太空垃圾大掃除

滯留軌道，日夜奔跑，難以計數(shù)的太空垃圾與宇航員愛德華· 懷特的手套擁有相同的命運。它們時刻等待著重返大氣層的歸期。

在近地衛(wèi)星軌道上有一只在此飛行了43 年的手套，它原本屬于美國太空行走第一人——“雙子星座4 號”飛船的宇航員愛德華· 懷特（Edward White）中校。如果不是1965 年6 月3 日那天中校不小心將其遺失在太空中，此刻這只手套應(yīng)該躺在美國國家航空航天博物館里。這只極具紀(jì)念意義卻未能成為收藏品的手套，就像人類其他的航天副產(chǎn)品一樣，執(zhí)行完自己的任務(wù)，卻為其后數(shù)代的太空科學(xué)家們帶來了不小的困擾。

“垃圾”意味著報廢了的、沒有用的、會污染環(huán)境的東西。而與地球垃圾的最大不同，“太空垃圾”不但很難被清除，而且具有強大的攻擊性。

從愛德華· 懷特手中脫離、進入近地軌道的那個瞬間，這只手套便開始在強大地球磁場的作用下繞地旋轉(zhuǎn)，奔跑、呼嘯，時速達(dá)到2.8 萬千米。這么快的速度，如果迎面與人類航天器相撞，很容易就能穿透其外殼，打壞內(nèi)部的控制系統(tǒng)或有效載荷，甚至引起爆炸……

有殺傷力的當(dāng)然遠(yuǎn)不止這只手套，從望遠(yuǎn)鏡中觀察，距離地球600 至2000 千米高空中，環(huán)繞著一條由數(shù)千萬太空垃圾組成的危險地帶，它們占據(jù)了人類航天器工作的軌道。

科學(xué)家們用“軌道碎片”代表“太空垃圾”?？偟膩碚f，軌道碎片主要由三部分組成。一是已經(jīng)退役的包括衛(wèi)星、探測器等在內(nèi)空間飛行器，以及空間物體之間的碰撞產(chǎn)生的碎塊等；二是運載火箭的高級段，火箭的第1 級和第2 級在距離地球不高的地方分離，一般都能進入大氣層而焚毀，第3 級以上的高級段，包括完成任務(wù)的火箭箭體和衛(wèi)星本體、火箭的噴射物，長期逗留在太空，成為太空垃圾；三是航天員遺落在太空的物品。軌道碎片是空間環(huán)境的主要污染源。

因偶然因素爆裂而改變軌道的物體與其他物體相撞，撞擊出更多碎片，碎片彼此又碰撞，又產(chǎn)生出更多的小碎片。如此往復(fù)，除非落入大氣層被磨擦熱燒毀，否則，在沒有大氣摩擦的1000 千米以上高空，這些垃圾即使“粉身碎骨”也仍會繞地旋轉(zhuǎn)幾百年，甚至上千年。低于700 千米的報廢衛(wèi)星，在太空滯留的時間也至少超過5 年。

無數(shù)碎片像霰彈一樣射向正在服役的航天器，防不勝防，幾毫米大小就能損壞航天器外殼；直徑1 厘米的碎片碰撞衛(wèi)星時釋放的能量相當(dāng)于一顆手榴彈爆炸；幾厘米、十幾厘米就可以改變航天器的運行軌道了。在這些碎片的作用下，著名的“哈勃”望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)傷痕累累，外表遍布凹坑和劃痕，還有數(shù)百個深洞，這些傷痕中，說不定有愛德華這只手套的“功勞”。

為使新的航天器上天時避開太空垃圾，使正在服役的航天器免于被襲擊，美國、俄羅斯、歐洲、中國、日本等空間監(jiān)視網(wǎng)時刻監(jiān)視它們的行蹤。例如美國的太空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)由分布在全球25 個陸基雷達(dá)站點組成，包括夏威夷的毛伊島、佛羅里達(dá)的艾格林、格陵蘭的圖勒等，每個站點都擁有各種高性能的雷達(dá)和傳感器，如地基電光深太空監(jiān)視器就由同攝像機連接在一起的3 套深太空望遠(yuǎn)鏡組成。攝像機每天通過望遠(yuǎn)鏡拍攝深太空的景象，然后輸入高能計算機進行處理，通過景象對比等手段，監(jiān)視太空中的一舉一動。這套監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的功能十分強大，能夠發(fā)現(xiàn)在3 萬千米高空飛行的直徑只有10 厘米的物體。如果有物體可能進入到美國載人航天器幾千米的范圍之內(nèi)，監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)就向載人航天器發(fā)出報警，以便進行碰撞規(guī)避機動。在1986 至1997 年期間，美國的航天飛機進行了4 次這種規(guī)避機動。

