太空垃圾不解決 衛星軌道於20年內恐報廢

現有航天器老化、報廢和毀壞致太空垃圾“自我繁殖”

有關太空垃圾的話題在近幾年持續得到國際社會的關注。太空垃圾也被稱為軌道碎片，是圍繞地球軌道運行的無用人造物體，既包括已經“壽終正寢”，但仍在空間軌道兜圈子的各類衛星、被遺棄的運載火箭推進器殘骸等，也有航天器意外爆炸或者碰撞形成的碎片，還有一些螺絲和墊圈之類的零部件。

近日，俄羅斯聯邦航天署署長弗拉基米爾·波波夫金在俄聯邦委員會圓桌會議上的一番話再次引發了人們對太空垃圾的擔憂。他表示，目前地球同步軌道的太空垃圾污染非常嚴重，即使不再發射任何航天器，現有航天器老化、報廢和毀壞也會導致太空垃圾“自我繁殖”。如果不解決太空垃圾問題，人類可能在未來20年內失去地球同步衛星軌道。

波波夫金的話並非聳人聽聞，此前航天器與1厘米見方的太空垃圾相撞的頻率約為5年1次，現已提高到每1年半至2年1次，在軌航天器與太空垃圾相撞的可能性正在增加。航天器一旦被太空垃圾撞擊報廢，自己又變成新的太空垃圾。最終，近地軌道將被各種危險的太空垃圾所“封鎖”，地球將變成一個永久的垃圾帶。屆時，高度依賴現代通訊衛星等現代太空設施的人類將發現自己的生活難以為繼，人類文明程度甚至大幅后退。

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太空事故時有發生

35年前，美國宇航局天文學家唐納德·凱斯勒發表了一篇關於太空垃圾的論文，文章中他向世人描繪了這樣一場噩夢：超過使用期的衛星和其他太空垃圾在不斷堆積，總有一天碰撞將不可避免。而這些物體碰撞之后又會生無數同樣危險的碎片，而每一個新的碎片又是一個新的碰撞危險源。其結果是，隨時間的推移，碎片的數量呈指數式增加，最后出現一條環繞地球的碎片帶。

2011年歐洲航天局公佈的近地軌道區域的空間碎片合成圖片顯示，現在的地球如同被蜂群圍得密不透風的蜂巢，碎片帶的預言成為現實。盡管當時美國宇航局官員在理論上也接受了凱斯勒的推測，但在這個問題上仍然無所作為。因為當時捕捉和處理太空垃圾的成本極其高昂，困難重重，而且官員認為處理太空垃圾沒有到火燒眉毛的時候。

凱斯勒還對軌道碎片大爆發周期做出預測 ，即每30至40年出現一次大爆發。 這一預測被稱為著名的“凱斯勒癥候”。

2009年2月10日，也就是在他論文發表剛過三十年之后，凱斯勒癥候應驗了。大約在西伯利亞凍土帶上方800公里的太空，兩顆衛星正在遨遊，各自的運行速度為每秒8公里。承擔電話中繼任務的銥星33號向北飛行，途中恰好與俄羅斯早已退役的失控通訊衛星宇宙2251號猛烈相撞，剎那間兩顆衛星化成2100塊碎片。隨后，衛星殘骸很快擴展形成一朵碎片雲，軌道上的每塊碎片都成了一枚炮彈，足以摧毀任何一顆價值連城的人造衛星。

盡管銥星33號與宇宙2251號相撞尚屬有史以來首次衛星碰撞事故，但此前幾十年來，大大小小的太空事故時有發生。美國國家航空航天局曾公佈，1983年，美國航天飛機“挑戰者”號與一塊直徑0.2毫米的涂料剝離物相撞，導致舷窗被損，只好停止飛行；1986年，“阿麗亞娜”號火箭進入軌道之后不久便爆炸，其殘骸便使兩顆日本通信衛星“命赴黃泉”。

