科幻世界（2019年11月）

擋住月亮的六便士——太空垃圾那些事

文/喬小幫主

2019年7月1日，上海正式實(shí)施立法城市生活垃圾分類(lèi)，原因在于生活垃圾“給資源環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)較大壓力”。上海并非國(guó)內(nèi)第一個(gè)立法實(shí)施生活垃圾分類(lèi)的城市，也絕非最后一個(gè)，足見(jiàn)生活垃圾問(wèn)題的嚴(yán)重性。目前，全國(guó)有三分之一以上的城市有垃圾“圍城”的困擾。腳踏大地，仰望星空，在地球軌道上，還有無(wú)數(shù)的垃圾圍繞著我們不停地旋轉(zhuǎn)。這些太空垃圾距離我們太過(guò)遙遠(yuǎn)，所以鮮有關(guān)注。但它們也對(duì)太空環(huán)境和人類(lèi)太空活動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)極大壓力，甚至比生活垃圾危害更大。今天，就讓我們聊一聊太空垃圾的那些事。

垃圾圍星

1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星斯普特尼克1號(hào)起，地球軌道便不再寧?kù)o。迄今為止，世界各國(guó)一共執(zhí)行了超過(guò)5000次發(fā)射任務(wù)，發(fā)生了200余次在軌航天器或火箭載體爆炸/撞擊事故，產(chǎn)生的太空垃圾不可計(jì)數(shù)，盡管大部分已落入大氣層燃燒殆盡，但目前仍有數(shù)千噸圍繞地球飛行，而且每年還以2%～5%的速度遞增。

2009年，在軌的1.9萬(wàn)個(gè)大型物體中（含約4000顆人造衛(wèi)星），只有902顆是運(yùn)行中的人造衛(wèi)星，這意味著90%以上都是太空垃圾。據(jù)NASA統(tǒng)計(jì)，截至2019年1月，尺寸小于1厘米的微小碎片約有1.28億塊，介于1～10厘米之間的中型碎片約有90萬(wàn)塊，而大于10厘米的大型碎片則有3.4萬(wàn)塊之多。

從空間分布上來(lái)看，在低于2000千米的近地軌道，由于空氣阻力和地球引力擾動(dòng)較為明顯，存在大碎片的概率很低，大多數(shù)太空碎片是來(lái)自固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的塵埃、表面涂層脫落的碎片，以及核動(dòng)力衛(wèi)星的冷卻劑，等等。

在更高的軌道上，尺寸更大的太空垃圾較多，軌道衰變的時(shí)間也更長(zhǎng)。比如很多通信衛(wèi)星位于距地面3.6萬(wàn)千米、垂直于赤道的地球靜止軌道。盡管速度相對(duì)更低，但當(dāng)衛(wèi)星廢棄時(shí)，還是會(huì)占用地球同步軌道。

太空垃圾的分類(lèi)

按照目前熱門(mén)的城市垃圾分類(lèi)方法，太空垃圾統(tǒng)統(tǒng)屬于“有害垃圾”。而根據(jù)來(lái)源，太空垃圾主要分為以下幾類(lèi)。

1 反衛(wèi)星武器的“戰(zhàn)績(jī)”

20世紀(jì)中葉，美蘇爭(zhēng)霸，美國(guó)提出所謂的太空戰(zhàn)爭(zhēng)。在此背景下，蘇聯(lián)和美國(guó)進(jìn)行了多場(chǎng)太空站演練。在這期間，僅蘇聯(lián)就進(jìn)行過(guò)多次衛(wèi)星攔截、爆炸試驗(yàn)，給太空帶來(lái)數(shù)百塊大小不等的碎片。20世紀(jì)80年代，美國(guó)又重啟了該計(jì)劃。在1985年的一次試驗(yàn)中，摧毀了一顆在525千米高度運(yùn)行的1噸重的衛(wèi)星，產(chǎn)生了數(shù)千個(gè)大于1厘米的碎片。

