太空垃圾危機(jī)

陳繼革　牟　丹

1957年10月4日，蘇聯(lián)成功發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，揭開了人類空間時(shí)代的序幕，同時(shí)也為太空送去了第一批垃圾。當(dāng)時(shí)，飛行任務(wù)完成后，衛(wèi)星的裝載艙、備用艙、儀器設(shè)備及其他遺棄物都留在了衛(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。

什么是太空垃圾

太空垃圾即空間碎片。機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)(IADC)制定的《空間碎片減緩指南》中關(guān)于空間碎片的定義是“空間碎片，是指軌道上的或重返大氣層的無功能人造物體，包括其殘塊和組件?！比缤瓿扇蝿?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，因空間物體之間的碰撞產(chǎn)生的碎塊等，它們占用了越來越多的太空空間，是空間環(huán)境的主要污染源。

研究近地空間人為污染問題的兩個(gè)著名單位——美國(guó)航天局宇宙空間研究和空氣動(dòng)力學(xué)部、俄羅斯科學(xué)院天文學(xué)研究所的最重要的一項(xiàng)工作，就是把太空垃圾進(jìn)行級(jí)別分類。進(jìn)入其研究視野的有尺寸為10～30厘米的低軌(高度從200千米到2000千米)小目標(biāo)，還有尺寸約為1米的地球同步軌道(高度為35800千米)上的較大客體。他們把太空垃圾大體分為三類：第一類是用現(xiàn)代雷達(dá)能夠監(jiān)視和跟蹤的比較大的物體，主要有各種衛(wèi)星、衛(wèi)星保護(hù)罩、火箭推進(jìn)器等，這類垃圾目前估計(jì)有近萬個(gè)；第二類是體積小的物體，如發(fā)動(dòng)機(jī)等在空間爆炸時(shí)產(chǎn)生的碎片，其數(shù)量估計(jì)至少有幾百萬個(gè)；第三類是核動(dòng)力衛(wèi)星及其產(chǎn)生的放射性碎片，根據(jù)資料顯示，到現(xiàn)在，這類衛(wèi)星在地球軌道上產(chǎn)生的碎片顧及有3噸。

航天器相撞事件

2009年2月11日，美國(guó)航空航天局(NASA)和軍方證實(shí)，美國(guó)一顆為私營(yíng)公司所有的商用通信衛(wèi)星，與俄羅斯一顆已經(jīng)報(bào)廢的衛(wèi)星10日在西伯利亞上空相撞，這是太空中首次發(fā)生的完整的在軌衛(wèi)星相撞事件。此次撞擊事件被美國(guó)國(guó)防部空間監(jiān)視網(wǎng)觀測(cè)到。發(fā)生相撞的衛(wèi)星分別為美國(guó)銥衛(wèi)星公司的“銥33”衛(wèi)星和俄羅斯的“宇宙2251”軍用通信衛(wèi)星。前者重約560千克，于1997年發(fā)射；后者重約900千克，發(fā)射于1993年，之前已處于報(bào)廢狀態(tài)。美國(guó)專家估計(jì)，衛(wèi)星相撞將會(huì)產(chǎn)生至少數(shù)千個(gè)太空碎片。目前美國(guó)宇航局已監(jiān)測(cè)到衛(wèi)星相撞后產(chǎn)生的數(shù)十個(gè)較大碎片。這些碎片已分成了兩團(tuán)碎片云。

此前，人類曾通過軌道測(cè)算確認(rèn)過三起重大的太空垃圾與航天器相撞事件。

1991年12月底，俄羅斯一顆失效衛(wèi)星“宇宙1934”撞上了本國(guó)另一顆衛(wèi)星“宇宙926”釋放出來的大碎片，結(jié)果前者～分為二，后者零碎到無法跟蹤。

1996年7月，法國(guó)的“櫻桃”通信衛(wèi)星被多年前“阿麗亞娜”運(yùn)載火箭入軌時(shí)產(chǎn)生的一枚碎片擊中。當(dāng)時(shí)，該碎片以每小時(shí)3 1萬公里的速度與衛(wèi)星相撞，結(jié)果衛(wèi)星主體雖沒有受到損傷，卻導(dǎo)致一個(gè)觀測(cè)裝置受損，衛(wèi)星運(yùn)行超出正常范圍。

