日趨嚴(yán)重的太空垃圾問題

文/ 李會超

▲ 空間碎片情況示意圖

對于日常工作生活中的垃圾，我們會將它們收集后投入垃圾箱，由市政部門統(tǒng)一進(jìn)行回收和處理。而自人類開始航天活動以來，對于太空中產(chǎn)生的廢棄物，則多采取就地拋棄的方式，將它們遺留在太空之中。這些廢棄在太空中的無功能人造物體，被航天科技人員稱之為“空間碎片”，而它們更為人所知的名稱，則是“太空垃圾”。

太空垃圾的來源

1989 年，空間碎片監(jiān)測機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)一顆名為“宇宙線背景探測器”的衛(wèi)星產(chǎn)生了大約76 塊空間碎片，且都是直徑大于10 厘米的較大空間碎片。

衛(wèi)星失效后在軌道上解體，是太空垃圾的主要來源之一。奇怪的是，這顆衛(wèi)星在碎片產(chǎn)生后仍在正常工作，并沒有發(fā)生因運(yùn)行異常而解體的情況。后來，這顆衛(wèi)星甚至圓滿完成了壽命期內(nèi)的全部觀測工作，但產(chǎn)生空間碎片的原因仍然沒有找到。雖然類似的事件并不多見，但這種奇特現(xiàn)象的發(fā)生說明目前人們對空間碎片產(chǎn)生的機(jī)制仍然沒有完全充分的了解。

體積最大的太空垃圾，一般來源于失效的航天器本身。例如，衛(wèi)星在到達(dá)壽命后，如果沒有采取離軌措施，就會成為滯留在軌道上的“死星”。

除了失效的衛(wèi)星外，火箭的二級、三級或上面級等推動衛(wèi)星入軌的部分，也是太空垃圾的主要來源之一。這些航天器中一般還殘留著部分推進(jìn)劑，在發(fā)射后一天乃至幾十年的時間中，殘留的推進(jìn)劑有可能會發(fā)生爆炸，產(chǎn)生少則幾塊、多則數(shù)百塊的空間碎片，且這些碎片的飛行速度各異。根據(jù)歐空局2020年10 月發(fā)布的年度空間環(huán)境報告，由火箭剩余部分爆炸產(chǎn)生的太空垃圾危險程度最高。

失效衛(wèi)星間的碰撞會讓兩個大型太空垃圾變成數(shù)量龐大的空間碎片。2009 年2 月11 日，美國通信衛(wèi)星“銥星33”與已經(jīng)報廢多年的俄羅斯衛(wèi)星“宇宙2251”在西伯利亞上空發(fā)生激烈碰撞，釀成了人類歷史上首次衛(wèi)星與衛(wèi)星相撞的重大事故。本次碰撞產(chǎn)生了多達(dá)2000 塊體積較大的太空垃圾，以及數(shù)量更多的、無法追蹤的小太空垃圾。

此外，航天器上脫落的部件、油漆片，甚至是航天員出艙活動時不小心弄丟的扳手、工具，也都會成為太空垃圾。按照尺寸的不同，太空垃圾一般被劃分為大碎片、危險碎片和小碎片三類，其中，大碎片的尺寸大于10 厘米。雖然可能產(chǎn)生的破壞最大，但這些碎片可以被地面設(shè)備跟蹤監(jiān)測和編目，正在工作的航天器可以針對它們采取規(guī)避措施。尺寸小于1 厘米的小碎片，雖然無法被追蹤，但它們的動能較小，航天器可以通過加強(qiáng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行應(yīng)對。而對于尺寸介于1～10 厘米之間的碎片，既無法被跟蹤，又具有可觀的破壞力，對航天器的潛在威脅最大，因此被稱為危險碎片。根據(jù)歐空局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2020 年1 月，太空中的大碎片數(shù)量已達(dá)34000 個以上，危險碎片的數(shù)量更是高達(dá)約90 萬個。

國際空間站曾為應(yīng)對威脅緊急規(guī)避

▲ 歐空局的空間碎片監(jiān)控體系

2015 年7 月16 日凌晨，空間碎片監(jiān)測機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了一塊太空垃圾正以危險的方式接近國際空間站。這塊編號為36912 號的太空垃圾的大小大概相當(dāng)于一個餐盤，來源于一顆解體的蘇聯(lián)軍事氣象衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星在入軌兩年多后停止工作，在隨后的幾十年中，碎片一直在不停地從這顆衛(wèi)星上脫落，成為太空垃圾。編號36912 號可能曾經(jīng)是這顆衛(wèi)星的熱屏蔽罩的一部分。

由于“36192 號”的軌道比較特別，空間碎片監(jiān)測網(wǎng)中只有極小一部分臺站能夠?qū)ζ鋵嵤┍O(jiān)控?！?6192 號”盤狀的形狀和較低的質(zhì)量，使得其軌道很容易受到太陽活動引起的高層大氣密度變化的影響。當(dāng)它從監(jiān)控的盲區(qū)再次出現(xiàn)在臺站的監(jiān)控范圍中時，軌道較之前可能已經(jīng)發(fā)生了較大的變化。在當(dāng)天凌晨，空間碎片監(jiān)測機(jī)構(gòu)更新了碎片的軌道數(shù)據(jù)后，驚恐地發(fā)現(xiàn)這塊碎片將在幾小時內(nèi)接近國際空間站，而碰撞概率已經(jīng)提高到了非常高的千分之一。