比較大的事件還有：2008年2月20日，美國(guó)發(fā)射了一枚SM-3導(dǎo)彈，以摧毀一顆有缺陷的間諜衛(wèi)星，由此產(chǎn)生的碎片散落在近地點(diǎn)250千米或更低的軌道上。2019年3月27日，印度用地面導(dǎo)彈擊落了一顆近地軌道衛(wèi)星。隨后，美國(guó)空軍太空司令部表示，他們正在跟蹤由此產(chǎn)生的270塊碎片，但預(yù)計(jì)碎片的數(shù)量遠(yuǎn)不止于此。

2 宇航員丟失/丟棄的設(shè)備

宇航員在空間站工作時(shí)，由于沒(méi)有重力影響，物體全部處于漂浮狀態(tài)，稍有不慎就可能導(dǎo)致一些物體失去控制進(jìn)入太空之中。耶魯大學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)家愛(ài)德華·塔夫特在著作《想象信息》（Envisioning Information，1990）中指出，此類(lèi)太空垃圾包括：美國(guó)宇航員愛(ài)德·懷特在太空行走任務(wù)中丟失的一只手套，美國(guó)宇航員邁克爾·科林在雙子星10號(hào)飛船附近丟失的相機(jī)，國(guó)際空間站第一次航天飛機(jī)任務(wù)STS-88期間丟失的一條毛毯，蘇聯(lián)宇航員在和平號(hào)空間站使用期間丟棄的生活垃圾、一支扳手和一支牙刷，宇航員蘇妮塔·威廉姆斯在執(zhí)行前往國(guó)際空間站任務(wù)STS-116時(shí)丟失的相機(jī)，海德瑪莉·斯蒂法妮斯海恩-派珀在STS-126任務(wù)期間丟失的一個(gè)公文包大小的工具包。

3 已報(bào)廢的航天器

廢棄的航天器進(jìn)入大氣層燒毀是一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，距地面300千米的太空垃圾壽命約為1年，600千米時(shí)則為數(shù)十年，1000千米以上就能存續(xù)上百年，到了4000千米往上，太空垃圾可以存在上千年，甚至永久存在。

在軌時(shí)間最久的太空垃圾來(lái)自美國(guó)。1958年，美國(guó)將人類(lèi)第一顆太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的人造衛(wèi)星——前鋒1號(hào)（Vanguard Ⅰ）發(fā)射到中地球軌道，1964年，該衛(wèi)星停止發(fā)送信號(hào)，至今仍在那里漂浮。

另一個(gè)報(bào)廢的衛(wèi)星的例子，是二十世紀(jì)七八十年代蘇聯(lián)海洋雷達(dá)偵察衛(wèi)星RORSAT的遺骸。該衛(wèi)星被用來(lái)監(jiān)視美國(guó)核潛艇在各大洋上的行蹤，其BES-5核反應(yīng)堆是用鈉鉀合金的冷卻環(huán)路來(lái)回收冷卻的。當(dāng)衛(wèi)星壽命終止時(shí)，就產(chǎn)生了一些潛在問(wèn)題：一方面，在50年內(nèi)，冷卻劑有8%的概率會(huì)泄漏，泄漏后即會(huì)凍結(jié)成固體鈉鉀合金微粒，成為太空垃圾碎片；另一方面，數(shù)百年后衛(wèi)星墜入地球，也會(huì)造成核污染。

更近的還有2015年2月，美國(guó)空軍的一顆用于氣象研究的軍用衛(wèi)星DMSP-F13，由于電力系統(tǒng)溫度急劇上升而突然在軌道上爆炸，產(chǎn)生了至少149個(gè)碎片，預(yù)計(jì)將在軌道上殘留數(shù)十年。

