挡住月亮的六便士:太空垃圾那些事

刘文元

刘文元

· 2020.12.14

不要让群星变成遥不可及的梦幻。

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挡住月亮的六便士:太空垃圾那些事

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文丨刘文元

2020年7月1日,上海正式实施立法城市生活垃圾分类,原因在于,生活垃圾“给资源环境和经济社会可持续发展带来较大压力”。

上海并非国内第一个实施立法生活垃圾分类的城市,也绝非最后一个,足见生活垃圾问题之严重性。目前,全国有三分之一以上的城市有垃圾围城的困扰。

脚踏大地,仰望星空,在地球轨道上,还有无数的垃圾围绕着我们不停地旋转。这些太空垃圾距离我们太过遥远,所以鲜有关注。但它们也对太空环境和人类太空活动的可持续发展带来极大压力,在某种程度上,其实比生活垃圾危害更大,也更值得我们关注。

垃圾围星

1957年10月4日,前苏联发射人类第一颗人造地球卫星斯普特尼克1号,地球轨道便不再宁静。迄今为止,世界各国一共执行了超过5000次发射任务,发生了200余次在轨航天器或火箭载体爆炸/撞击事故,产生的太空垃圾不可计数,尽管大部分已落入大气层燃烧殆尽,但目前仍有数千吨围绕地球飞行,而且其数量每年还以2%~5%的速度递增。

从高轨道视角看到的太空垃圾电脑模拟图

2009年,在轨的1.9万个大型物体中(含约4000颗人造卫星),只有902颗是运行中的人造卫星,意味着90%以上都是太空垃圾。据NASA统计,截至2019年1月,尺寸小于1厘米的微小碎片约有1.28亿块,介于1~10厘米之间的中型碎片约有90万块,而大于10厘米的大型碎片则有3.4万块之多。

从空间分布上来看,在低于2000公里的近地轨道,由于空气阻力和地球引力扰动较为明显,存在大碎片的概率很低,大多数太空碎片是来自固体火箭发动机的尘埃、表面涂层脱落的碎片,以及核动力卫星的冷却剂,等等。

在更高的轨道上,尺寸更大的太空垃圾较多,轨道衰变的时间也更长。比如很多通信卫星位于距地面3.6万公里、垂直于赤道的地球静止轨道。尽管速度相对更低,但当卫星废弃时,还是会占用地球同步轨道。

太空垃圾的分类

按照目前热门的城市垃圾分类方法,太空垃圾统统属于“有害垃圾”。而根据来源,太空垃圾主要分为以下几类。

一、反卫星武器的“战绩”

二十世纪中叶,美苏争霸,美国提出所谓的太空战争。在此背景下,前苏联和美国进行了多场太空站演练。在这期间,仅前苏联就进行过多次卫星拦截、爆炸试验,给太空带来数百块大小不等的碎片。到了二十世纪80年代,美国又重启了该计划。在1985年的一次试验中,摧毁了一颗在525公里高度运行的一吨重的卫星,产生了数千个大于1厘米的碎片。鲜有人知的是,美苏反卫星试验其实是太空碎片的主要来源之一。

反卫星武器制造大量的太空垃圾

在这方面,中国亦有“贡献”。2007年,中国在反卫星导弹试验中产生了约2300块高尔夫球大小甚至更大的碎片、超过3万块大于1厘米的碎片以及约100万块大于1毫米的碎片。目标卫星在850公里和882公里之间的轨道上运行,该轨道高度的空气阻力很低,所以产生的太空垃圾数十年才会被逐渐耗尽。

比较大的事件还有:2008年2月20日,美国发射了一枚SM-3导弹,以摧毁一颗有缺陷的间谍卫星,由此产生的碎片散落在近地点250公里或更低的轨道上。今年3月27日,印度用地面导弹击落了一颗近地轨道卫星。随后,美国空军太空司令部表示,他们正在跟踪由此产生的270块碎片,但预计碎片的数量远不止于此。

二、宇航员丢失/丢弃的设备

宇航员在空间站工作时,由于没有重力影响,物体全部处于漂浮状态,稍有不慎就可能导致一些物体失去控制进入太空之中。耶鲁大学统计学家爱德华·塔夫特在著作《想象信息》(Envisioning Information,1990)中指出,此类太空垃圾包括:美国宇航员爱德·怀特在太空行走任务中丢失的一只手套,美国宇航员迈克尔·科林在双子星10号飞船附近丢失的相机,国际空间站第一次航天飞机任务STS-88期间丢失的一条毛毯,苏联宇航员在和平号空间站使用期间丢弃的生活垃圾、一支扳手和一支牙刷,宇航员苏妮塔·威廉姆斯在执行前往国际空间站任务STS-116时丢失的相机,海德玛莉·斯蒂法妮斯海恩-派珀在STS-126任务期间丢失的一个公文包大小的工具包。