對于我們生活中的日常事件，千分之一也許是一個可以忽略的概率，但由于較大的太空垃圾撞擊航天器引發(fā)的后果有可能是災(zāi)難性的，因此在評定撞擊風(fēng)險時，使用了很低的概率作為預(yù)警的閾值。按照目前載人航天的避碰規(guī)程，當(dāng)撞擊概率大于十萬分之一時，撞擊風(fēng)險為中等，如果不影響任務(wù)的正常開展，航天器需要進(jìn)行軌道機(jī)動以規(guī)避太空垃圾。而當(dāng)撞擊概率大于萬分之一時，航天器在任何情況下都必須采取軌道機(jī)動。千分之一的撞擊概率已經(jīng)屬于高風(fēng)險威脅。

然而，由于發(fā)現(xiàn)風(fēng)險的時間太晚，國際空間站已經(jīng)來不及對碎片進(jìn)行規(guī)避。

▲ 國際空間站上觀察到的一塊空間碎片

▲ 近地軌道太空垃圾情況示意圖

▲ 美國空軍的空間碎片光學(xué)檢測設(shè)施

國際空間站的艙體在設(shè)計時已經(jīng)考慮了太空垃圾的防護(hù)問題，在艙體外部安裝了惠普爾保護(hù)罩。這種保護(hù)罩由一層或多層薄的金屬片構(gòu)成。當(dāng)空間碎片擊中保護(hù)罩時，保護(hù)罩能夠吸收一部分撞擊能量，并讓碎片解體，從而降低碎片對艙體外壁的沖擊。惠普爾保護(hù)罩也是大部分其他航天器用以防護(hù)太空垃圾撞擊的裝置。然而，經(jīng)過估算后，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)國際空間站的防護(hù)能力不足以抵御“36912”的撞擊。他們只能讓空間站上的航天員進(jìn)入對接在空間站上的俄羅斯聯(lián)盟號飛船中避險，并關(guān)閉了部分艙室的艙門。萬一碎片擊中空間站，這樣的措施可以盡量減小破壞所造成的影響，如果空間站徹底崩潰，“聯(lián)盟號”則可以充當(dāng)救生艇，帶航天員們離開空間站，返回地球。

好在這一事件最終有驚無險。這塊碎片最終以約每小時5 萬千米的相對速度掠過國際空間站，與空間站的距離僅有幾千米。雖然這次國際空間站幸免于難，但在太空垃圾數(shù)量持續(xù)增長的情況下，空間碎片撞擊的威脅將會長期存在，而且會越來越高。

▲ 馬薩諸塞州廷斯伯勒的空間碎片跟蹤雷達(dá)，是美國宇航局空間碎片數(shù)據(jù)的主要來源之一

太空垃圾的新挑戰(zhàn)

近年來，美國太空探索技術(shù)公司的星鏈等近地低軌通信衛(wèi)星星座，為太空垃圾問題帶來了新的挑戰(zhàn)。按照目前太空探索技術(shù)公司的設(shè)想，星鏈衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)使用的衛(wèi)星總數(shù)將高達(dá)1.2 萬顆，相當(dāng)于全世界現(xiàn)在在軌工作衛(wèi)星數(shù)的好幾倍。其他商業(yè)航天公司也提出了類似的近地通信衛(wèi)星星座計劃，衛(wèi)星數(shù)量從幾百顆到上千顆不等。如此龐大的衛(wèi)星數(shù)量，使得即便有一小部分衛(wèi)星失效，都會帶來不小的太空垃圾風(fēng)險。

▲ 墜落到地面的德爾它火箭燃料箱

根據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果，對于成千上萬顆小衛(wèi)星組成的低軌星座系統(tǒng)，必須有99%以上的衛(wèi)星能夠在完成任務(wù)后得到處置，在結(jié)束工作后即時離軌。

對于正常工作的衛(wèi)星來說，一般都會預(yù)留燃料，在壽命將盡時利用發(fā)動機(jī)控制衛(wèi)星降低軌道，快速進(jìn)入與大氣層強(qiáng)烈相互作用并下墜焚毀的階段。然而，如果衛(wèi)星在工作過程中意外失效，就不能完成即時離軌，只能等待衛(wèi)星與中高層稀薄大氣的緩慢作用，使衛(wèi)星的軌道逐漸降低，在經(jīng)歷很長時間后才能進(jìn)入大氣層焚毀。而根據(jù)2020年11月哈佛-史密松天體物理中心的研究，目前入軌的800 顆星鏈衛(wèi)星，已經(jīng)有約3%失效，成為了新的太空垃圾。目前，國外政府部門對于商業(yè)衛(wèi)星無法正常離軌的“容忍度”為10%，對比研究結(jié)果中1%的失效上限顯然高出了不少。

如果太空垃圾無節(jié)制的繼續(xù)增長，將會引發(fā)“凱斯勒效應(yīng)”——空間碎片在太空中進(jìn)入連環(huán)撞擊的狀態(tài)，軌道資源因為太空垃圾的污染而枯竭，人類再也無法將航天器發(fā)射到特定軌道上去。有關(guān)研究人員已經(jīng)通過多種渠道呼吁政府部門和航天企業(yè)對大規(guī)模通信星座帶來的太空垃圾新威脅加以重視，以免在未來喪失對空間的有效利用?！?/p>