可以肯定是，這類(lèi)事件還將持續(xù)發(fā)生。

貽害無(wú)窮

殘留于地球軌道上的太空垃圾如此之多，很難不擔(dān)心它們釀成更大的事故。

太空垃圾的飛行速度約為7.8千米/秒，如果與航天器撞擊，質(zhì)量輕的可能只是留下撞擊的凹痕；質(zhì)量重的則可能穿透航天器，造成部分系統(tǒng)失靈，甚至?xí)购教炱髅撥?。為了研究太空中的微流星體和垃圾碎片對(duì)航天器造成的傷害，1984年4月挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)將圓柱形“長(zhǎng)期暴露裝置”釋放到近地軌道，到1990年1月被回收后，其表面僅肉眼可見(jiàn)的撞擊凹痕就超過(guò)3.2萬(wàn)個(gè)，相當(dāng)于每天被撞擊15次。

對(duì)于太空垃圾的危害，美國(guó)科學(xué)家唐納德·凱斯勒曾于1978年提出理論假設(shè)，即凱斯勒現(xiàn)象或碰撞級(jí)聯(lián)效應(yīng)。該假設(shè)認(rèn)為，當(dāng)近地軌道運(yùn)轉(zhuǎn)物體的密度達(dá)到一定程度時(shí)，它們?cè)谂鲎埠螽a(chǎn)生的碎片能夠形成更多的新撞擊，形成級(jí)聯(lián)效應(yīng)，近地軌道將被危險(xiǎn)的太空垃圾所覆蓋，從而使得太空環(huán)境變得非常危險(xiǎn)，甚至在之后的數(shù)百年內(nèi)都無(wú)法進(jìn)行航天活動(dòng)。

此外，太空碎片進(jìn)入大氣層時(shí)會(huì)發(fā)生燃燒，但較大的碎片可能不會(huì)燒毀殆盡，殘余的部分落入地球，就會(huì)對(duì)地球上的生物造成致命威脅。特別是以核能為推動(dòng)力的航天器碎片，一旦墜入地球，后果將不堪設(shè)想。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2011年到2013年期間，每年都會(huì)有400塊左右超過(guò)10厘米的太空碎片墜入大氣層，其中大概有10%最終會(huì)墜入地球。

從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，太空垃圾對(duì)航天飛行器以及地球上的生命體均會(huì)造成威脅，讓我們來(lái)看一些觸目驚心的實(shí)例：

撞擊航天器

1983年，挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)被一塊0.2毫米的涂料碎片擊中，導(dǎo)致舷窗劃傷，只好提前返回地球。1986年，阿麗亞娜號(hào)火箭進(jìn)入軌道后不久便爆炸，其殘骸使兩顆日本通信衛(wèi)星“命喪黃泉”，甚至在28年后迫使國(guó)際空間站調(diào)整飛行軌跡，以避免與其中的一塊碎片相撞。而第一次重大衛(wèi)星碰撞事故更是凱斯勒現(xiàn)象的不幸應(yīng)驗(yàn)：2009年2月10日，兩顆衛(wèi)星（銥星33號(hào)和已經(jīng)退役的蘇聯(lián)宇宙2251號(hào)）相撞，相撞速度約為11.7千米/秒，僅僅4個(gè)月后，碰撞產(chǎn)生的太空碎片就已經(jīng)幾乎布滿(mǎn)大半個(gè)地球上空。

墜入地球

1978年，蘇聯(lián)的一顆核動(dòng)力衛(wèi)星因太空碎片的撞擊墜毀在加拿大，產(chǎn)生了嚴(yán)重的核污染，加拿大政府依照空間法索賠600萬(wàn)加元，經(jīng)過(guò)談判，蘇聯(lián)政府最終支付了300萬(wàn)加元。此次事件不僅致使多人死亡，而且在公眾中造成了巨大恐慌。次年，美國(guó)“太空實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃”的空間站墜入印度洋和澳大利亞西部海域，在這個(gè)過(guò)程中，導(dǎo)致澳大利亞珀斯附近的居民樓房玻璃被震碎。2003年的哥倫比亞號(hào)災(zāi)難中，爆炸后的航天器碎片到達(dá)地面，在美國(guó)得克薩斯州賽賓縣周?chē)?6千米的范圍內(nèi)，除了宇航員的遺體之外，還有超過(guò)8.3萬(wàn)件碎片被收回，其中的一塊十幾厘米的金屬支架在墜落過(guò)程中還砸爛了一家牙醫(yī)診所的屋頂。在此期間，NASA一再警告任何殘骸都可能含有有害化學(xué)品，人們不應(yīng)接觸，但一些當(dāng)?shù)鼐用襁€是無(wú)視警告，企圖在eBay上高價(jià)拍賣(mài)撿到的碎片。

