怎樣清理太空垃圾

科學(xué)家估計，到2300年，任何航天器都無法安全進(jìn)入太空軌道了。清理太空垃圾成了迫在眉睫的事情。

神舟飛船承載了中國人的太空之夢，它是一個大國通向自由空間的必經(jīng)之路，但這條路太漫長艱辛，而且充滿偶然性。由于太空中的垃圾越來越多，成功發(fā)射宇宙飛船成了一件更加不可預(yù)期的事情。如何清理太空垃圾已經(jīng)迫在眉睫地擺在了世界各國面前。

太空肇事之罪魁禍?zhǔn)?/p>

“2003年近地天文學(xué)”國際會議上宣布的消息令人擔(dān)憂：目前在近地軌道上的太空垃圾已經(jīng)有大約30萬噸?？臻g碎片巨大的破壞力來自于它的速度，和航天器撞擊時的平均相對速度是10千米/秒，即36000千米/小時，撞擊時的動能十分驚人：一顆10克質(zhì)量的空間碎片撞擊航天器時，撞擊效果和時速百公里的汽車撞擊效果一樣，后果是災(zāi)難性的。2003年初在返航中解體墜毀的美國“哥倫比亞號”航天飛機(jī)出事的原因之一，可能就是被一塊微型隕石或太空垃圾擊中。

歷史上，類似的太空垃圾造成的“宇宙交通事故”并不少。1983年，美國航天飛機(jī)“挑戰(zhàn)者”號與一塊直徑0.2毫米的涂料剝離物相撞，導(dǎo)致舷窗被損，只好停止飛行。蘇聯(lián)的“禮炮-7”號軌道站也多次被此類“塵埃”損壞。1986年，“阿麗亞娜”號火箭進(jìn)入軌道之后不久便爆炸，成為564塊10厘米大小的殘骸和2300塊小碎片，這枚火箭的殘骸使兩顆日本通信衛(wèi)星“命赴黃泉”！1991年9月15日，美國發(fā)射的“發(fā)現(xiàn)者”號航天飛機(jī)差一點(diǎn)與蘇聯(lián)的火箭殘骸相撞，當(dāng)時“發(fā)現(xiàn)者”號與這個“不速之客”僅僅相距2.74千米，幸虧地球上的指揮系統(tǒng)及時發(fā)來警告信號，它才免于喪生。據(jù)計算，目前太空軌道上每個飛行物發(fā)生災(zāi)難性碰撞事件的幾率為3.7%，發(fā)生非災(zāi)難性撞擊事件的可能性為20%。以此計算，今后將每5～10年可能發(fā)生一次太空垃圾與航天器相撞事件，到2020年將達(dá)到2年一次。太空垃圾與衛(wèi)星相遇，即使不發(fā)生猛烈的碰撞，也會導(dǎo)致不可挽回的后果。因為衛(wèi)星是根據(jù)在失重環(huán)境里工作的條件設(shè)計的，大都很嬌嫩，經(jīng)不起哪怕是很微弱的一擊，特別是衛(wèi)星的太陽電池翼板，拋物面天線面積很大，更易受到垃圾的碰撞。

太空垃圾不僅給人造衛(wèi)星與空間站造成威脅，而且影響到了人類的日常生活，它在隕落時會對地面安全構(gòu)成威脅。據(jù)英國《泰晤士報》2007年報道，一架由智利飛往新西蘭的民航客機(jī)，在南太平洋上空險遭太空垃圾擊中。該太空垃圾是從一艘俄羅斯的廢棄太空船上脫落的，該太空船原預(yù)定12小時后墜落該地區(qū)。為此莫斯科向加拿大賠款600萬美元。

是誰在制造太空垃圾？

1957年10月4日，蘇聯(lián)成功發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星，揭開了人類太空時代的序幕，同時也為太空送去第一批垃圾。當(dāng)時，宇航員完成飛行任務(wù)，把衛(wèi)星的裝載艙、備用艙、儀器設(shè)備及其他遺棄物都留在衛(wèi)星軌道上。此后，隨著人類太空史上的一次次壯舉，太空垃圾與日俱增。其中包括被遺棄的宇宙飛船和失靈的衛(wèi)星、脫落的火箭外殼、太空艙碰撞和對接過程中產(chǎn)生的金屬碎片、螺帽和螺栓、丟落的工具、凍結(jié)的火箭燃料塊和航天員的排泄物等。