監(jiān)測、躲避畢竟不是辦法，隨著報廢衛(wèi)星數(shù)量的逐漸增多，軌道碎片數(shù)量以每年2% 的速度遞增。太空適合航天器安全工作的空間越來越有限，這么下去，到2300 年，任何東西都別想進入太空軌道了。

人類總是聰明的，他們開始為航天器罩上保護屏。歐洲空間局委托德國不倫瑞克技術(shù)大學(xué)開發(fā)了一種叫“馬斯特”的模擬程序，用統(tǒng)計學(xué)的分析給出了碎片可能碰撞的速度、大小和方向。當(dāng)不可避免的軌道碎片與防護屏發(fā)生碰撞時，防護屏被擊碎，同時太空垃圾也被撞碎變成粉末，從而減弱對航天器的威脅。

俄羅斯國家航空系統(tǒng)科研所更進一步，把航天器防護屏幕做成了網(wǎng)狀，并在防護屏外涂了一層特殊材料。當(dāng)碎片與其發(fā)生碰撞時，碰撞產(chǎn)生的能量能與太空垃圾發(fā)生爆炸式的化學(xué)反應(yīng)，促進碎片變成粉末。

各國還在研究航天器新技術(shù)，如對于完成任務(wù)的火箭箭體采取轉(zhuǎn)移軌道的措施，使其返回大氣層燒毀，掉進“太平洋”；對完成使命的衛(wèi)星，讓其獲得逃逸速度，遠(yuǎn)離近地空間或轉(zhuǎn)移到對人類航天活動沒有影響的“墳場軌道”。

這些方法畢竟治標(biāo)不治本，最徹底的辦法是將太空垃圾全部回收。但所有回收方案都利弊兼有，仍在設(shè)想之中。

美國宇航局科學(xué)家尼古拉斯· 約翰遜（Nicholas Johnson）提了這樣一個方案：放一個直徑1 千米的聚氨酯球到地球近軌道，太空垃圾被它攔截就會改變軌道、失去能量，然后迅速回落地球。聚氨酯（Non-Expanding Recreational Foam）在現(xiàn)實生活中常被用來制作高爾夫球、網(wǎng)球或棒球球具，柔軟又安全。這個方案能處理大量碎片，效率很高，但實施技術(shù)卻是難題。因為一旦大球升空，人類就會知道，在太空控制它有多么困難，一旦輕飄飄的大球脫離軌道，說不定會釀成新的災(zāi)禍。

還有科學(xué)家想用激光干擾太空垃圾的運行軌道，把碎片拉到更低的高度，進而回落到地球上。但激光發(fā)射成本昂貴，發(fā)射一次解決一片“垃圾”，太不劃算。

國外正設(shè)計專門清理各種“太空垃圾”的“太空清潔車”，它是一種特殊飛船，在飛船外裝有一個網(wǎng)狀或機器觸角狀的特殊設(shè)備，從而完成拾取空間碎片的重任。這種飛船船體由特殊的金屬材料制成，它本身將不會因空間碎片撞擊而無法履職。

美國一公司最近開發(fā)出一種能讓報廢衛(wèi)星快速脫離近地軌道的新方法——“終結(jié)繩索”。它是一條長度為5 千米的細(xì)導(dǎo)線，被繞成線圈置于衛(wèi)星內(nèi)部。當(dāng)衛(wèi)星達(dá)到指定位置后，“終結(jié)繩索”會自動打開。在電離層和地球磁場的共同作用下，這條5 千米的導(dǎo)線上可產(chǎn)生出持續(xù)的電流。如此，地球磁場會對其產(chǎn)生一種向下的拉力，進而牽動衛(wèi)星逐漸下落，直到衛(wèi)星重返大氣層燒毀。據(jù)專家們測算，通過這種方法可非常簡便和廉價地加快衛(wèi)星從軌道上脫離的速度。比如，一顆距地面950 千米的衛(wèi)星，如果采用自由下落的方式，大約需要100 年的時間才會墜入大氣層，而采用“終結(jié)繩索”后，這一過程將會在18 天內(nèi)完成。這種方法目前已成功進行了數(shù)次失重條件下的試驗。不過，美國航天部門還未決定何時將它投入使用。