2005年1月17日，在太空中飛行了31年的美國(guó)“雷神”火箭廢棄物和此前中國(guó)發(fā)射的長(zhǎng)征四號(hào)火箭的殘骸，以每秒5.73公里的相對(duì)速度相撞。結(jié)果長(zhǎng)征四號(hào)火箭殘骸的近地點(diǎn)軌道下降了14公里，美國(guó)的火箭廢棄物一分為四。

50年來，空間碎片總數(shù)已經(jīng)超過4000萬個(gè)，總質(zhì)量已達(dá)數(shù)百萬千克。大于10厘米，地面望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)能觀測(cè)到的空間碎片平均每年增加200個(gè)，總數(shù)已經(jīng)超過18000個(gè)。

太空垃圾的治理

國(guó)際社會(huì)真正認(rèn)真地考慮太空垃圾這個(gè)問題還是在上個(gè)世紀(jì)80年代后期，那時(shí)近地軌道的“臟亂”狀態(tài)不僅對(duì)宇航員的生命和長(zhǎng)期運(yùn)行衛(wèi)星的安全，而且對(duì)地球人類都構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。從那時(shí)起，關(guān)于近地宇宙空間污染問題的現(xiàn)實(shí)性成為許多國(guó)際組織和聯(lián)合國(guó)“和平利用宇宙空間”會(huì)議的議題?？茖W(xué)家也把這些人造宇宙新事物列入天文學(xué)研究范疇。

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，可是治理空間環(huán)境比治理地面環(huán)境要困難得多。目前采取的措施主要有以下幾個(gè)。

依法治理目前涉及空間環(huán)境保護(hù)的法規(guī)在形式上是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或指南。第一個(gè)國(guó)際性的指南是機(jī)構(gòu)空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)制定的，于2002年取得會(huì)員國(guó)一致同意的《空間碎片減緩指南》。我國(guó)也已經(jīng)頒布了第一份控制空間碎片產(chǎn)生的航天業(yè)界行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《空間碎片減緩要求》的第一部分，這將使我國(guó)對(duì)空間碎片的控制法制化。

加強(qiáng)監(jiān)控建立太空垃圾跟蹤、監(jiān)視系統(tǒng)。在監(jiān)控太空垃圾的過程中，一個(gè)非常具體的步伐是冷戰(zhàn)時(shí)期，蘇美兩國(guó)軍人在為了完成導(dǎo)彈防御任務(wù)時(shí)邁出的。當(dāng)時(shí)，蘇美兩國(guó)分別建立了近地空間監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)裝備了遠(yuǎn)程雷達(dá)和一些光學(xué)儀器，這些光學(xué)儀器被用來發(fā)現(xiàn)、跟蹤并獲得太空客體坐標(biāo)信息和圖像，從而判斷它們的“身份”，以便分析太空安全形勢(shì)。對(duì)于太空垃圾帶來的巨大威脅，目前最好的防治方法就是及時(shí)掌握會(huì)與航天器發(fā)生碰撞的“垃圾”的走向，及時(shí)給航天器發(fā)出指令，從而避免兩者發(fā)生碰撞。

現(xiàn)在，由于宇宙空間利用者急劇增多，要想準(zhǔn)確地對(duì)地球周圍的宇宙垃圾的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)已經(jīng)不可能了。而一些小型衛(wèi)星的升空入軌和大型全球通信系統(tǒng)的建立，使這種監(jiān)測(cè)工作變得難上加難。為了降低這種碰撞風(fēng)險(xiǎn)，科學(xué)家找到了臨時(shí)的解決辦法，即建立一種計(jì)算模型來計(jì)算太空中各種可能發(fā)生的大災(zāi)難。俄羅斯科學(xué)家認(rèn)為，在這種嚴(yán)峻的形勢(shì)下，除了在專門試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立并完善宇宙垃圾模型外，還要研究太陽(yáng)系中物體遷移過程的共性，弄清那些可能光臨地球的宇宙“客人”并對(duì)其進(jìn)行分類，最后就是經(jīng)常性地觀測(cè)人造客體并對(duì)其進(jìn)行光學(xué)測(cè)量監(jiān)控。