1965年，美國第一位太空行走者懷特在他第一次進(jìn)行太空行走時掉了一副備用手套。手套以時速1.75萬英里在太空飛行，成為有史以來最為危險的太空生活垃圾，直至它幾個月后在地球大氣層化為灰燼。從那時至今，宇航員已經(jīng)由于不小心而在環(huán)繞地球的太空軌道中丟下了近10萬件不同的太空垃圾。俄羅斯“和平”號空間站雖為人類太空探索作出了重大貢獻(xiàn)，但也在運(yùn)行過程中產(chǎn)生200多包垃圾。當(dāng)時宇航員的太空環(huán)保意識還沒有現(xiàn)在這么高，將它們直接丟棄到茫茫太空。

1994年，“飛馬座”無人火箭爆炸，瞬間化為30萬件直徑超過八分之一英寸的碎片。迄今為止，人類已向太空發(fā)射了5000多個航天器，它們當(dāng)中有的已返回地面回收了；有的已墜入大氣層隕滅了；有的飛離地球，一去不復(fù)返了；有的仍然在太空中繼續(xù)工作。但是，大部分停止工作的衛(wèi)星卻仍舊在軌道上運(yùn)行，依靠地球的引力很難把它們“拉”回來，就成為太空垃圾的主要來源了。從數(shù)量上說，固體火箭發(fā)動機(jī)的排氣在各類碎片中所占的比例最大。即使是發(fā)動機(jī)的正常工作也能產(chǎn)生大量(高達(dá)10的20次方量級)微米級的氧化鋁微粒和厘米級的殘渣。盡管過去10年中固體火箭發(fā)動機(jī)在太空中的應(yīng)用已呈下降趨勢，但由于現(xiàn)代重型衛(wèi)星需要使用更大(因而排氣更多)的火箭發(fā)動機(jī)。所以它們每年產(chǎn)生的碎片總量實際上仍在增加。

最近美國的科學(xué)家發(fā)出了警告：有5500噸大大小小的空間碎片已超過4000萬個太空垃圾圍困著地球！我們許多人都從我國第一宇航員楊利偉在飛行中拍攝到的美麗宇宙畫面中，看到了一些不停飛舞的黑色片狀物，那就是太空垃圾。過去的10年中，太空垃圾的數(shù)目以每年10%的速度遞增。今后航天活動日益頻繁，太空垃圾將繼續(xù)增加。即便人類不再在太空增加新的垃圾，太空垃圾的數(shù)量仍會不斷增加，因為太空垃圾相互碰撞后還會產(chǎn)生新的碎片?？茖W(xué)家預(yù)測，到2300年，任何航天器都無法安全進(jìn)入太空軌道了。

重獲潔凈無瑕的太空的N種方式

只有清除軌道上的大型物體才能避免未來航天的潛在威脅。可是治理空間環(huán)境比治理地面環(huán)境要困難得多，無論技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上，目前并沒有可行的方式來清除這些太空垃圾，人們似乎重復(fù)走上了與地球環(huán)境相同的“先污染，后治理”的老路。據(jù)了解，一個太空飛行器若在600千米的高空飛行，它將圍繞地球轉(zhuǎn)25～30年，如果它位于1000千米的高度，則可飛行到4001年，如果再高，它幾乎會成為永恒的物體。如今，太空中這種“長壽”垃圾越來越多，清除將是極其艱難的。

多年來，各國科研人員一直在積極探索解決太空垃圾的問題。除了呼吁人類提高太空環(huán)保意識外，宇航專家們提出了許多對策。

“金鐘罩鐵布衫” 早在1947年，美國科學(xué)家惠普耳就提出了保護(hù)航天器免受高速飛行的太空垃圾襲擊的方法。為了代替鑲嵌在航天器表面越來越厚的保護(hù)層，惠普耳建議在保護(hù)層前安裝一層防護(hù)屏，當(dāng)太空垃圾與防護(hù)屏發(fā)生碰撞時，防護(hù)屏被擊碎，同時太空垃圾也被撞碎變成粉末，從而解除了對航天器的威脅。2007年5月，國際空間站上的兩名俄羅斯宇航員經(jīng)過5個半小時的太空行走，為空間站安裝金屬遮蔽罩，減少太空垃圾對空間站的威脅。每個遮蔽罩重9千克，寬0.6米、長0.9米。防護(hù)屏的一個重要特點(diǎn)是在網(wǎng)狀的防護(hù)屏上還涂了一層特殊材料，當(dāng)太空碎片與其發(fā)生碰撞時，碰撞產(chǎn)生的能量使其與太空垃圾發(fā)生爆炸式的化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)了太空碎片變成粉末的過程。網(wǎng)狀防護(hù)屏還能使與其碰撞的太空碎片橫向面積增大，降低碰撞的強(qiáng)度。據(jù)估計，如果俄羅斯為空間站建造的設(shè)備完成防護(hù)升級，空間站被太空垃圾撞毀的風(fēng)險將從9%降至5%。