這些方案仍處在研發(fā)階段，一方面是因為相關(guān)技術(shù)尚未成熟；另一方面是因為“太空垃圾”問題像能源、環(huán)境等問題一樣，是公共問題的一種，任何一個國家都知道問題的嚴(yán)重性，但究竟該誰承擔(dān)回收這一責(zé)任？愛德華的手套還日夜在我們頭頂盤旋，數(shù)千萬垃圾還在一刻不停的奔跑，何時回歸？還需要各太空大國討論方能決定。

Tips：

誰在包圍地球：

注：每個點代表一個直徑大于4英寸（約10厘米）的人造物體。

●藍(lán)色- 空間飛行器：

漫步在地球軌道上有超過3100個空間飛行器，但其中三分之二以上都不再使用了。

●橙色－各種軌道碎片：

空間物體間的碰撞、火箭高級段以及航天遺落物#8943;#8943;一些碎片的尺寸大到足以通過技術(shù)手段進行跟蹤，這樣的碎片有近7000 個。

●紅色- 新碎片不斷產(chǎn)生：

近年，包括中國在內(nèi)的一些國家進行了老衛(wèi)星的摧毀試驗，這樣的試驗有可能一次性產(chǎn)生數(shù)百個新碎片。

激增的碎片:

1985 年9 月， 美國的一次反衛(wèi)星試驗摧毀了在555 千米軌道上運行的空軍太陽風(fēng)（Solwind）P78 － 1 科學(xué)衛(wèi)星，造成285 個新碎片。

1986 年11 月，一枚歐洲的阿麗亞娜火箭分解成近500塊碎片。

1996 年6 月，一枚廢棄的美國火箭爆炸。

2008 年2 月21 日，美國用反衛(wèi)星導(dǎo)彈打下了一顆報廢的衛(wèi)星。

數(shù)百個殘骸的誕生過程：

當(dāng)一次爆炸、碰撞或一次指向某顆衛(wèi)星的導(dǎo)彈打擊發(fā)生之后，它可能造成眾多碎片，并在持續(xù)相當(dāng)長的時期內(nèi)帶來連鎖反應(yīng)。

5 分鐘后：

在遠(yuǎn)離地面800 千米的軌道上，大量碎片以2.88 萬千米的時速高速飛行。

1 小時后：

一些碎片向距離地面更遠(yuǎn)的軌道擴散，其中的大多數(shù)將在這個位置滯留數(shù)十年。

1 天后：

碎片已經(jīng)在原軌道高度上散布得到處都是。

一個月后：

隨著時間的推移，因為持續(xù)不斷的相互碰撞，這些碎片將在繼續(xù)擴散的同時，越變越多。

清理太空垃圾的五種方案

今后該由誰來回收太空垃圾？這樣的問題還沒有提上議事日程，部分原因是還沒有一套切實可行的清理辦法。如果我們能找到一種既高效、節(jié)能，成本又不太高的方法，那么相信太空垃圾的增長趨勢將被遏制。以下的5 種方式都處在方案階段，離實施還很遙遠(yuǎn)。怎么說？拋磚引玉唄。

巨型聚氨酯球

聚氨酯球平常被用來制作高爾夫球、網(wǎng)球或棒球球具，柔軟安全。如果在近地軌道上垃圾最密集的地區(qū)放置一個直徑1 千米的聚氨酯球，它能夠攔截這一位置的碎片，并且失去速度，最后落回地球。

終結(jié)繩索

終結(jié)繩索是一種讓報廢衛(wèi)星或火箭高級段快速脫離近地軌道的方法。它是一條置于衛(wèi)星內(nèi)部，長度為5 千米的導(dǎo)線。當(dāng)它打開后，通過產(chǎn)生持續(xù)的電流，使衛(wèi)星（或火箭高級段）在地球磁場的拉力下逐漸下落。

太空清潔車

太空清潔車是一種特殊的飛船，船體由特殊的金屬材料制成，能夠抗擊各種碎片的撞擊。在飛船外裝有一個網(wǎng)狀或機器觸角狀的特殊設(shè)備，能夠自動地完成拾取空間碎片和報廢衛(wèi)星的重任。

航天飛機回收

即將退役的航天飛機仍然能派上用場。包括美國、俄羅斯、歐洲、中國和日本在內(nèi)的國家和地區(qū)，目前時刻監(jiān)視著各種碎片的行蹤。今后可以派出航天飛機，加裝自動臂，在軌道上收集這些垃圾，特別是報廢衛(wèi)星。

激光掃帚

地面控制人員能探測直徑10 厘米以上的太空物體，及早發(fā)出警報讓太空站閃避。激光掃帚則針對直徑在1 ～ 10 厘米的“中型垃圾”。它利用激光脈沖鎖定太空垃圾，減慢其速度，然后把它掃出太空站的軌道范圍。