STS-88任务期间丢失的毛毯

三、已报废的航天器

废弃的航天器进入大气层烧毁是一个十分漫长的过程。一般来说,距地面300公里的太空垃圾寿命约为1年,600千米时则为数十年,1000千米以上就能存续上百年,到了4000千米往上,太空垃圾可以存在上千年,甚至永久存在。

在轨时间最久的太空垃圾来自美国。1958年,美国将人类第一颗太阳能驱动的人造卫星——前锋1号(Vanguard Ⅰ)发射到中地球轨道,1964年,该卫星停止发送信号,至今仍漂浮在地球轨道上。

前锋一号

另一个报废的卫星的例子,是二十世纪七八十年代苏联海洋雷达侦察卫星RORSAT的遗骸。该卫星被用来监视美国核潜艇在各大洋上的行踪,其BES-5核反应堆是用钠钾合金的冷却环路来回收冷却的,当卫星寿命终止时,就产生了一些潜在问题。一方面,在50年内,冷却剂有8%的概率会泄漏,泄漏后即会冻结成固体钠钾合金微粒,成为太空垃圾碎片。另一方面,数百年后卫星坠入地球,也会造成核污染。

更近的还有2015年2月,美国空军的一颗用于气象研究的军用卫星DMSP-F13,由于电力系统温度急剧上升而突然在轨道上爆炸,产生了至少149个碎片,预计将在轨道上残留数十年。

可以肯定是,这类事件还将持续发生。

贻害无穷

残留于地球轨道上的太空垃圾如此之多,很难不担心它们酿成更大的事故。尤其是这些碎片的运行状态各不相同,有的较快,有的较慢,有的轨道距地球较远,有的较近,这些垃圾以及在轨运行的航天器自然存在相撞的可能性。

我们知道,太空垃圾的飞行速度约为7.8千米/秒,如果撞击到航天器表面,质量轻的可能只是留下撞击的凹痕,质量重者则可能穿透航天器,造成部分系统失灵,甚至会使航天器脱轨。为了研究太空中的微流星体和垃圾碎片对航天器造成的伤害,1984年4月,挑战者号航天飞机将圆柱形“长期暴露装置”释放到近地轨道,到1990年1月被回收后检查发现,其表面仅肉眼可见的撞击凹痕就超过3.2万个,相当于每天被撞击15次。

长期暴露装置

对于太空垃圾的危害,美国科学家唐纳德·凯斯勒曾于1978年提出理论假设,即凯斯勒现象或碰撞级联效应。该假设认为,当近地轨道运转物体的密度达到一定程度时,它们在碰撞后产生的碎片能够形成更多的新撞击,形成级联效应,近地轨道将被危险的太空垃圾所覆盖,从而使得太空环境变得非常危险,甚至在之后的数百年内都无法进行航天活动。

此外,太空碎片进入大气层时会发生燃烧,但较大的碎片可能不会烧毁殆尽,残余的部分落入地球,就会对地球上的生物造成致命威胁。特别是以核能为推动力的航天器碎片,一旦坠入地球,后果将不堪设想。据统计,在2011-2013年,每年都会有400块左右超过10厘米的太空碎片坠入大气层,其中大概有10%最终会坠入地球。

从这个意义上来说,太空垃圾对航天飞行器以及地球上的生命体均会造成威胁。下面让我们看一看太空垃圾造成危害的一些实例。

撞击航天器。1983年,挑战者号航天飞机被一块0.2毫米的涂料碎片击中,导致舷窗划伤,只好提前返回地球。1986年,阿丽亚娜号火箭进入轨道后不久便爆炸,其残骸使两颗日本通信卫星“命丧黄泉”。阿丽亚娜号火箭的残骸在轨道上阴魂不散,甚至在28年后迫使国际空间站调整飞行轨迹,以避免与其中的一块碎片相撞。而2009年发生的第一次重大卫星碰撞事故更是凯斯勒现象的不幸应验:2月10日,两颗卫星(铱星33号和已经退役的苏联宇宙2251号)相撞,相撞速度约为11.7公里/秒,仅仅4个月后,碰撞产生的太空碎片就已经几乎布满大半个地球上空。

左:铱星33号和宇宙2251号相撞当天;右:相撞4个月后的太空碎片分布。

坠入地球。1978年,苏联的一颗核动力卫星因太空碎片的撞击坠毁在加拿大,产生了严重的核污染,加拿大政府依照空间法索赔600万加元,经过谈判,苏联政府最终支付了300万加元。