目前繞地飛行的10萬多個(gè)尺寸超過10厘米的空間客體都處在這樣系統(tǒng)的監(jiān)控之下。它們當(dāng)中約有8000個(gè)被列入官方數(shù)據(jù)，其中僅有約500個(gè)是正在工作的空間儀器，僅占總數(shù)的6.25％，其余的大多數(shù)是耗盡動(dòng)力的衛(wèi)星、末級(jí)火箭及發(fā)射產(chǎn)生的各種碎片等。我國(guó)一個(gè)專門針對(duì)太空垃圾的觀測(cè)中心——中國(guó)科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片觀測(cè)研究中，已在中科院紫金山天文臺(tái)投入使用，它為我國(guó)航天領(lǐng)域建筑其安全預(yù)警系統(tǒng)。

調(diào)整軌道開辟新的軌道空間，以便避開現(xiàn)在被廣泛利用的十分擁擠的軌道。為保證衛(wèi)星和各種航天器的飛行安全，歐洲空間局根據(jù)2002年制定的規(guī)定，已決定發(fā)射高軌衛(wèi)星，即把衛(wèi)星軌道再升高3DO千米，以躲避太空垃圾。

增強(qiáng)抗撞能力提高航天器防御太空垃圾的能力。歐洲空間局用德國(guó)波恩附近的射電望遠(yuǎn)鏡和埃芬貝格的100米射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)空間垃圾進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)地球低運(yùn)行軌道上有2厘米的碎片和9毫米大小的飛行體。為對(duì)付這類小東西，國(guó)際空間站、幾個(gè)大型衛(wèi)星和空間探測(cè)器均在外蒙皮上加裝了保護(hù)層，以防止被這些小東西撞傷。

另外，他們還積極研究新材料，打造抗碰抗撞的航天器，爭(zhēng)取降低垃圾威脅，防止爆炸。

減少垃圾限制空間碎片的產(chǎn)生?！耙?yàn)樵诂F(xiàn)階段，有的空間碎片還不可避免地要產(chǎn)生，所以只能限制而不能杜絕”。所以，目前各空間機(jī)構(gòu)都同意開展全球協(xié)作，減少航天器發(fā)射量，這可以有效減少空間垃圾。除此之外，各空間機(jī)構(gòu)還積極發(fā)展太空垃圾清除技術(shù)，清除已有的空間碎片。如讓完成任務(wù)的航空器離開軌道隕落，或?qū)⒁淹瓿扇蝿?wù)的運(yùn)載火箭末級(jí)轉(zhuǎn)移軌道，使其返回大氣層燒毀等，這些都是比較可行并正在實(shí)行的辦法。另外，大家還積極采用降低壓力等方法清除燃料箱剩余燃料，使其墜毀。

建保護(hù)區(qū)采取區(qū)域性措施，保護(hù)航天活動(dòng)最有價(jià)值的區(qū)域。目前，包括中國(guó)在內(nèi)的世界主要航天國(guó)家(組織)共同倡議在地球外層空間劃出兩個(gè)必須受到保護(hù)的空域，即近地軌道受保護(hù)區(qū)和地球同步軌道受保護(hù)區(qū)，以減少空間碎片對(duì)航天器的威脅。

目前日益嚴(yán)重的太空污染問題已經(jīng)引起各航天大國(guó)專家乃至政_府的重視，他們正在加大保證空間安全、保護(hù)地外空間環(huán)境的力度。因此我們有理由相信，隨著人類科技的發(fā)展以及對(duì)太空環(huán)保的重視，總有一天，太空污染問題會(huì)被徹底解決，到那時(shí)，人類將重新獲得一個(gè)皎潔無瑕的太空，可以毫無憂慮地欣賞繁星點(diǎn)點(diǎn)的夜空……