當(dāng)然，不少文藝作品也表達(dá)了對(duì)太空垃圾問(wèn)題的關(guān)注?？苹妹苑浅Ｊ煜さ摹兜匦囊Α氛菍?duì)凱斯勒現(xiàn)象的絕佳演繹：一顆俄羅斯衛(wèi)星被導(dǎo)彈擊毀，碎片在地球軌道上以極高速度散開(kāi)并擊中其他衛(wèi)星，級(jí)聯(lián)效應(yīng)制造了新的碎片，最終釀成太空災(zāi)難。在電影《機(jī)器人總動(dòng)員》中，瓦力與伊娃乘坐飛船沖出地球時(shí)，必須鉆出厚厚的一層太空垃圾，細(xì)心的觀眾還會(huì)發(fā)現(xiàn)其中有斯普特尼克1號(hào)的身影。

電視劇、漫畫(huà)、音樂(lè)等方面的作品也對(duì)此均有涉及。1979年的美劇《打撈1》（Salvage 1）中有一位廢品回收商，成立了一家太空垃圾打撈公司；1999—2004年的日本漫畫(huà)《星空清理者》（PlanetES）講述了在不遠(yuǎn)的未來(lái)，太空垃圾泛濫成災(zāi)，嚴(yán)重危及太空站和航天船的安全，一群熱愛(ài)宇宙之人——帝人公司殘骸課的成員登場(chǎng)，負(fù)責(zé)收集和處理這些太空垃圾，這部漫畫(huà)2003年的動(dòng)畫(huà)版中還有對(duì)NASA軌道垃圾項(xiàng)目辦公室的采訪；2009年，美國(guó)組合Rhett & Link寫(xiě)了一首名為《太空垃圾》（Space Junk）的歌曲，歌詞的主角就是兩名負(fù)責(zé)清理廢棄衛(wèi)星和火箭殘骸的太空垃圾清理員。

太空垃圾，能拿你怎么辦？

俗話(huà)說(shuō)，兒行千里母擔(dān)憂(yōu)，把價(jià)值連城的航天器送到兇險(xiǎn)的地球軌道上，更是時(shí)刻牽掛它的安危。最容易想到的辦法，就是對(duì)它“臨行密密縫”，為它穿上屏蔽防護(hù)。這種方法對(duì)付0.1～1厘米的太空碎片還行，但防御更大的碎片撞擊就顯得力不從心了。而且它還會(huì)極大地增加航天器的制造成本和發(fā)射成本。

1 惹不起但躲得起

面對(duì)這些來(lái)勢(shì)洶洶的太空垃圾，脆弱不堪的航天器自然是惹不起，但總躲得起吧？如果能通過(guò)精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)和軌道計(jì)算，來(lái)提前預(yù)警，并讓航天器及時(shí)變軌來(lái)躲避碎片，難度倒不算很大。中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯等航天大國(guó)均已建立起了比較完善的監(jiān)視系統(tǒng)。

其中，地基監(jiān)測(cè)是基本方法，主要分為雷達(dá)監(jiān)測(cè)（利用調(diào)頻無(wú)線電波反射的原理）和光學(xué)監(jiān)測(cè)（利用望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)碎片進(jìn)行觀測(cè)），它們分別監(jiān)測(cè)低軌道和高軌道的太空碎片。盡管10厘米以下的碎片軌道穩(wěn)定性會(huì)降低，但地基監(jiān)測(cè)仍然能夠追蹤到1厘米以下的碎片。局限是，絕大多數(shù)碎片還是無(wú)法被追蹤。