此次事件不仅致使多人死亡,而且在公众中造成了巨大恐慌。

次年,美国“太空实验室计划”的空间站坠入印度洋和澳大利亚西部海域,在这个过程中,导致澳大利亚珀斯附近的居民楼房玻璃被震碎。2003年的哥伦比亚号灾难中,爆炸后的航天器碎片到达地面,在得克萨斯州赛宾县周围16公里的范围内,除了宇航员的遗体之外,还有超过8.3万件碎片被收回,其中的一块十几厘米的金属支架在坠落过程中还砸烂了一家牙医诊所的屋顶;在此期间,NASA一再警告任何残骸都可能含有有害化学品,人们不应接触,但一些当地居民还是无视警告,企图在eBay上高价拍卖捡到的碎片。

哥伦比亚号航天飞机爆炸后的碎片

实际上,太空垃圾酿成的事故不胜枚举,以上所述仅是九牛一毛而已。

《地心引力》中的卫星遭到太空垃圾碎片撞击

当然,不少文艺作品也表达了对太空垃圾问题的关注。科幻迷非常熟悉的《地心引力》正是对凯斯勒现象的绝佳演绎:一颗俄罗斯卫星被导弹击毁,碎片在地球轨道上以极高速度散开,并击中其他卫星,级联效应制造了新的碎片,最终酿成太空灾难。在电影《机器人总动员》中,瓦力与伊娃乘坐飞船冲出地球时,必须钻出厚厚的一层太空垃圾,细心的观众还会发现其中有斯普特尼克1号的身影。

《星空清理者》剧照

电视剧、漫画、音乐等方面的作品也对此均有涉及。1979年的美剧《打捞1》(Salvage 1)中有一位废品回收商,成立了一家太空垃圾打捞公司;1999-2004年的日本漫画《星空清理者》(PlanetES)讲述了在不远的未来,太空垃圾泛滥成灾,严重危及太空站和航天船的安全,一群热爱宇宙之人——帝人公司残骸课的成员登场,负责收集和处理这些太空垃圾,这部漫画2003年的动画版还有对NASA轨道垃圾项目办公室的采访;2009年,美国组合Rhett & Link写了一首名为《太空垃圾》(Space Junk)的歌曲,歌词的主角就是两名负责清理废弃卫星和火箭残骸的太空垃圾清理员。

太空垃圾,能拿你怎么办?

俗话说,儿行千里母担忧。把价值连城的航天器送到凶险的地球轨道上,更是时刻牵挂它的安危。最容易想到的办法,就是对它“临行密密缝”,为它穿上屏蔽防护。对付0.1~1厘米的太空碎片还行,但防御更大的碎片撞击就显得力不从心了。而且,这种方法还会极大地增加航天器的制造成本和发射成本。

一、惹不起但躲得起

面对这些来势汹汹的太空垃圾,脆弱不堪的航天器自然是惹不起,但总躲得起吧?如果能通过精准的监测和轨道计算,来提前预警,并让航天器及时变轨来躲避碎片,难度倒不算很大。中国、美国、俄罗斯等航天大国均已建立起了比较完善的监视系统。

ESA构想的地面监控系统,包括光学监测设备、雷达和激光技术等在内的综合系统。

其中,地基监测是基本方法,主要分为雷达监测(利用调频无线电波反射的原理)和光学监测(利用望远镜系统对碎片进行观测),它们分别监测低轨道和高轨道的太空碎片。尽管10厘米以下的碎片轨道稳定性会降低,但地基监测仍然能够追踪到1厘米以下的碎片。不过,绝大多数碎片还是无法被追踪。

另一种监测方法就是太空监测。美国在2002年就启动了“天基太空监视卫星”计划,第一颗卫星于2010年9月25日发射升空,2013年完全形成作战能力。该系统包含1颗天基太空监视(SBSS)卫星和4颗地球同步轨道太空态势感知计划(GSSAP)卫星,对地球同步轨道目标进行探测,其中,SBSS卫星在低轨扫描高轨,GSSAP则可对地球同步轨道目标进行巡视探测、特征描述。美国下一步还打算向3.6万公里的同步轨道上发射由4颗卫星组成的星座,目标是无死角、高精度地对地球同步轨道以下所有直径超过1厘米的目标进行监测和跟踪,包括飞出大气层的远程洲际导弹。