“自殺衛(wèi)星” 英國薩里大學(xué)的科學(xué)家們，最近就發(fā)明了“太空清道夫”衛(wèi)星。它的體積只有足球那么小，重量僅為5.9千克，配備四個小型攝影機(jī)。一旦偵察到太空垃圾，它便依附在垃圾上，然后將其推到大氣層。這時衛(wèi)星與垃圾都會被燒毀，同歸于盡。這類自殺式衛(wèi)星每個造價10萬英鎊。一旦這項技術(shù)發(fā)展成熟，薩里大學(xué)可能會與俄羅斯方面合作，利用俄境內(nèi)的宇航設(shè)施發(fā)射首批試驗性“太空清道夫”衛(wèi)星。美國科學(xué)家則設(shè)計出了一個名為“空間工友”的航天器，它由12只空間“垃圾箱”組成，將在地球同步軌道上運(yùn)行。當(dāng)太空中的廢棄衛(wèi)星或碎片飛過時，它由電腦控制的機(jī)械臂便會輕而易舉地抓住目標(biāo)，并放進(jìn)“垃圾箱”，然后將其分割切碎，使其墜入地球大氣層燃燒自毀。

“終結(jié)繩索” 據(jù)國外媒體報道，美國一家公司最近開發(fā)出了一種能夠讓報廢衛(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，被繞成一個線圈放置在衛(wèi)星內(nèi)部。當(dāng)衛(wèi)星達(dá)到指定位置后，“終結(jié)繩索”便會自動打開。在電離層和地球磁場的共同作用下，這條綿延達(dá)5千米的導(dǎo)線上可產(chǎn)生持續(xù)的電流。如此一來，地球磁場會對其產(chǎn)生一種向下的拉力，進(jìn)而牽動衛(wèi)星逐漸下落。這一過程將一直持續(xù)到衛(wèi)星重返大氣層并在那里完全燒毀。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。還有一種與“終結(jié)繩索”類似的設(shè)備，它是在衛(wèi)星上加上一個收集網(wǎng)，用一根5千米長的收集繩拖帶。當(dāng)衛(wèi)星達(dá)到指定位置后，就松開收集長繩。在地球磁場作用下，網(wǎng)袋垂向地球一側(cè)。在裝進(jìn)一定量的垃圾后，即墜入大氣燒毀。這樣，原來會繞地球飛行上百年的空間碎片，就能夠在十幾天內(nèi)消除掉。

“激光掃帚” 國際空間站美國航空航天局正在試驗一種“激光掃帚”，這一裝置的主要功能是將可能運(yùn)行在空間站軌道內(nèi)的直徑1至10厘米的太空垃圾掃除出軌道?！凹す鈷咧恪辨i定某個太空垃圾目標(biāo)后，將發(fā)出一束激光，照射在太空垃圾背離地球的一端，使之部分升華為氣體，就像噴氣式飛機(jī)的原理一樣，利用氣體的反作用力推動剩余部分太空垃圾朝地球的方向運(yùn)動，最終使其進(jìn)入大氣層，與大氣產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦而燃燒，達(dá)到將它清除出國際空間站軌道的目的。

“軌道康復(fù)者” 為了給燃料用盡的衛(wèi)星添加燃料或者對衛(wèi)星進(jìn)行維護(hù)維修，可以求助英國的“軌道康復(fù)者”和美國的“軌道快車”衛(wèi)星。它們是衛(wèi)星的拯救者，可使衛(wèi)星的服務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)時間延長10年左右，從而變相減少了太空垃圾的產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計，到2011年，80多顆在20世紀(jì)八九十年代發(fā)射的通信衛(wèi)星的壽命將要結(jié)束。它們會是軌道康復(fù)者的救助對象。到2015年將有超過100顆衛(wèi)星受到救助。

（作者單位：南京陸軍指揮學(xué)院）