另一種監(jiān)測(cè)方法就是太空監(jiān)測(cè)。美國(guó)在2002年就啟動(dòng)了“天基太空監(jiān)視衛(wèi)星”計(jì)劃，第一顆衛(wèi)星于2010年9月25日發(fā)射升空，2013年完全形成作戰(zhàn)能力。該系統(tǒng)包含1顆天基太空監(jiān)視（SBSS）衛(wèi)星和4顆地球同步軌道太空態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃（GSSAP）衛(wèi)星，對(duì)地球同步軌道目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，其中，SBSS衛(wèi)星在低軌掃描高軌，GSSAP則可對(duì)地球同步軌道目標(biāo)進(jìn)行巡視探測(cè)、特征描述。美國(guó)下一步還打算向3.6萬(wàn)千米的同步軌道上發(fā)射由4顆衛(wèi)星組成的星座，目標(biāo)是無(wú)死角、高精度地對(duì)地球同步軌道以下所有直徑超過(guò)1厘米的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和跟蹤，包括飛出大氣層的遠(yuǎn)程洲際導(dǎo)彈。

2 主動(dòng)進(jìn)擊才能海闊天空

隨著碎片數(shù)量越來(lái)越多，被動(dòng)防御顯然不是長(zhǎng)久之計(jì)，主動(dòng)清除才是扭轉(zhuǎn)碎片增長(zhǎng)的必要措施。

自我流放或自殺

當(dāng)運(yùn)行在高軌道的航天器出現(xiàn)故障或使用壽命到期時(shí)，通過(guò)遙控飛行器上的發(fā)動(dòng)機(jī)，讓它改變軌道，流放到“太空墳場(chǎng)”，即更高的無(wú)用軌道。我國(guó)的“風(fēng)云”系列通信衛(wèi)星就為此裝備了脫軌遙控系統(tǒng)。而低軌道運(yùn)行的航天器報(bào)廢后，最好的處理方式是通過(guò)地面遙控系統(tǒng)迫使其墜毀在無(wú)人區(qū)或海洋，比如世界上最重的兩顆衛(wèi)星——17噸重的美國(guó)康普頓射線望遠(yuǎn)鏡和100噸重的俄羅斯和平號(hào)空間站，在行將報(bào)廢之際，都是通過(guò)人空遙控的方式迫使其墜入南太平洋上的一個(gè)被稱(chēng)為“航天器墳場(chǎng)”的海域。但是，這也對(duì)墜落區(qū)域造成了污染。

外力清除

遙控清理飛行器。遙控飛行器捕獲太空碎片，然后將其集中送到“太空墳場(chǎng)”，或拖入大氣層燒毀。瑞典曾于2012年提出“太空清理一號(hào)”的設(shè)想，這是一顆猶如水母觸須一樣的衛(wèi)星，該計(jì)劃分為發(fā)射、接近目標(biāo)、捕獲目標(biāo)、進(jìn)入大氣層四個(gè)階段。2016年6月25日，我國(guó)長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭將遨龍一號(hào)空間碎片主動(dòng)清理飛行器發(fā)送入軌道，經(jīng)過(guò)實(shí)際操作試驗(yàn)，在太空環(huán)境下，遨龍一號(hào)的機(jī)械臂成功抓捕到了漂浮的空間碎片和小型廢棄衛(wèi)星。