二、主动进击才能海阔天空

随着碎片数量越来越多,被动防御显然不是长久之计,主动清除才是扭转碎片增长的必要措施。

自我流放或自杀

当运行在高轨道的航天器出现故障或使用寿命到期时,通过遥控飞行器上的发动机,让它改变轨道,流放到“太空坟场”,即更高的无用轨道。我国的“风云”系列通信卫星就为此装备了脱轨遥控系统。而低轨道运行的航天器报废后,最好的处理方式是通过地面遥控系统迫使其坠毁在无人区或海洋,比如世界上最重的两颗卫星——17吨重的美国康普顿射线望远镜和100吨重的俄罗斯和平号空间站,在行将报废之际,都是通过人空遥控的方式迫使其坠入南太平洋上的一个被称为“航天器坟场”的海域。但是,这也对坠落区域造成了污染。

左:康普顿射线望远镜;右:和平号空间站

外力清除

遥控清理飞行器。遥控飞行器捕获太空碎片,然后将其集中送到“太空坟场”,或拖入大气层烧毁。瑞典曾于2012年提出“太空清理一号”的设想,这是一颗犹如水母触须一样的卫星,该计划分为发射、接近目标、捕获目标、进入大气层四个阶段。2016年6月25日,我国长征七号运载火箭将遨龙一号空间碎片主动清理飞行器发送入轨道,经过实际操作试验,在太空环境下,遨龙一号的机械臂成功抓捕到了漂浮的空间碎片和小型废弃卫星。

上:遨龙一号;下:太空清理一号

薄膜/网。2016年,NASA投资研发一种膜式飞船,它采用特殊的二维薄膜材料制成,推进剂以液体的形式储存在两片薄膜之间10微米的缝隙中。该航天器重量约为35克,展开后约1平方米,可以包裹住太空垃圾,使其离开轨道,拖入大气层烧毁。

2018年4月,英国萨里卫星公司的研究项目“清理碎片”小卫星(RemoveDebris)被送到国际空间站,9月16日进行了第一次网捕试验。这颗冰箱大小的卫星配备了1个小型鱼叉式装置、1个视觉跟踪系统和1个制动帆。试验时,卫星利用弹簧机构将5米宽的网对着6米处的目标物体弹出,捕获目标物体后,网会攥成一团,并在未来几个月内脱离原有轨道,最终坠入大气层烧毁。

一种网式太空垃圾清理装置

激光照射。从地球上发射激光对空间碎片进行照射,产生阻力,使其减速,改变轨迹或坠入地球。2011年,NASA曾设想过用激光推动太空碎片,使其偏离轨道,从而避免它们之间发生碰撞。其时,他们的研究表明,向一块碎片发射激光束,可以产生1毫米/秒的推动力。但客观来说,很难让太空垃圾在大气层中燃烧殆尽,而且激光能量也可能会将稍大的碎片进一步击碎,从而使问题加剧。科幻大师阿瑟·克拉克在《天堂的喷泉》中还想象了一种天基激光发射装置:用装备有高能量激光的太空堡垒扫荡天空,用激光炮将所有垃圾气化。

从太空对太空垃圾发射激光想象图

科学家们还有很多清除太空垃圾的奇思妙想,不过原理都跟上面的差不多,要么将碎片拖入大气层,要么推到太空坟场。到底哪些方法有效,还需要实践证明。目前来说,还没有一种方案有实际应用。

如今,太空就像大航海时代的海洋一样成为充满机遇的乐土,SpaceX、蓝色起源、维珍银河等众多私人航天公司也纷纷崭露头角,并计划在未来数年内发射数千颗小卫星,地球轨道将变得愈加拥挤。由于小卫星的寿命仅有15年左右,这无疑提高了太空垃圾产生的速度。

而人类尚未找到一个在技术和经济上都行之有效的清除太空垃圾的方案。因此,未来的太空环境会变得更加恶劣。NASA、ESA等机构的分析指出,到2050年,仅低地球轨道区域10厘米以上的碎片数量就会超过5万个,2100年将超过10万个,卫星碰撞数将增加6倍。人类堵死自己的太空探索之路绝非危言耸听。

归根结底,太空垃圾是利益之争的产物。但从更大的尺度来看,人类共同生活在地球之城,却像无知的孩童一样,肆无忌惮地制造着太空垃圾,污染与治理严重脱节。太空垃圾分类比生活垃圾容易得多,根本无需强制单个组织单独执行。它们就在那里,都是有害垃圾。

但太空垃圾的防御和治理却绝非一家公司或一个国家之事,这是人类共同的敌人,需要世界各国、各学科展开广泛合作,打破自身渺小的局限性,减少相关的太空试验,并携手研究清理太空垃圾之术,为子孙后代留下一个洁净的太空,也为人类留一扇探索宇宙的畅通无阻的大门。不要让群星变成遥不可及的梦幻。

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