是因為地球靜止軌道非常寶貴，且目前已星滿為患，所以必須讓廢舊的通信衛(wèi)星“騰地”；之二是廢舊的地球靜止軌道衛(wèi)星已成為太空垃圾，因此必須把它存放到一個安全位置，使它不要威脅其它的地球靜止軌道衛(wèi)星。

對于中軌道上的廢棄大型衛(wèi)星也是如此。但遙控廢棄衛(wèi)星變軌的前提條件是衛(wèi)星能夠受控，并有多余的燃料。

美國太空探索技術公司號稱其低軌“星鏈”衛(wèi)星都裝備了電推進系統(tǒng)，在壽命到期后能主動降低軌道以更快地再入大氣層，滿足25年內再入大氣層的規(guī)定。不過2019年9月2日，曾出現(xiàn)歐洲航天局的“風神”衛(wèi)星為避免與一顆“星鏈”衛(wèi)星相撞，而實施了一次機動避障的危險事件。

當在低軌道運行的小型航天器報廢時，一般不用管它們，因為受殘余大氣等影響，小型航天器會不斷降低軌道，最終再人大氣層是被燒毀。

當在低軌道運行的大型航天器報廢時，最佳處理方式是通過地面遙控使它墜毀在無人區(qū)，因為它在再入大氣層時不易完全燒毀。例如，世界最重的衛(wèi)星——美國“康普頓”γ射線望遠鏡（17噸）和上百噸的俄羅斯和平號空間站在壽命結束之后，都是通過人工控制墜毀到南太平洋一個被稱之為“航天器墳場”的地方。我國“天舟”系列、俄羅斯“進步”系列等貨運飛船等在完成任務后，也都是如此處理。

北京時間2024年11月17日21時25分，天舟七號貨運飛船受控再入大氣層。飛船的絕大部分器件在再入大氣層過程中燒蝕銷毀，少量殘骸落入南太平洋預定安全海域。

對于在低軌道運行且失控的大型航天器，目前還沒有成功的經驗。現(xiàn)有幾種方案：

一是用類似航天飛機的大型天地往返運輸器在軌回收，但成本太高，目前很少采用，而且航天飛機已退役。二是用反衛(wèi)星武器把大型航天器打碎，以便再入大氣層時燒毀，但由于打碎以后如果沒有再入大氣層，就容易形成大量太空垃圾，所以此方案爭議很大。三是通過精確跟蹤來確定大型航天器的墜落區(qū)域，以便提前疏散相關人員。

作者：龐之浩

全國空間探測首席科學傳播專家

責編：董小嫻

審核：劉鯤 李培元