薄膜/網(wǎng)。2016年，NASA投資研發(fā)一種膜式飛船，它采用特殊的二維薄膜材料制成，推進(jìn)劑以液體的形式儲(chǔ)存在兩片薄膜之間10微米的縫隙中。該航天器重量約為35克，展開(kāi)后約1平方米，可以包裹住太空垃圾，使其離開(kāi)軌道，拖入大氣層燒毀。2018年4月，英國(guó)薩里衛(wèi)星公司的研究項(xiàng)目“清理碎片”小衛(wèi)星（RemoveDebris）被送到國(guó)際空間站，同年9月16日進(jìn)行了第一次網(wǎng)捕試驗(yàn)。這顆冰箱大小的衛(wèi)星配備了1個(gè)小型魚(yú)叉式裝置、1個(gè)視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)和1個(gè)制動(dòng)帆。試驗(yàn)時(shí)，衛(wèi)星利用彈簧機(jī)構(gòu)將5米寬的網(wǎng)對(duì)著6米處的目標(biāo)物體彈出，捕獲目標(biāo)物體后，網(wǎng)會(huì)攥成一團(tuán)，并在未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)脫離原有軌道，最終墜入大氣層燒毀。

激光照射。從地球上發(fā)射激光對(duì)空間碎片進(jìn)行照射，產(chǎn)生阻力，使其減速，改變軌跡或墜入地球。2011年，NASA曾設(shè)想過(guò)用激光推動(dòng)太空碎片，使其偏離軌道，從而避免它們之間發(fā)生碰撞。其時(shí)，他們的研究表明，向一塊碎片發(fā)射激光束，可以產(chǎn)生1毫米/秒的推動(dòng)力?？苹么髱煱⑸た死嗽凇短焯玫膰娙分邢胂罅艘环N天基激光發(fā)射裝置——用裝備有高能量激光的太空堡壘掃蕩天空，用激光炮將所有垃圾氣化。但客觀來(lái)說(shuō)，這很難讓太空垃圾在大氣層中燃燒殆盡，而且激光能量也可能會(huì)將碎片進(jìn)一步擊碎，從而使問(wèn)題加劇。

科學(xué)家們還有很多清除太空垃圾的奇思妙想，不過(guò)原理都跟上面的差不多，到底哪些方法有效，還有待實(shí)踐證明。

如今，太空就像大航海時(shí)代的海洋一樣成為充滿(mǎn)機(jī)遇的樂(lè)土，SpaceX、藍(lán)色起源、維珍銀河等眾多私人航天公司也紛紛嶄露頭角，并計(jì)劃在未來(lái)數(shù)年內(nèi)發(fā)射數(shù)千顆小衛(wèi)星，地球軌道將變得愈加擁擠。由于小衛(wèi)星的壽命僅有15年左右，這無(wú)疑提高了太空垃圾產(chǎn)生的速度。而人類(lèi)尚未找到一個(gè)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都行之有效的清除太空垃圾的方案。因此，未來(lái)的太空環(huán)境會(huì)變得更加惡劣。NASA、ESA等機(jī)構(gòu)的分析指出：到2050年，僅低地球軌道區(qū)域10厘米以上的碎片數(shù)量就會(huì)超過(guò)5萬(wàn)個(gè)，2100年將超過(guò)10萬(wàn)個(gè)，衛(wèi)星碰撞數(shù)將增加6倍。人類(lèi)堵死自己的太空探索之路絕非危言聳聽(tīng)。

歸根結(jié)底，太空垃圾是利益之爭(zhēng)的產(chǎn)物。但從更大的尺度來(lái)看，人類(lèi)共同生活在地球之城，卻像無(wú)知的孩童一樣，肆無(wú)忌憚地制造著太空垃圾，污染與治理嚴(yán)重脫節(jié)。太空垃圾分類(lèi)比生活垃圾容易得多，它們就在那里，都是有害垃圾。太空垃圾的防御和治理卻絕非一家公司或一個(gè)國(guó)家之事，這是人類(lèi)共同的敵人，需要世界各國(guó)、各學(xué)科展開(kāi)廣泛合作，打破自身渺小的局限性，減少相關(guān)的太空試驗(yàn)，攜手研究清理之術(shù)，為子孫后代留下一個(gè)潔凈的太空，也為人類(lèi)留一扇探索宇宙的暢通無(wú)阻的大門(mén)。

【責(zé)任編輯：艾珂】