各種案例顯示，太空垃圾的飛行速度極快。一個僅10克重的太空碎片的太空撞擊能量，不亞於一輛以每小時100千米速度行駛的小汽車所生的撞擊能量；一顆迎面而來的直徑為0.5毫米的金屬微粒，足以戳穿宇航員的宇航服，使其一命嗚呼。如果撞擊到航天器表面，輕者會留下凹坑，重者會穿透航天器造成部分系統功能失效，甚至會生災難性的后果。

太空垃圾雲

正不斷擴大

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自20世紀50年代開始探索宇宙以來，人類已經發射了4000多次航天運載火箭，每個航天飛行器都會留下各種各樣的垃圾：螺栓、升壓器、連接環、隔熱材料，甚至油漆碎片。半個多世紀以來，人類留下的太空垃圾呈爆髮式增長。美國國家研究委員會曾在2011年發出警告稱，地球上空的太空垃圾數量已經達到“臨界點”，太空中軌道碎片的數量已多到足以持續碰撞併產生更多太空垃圾，威脅航天器的安全。

據美國宇航局估計，地球周圍尺寸超過彈珠的軌道碎片在50萬塊左右，尺寸超過板球的碎片在2.2萬塊左右。低地球軌道的碎片以大約每小時2.8萬公里的速度飛行，即使尺寸很小，也能給衛星造成巨大破壞，同時對宇航員的安全帶來致命威脅。在已經編目的太空垃圾中，大約有70%位於距地面約2000公里以內的低地球軌道，時刻威脅各種衛星的安全。更為可怕的是，地球周圍的太空垃圾雲仍在不斷擴大。

不過，凱斯勒表示，太空垃圾問題目前仍處在可控制範圍內，因為衛星操作人員能夠採取預防措施，防止衛星發生相撞事故。不過，如果國際社會無法達成協議，限制軌道垃圾的數量，這種威脅將不斷加劇，最終導致操作人員的預防措施不足以應對碎片威脅。

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嚴密跟蹤 躲避垃圾

按照現有的技術，要完全清除太空碎片還是比較困難，且成本昂貴。因此，目前擁有衛星的國家應對太空垃圾還是以“躲”為主，或者等待它們自己進入大氣層燒毀。

美國和俄羅斯各自都有先進的太空監視系統，能對相關太空垃圾進行嚴密跟蹤，並及時發布預警，使航天器採取有效的技術手段“躲”過太空垃圾。歐洲航天局也在對所有在近地軌道上運行的太空垃圾進行編目，以便更好地掌握它們的動向。

預測哪些碎片將與運行中的航天器發生碰撞需要精準地建模。從1990年開始，休斯頓美國宇航局下屬約翰遜空間中心的研究人員一直在使用一部陸基X波段雷達更準確地跟蹤太空垃圾的運動。但是美國國家研究委員會的評估小組擔心，一些小的微粒並沒有得到充分的跟蹤，並且這些運動的複雜性也沒有被完全搞清。

航天器在應對太空垃圾方面，國際社會還有一個手段——“抗”，即給一些重要的航天器如國際空間站加上屏蔽罩，這一手段用於沒能及時避開太空垃圾時。美國宇航局科學家埃裡克·克里斯帝安森曾成立一個超高速撞擊技術實驗室，用於研究和測試軌道物體遭到高速撞擊的結果，以此協助開發更牢固的材料或改進航天器的設計，開發能讓航天器免遭“流彈”襲擊的保護裝置。

美國宇航局的科學家們還曾提出了減緩太空垃圾堆積的指導意見。這些規則對可遺棄物作出了限制，他們要求衛星運營商幫助清理36公里上方地球同步軌道堆積的垃圾，把退役飛船送到位置更高的 “墓地軌道”，以免傷及無辜。到2008年，世界各大主要空間機構都採納了該指導意見。新規則確實減緩了空間碎片的增加。

開發清理技術

各國不遺餘力

無論是採取躲避、防禦、減緩還是回收利用手段，都無法從根本上清除太空垃圾。滿天的太空垃圾終歸要得到徹底清理，開發太空垃圾清理技術勢在必行。

事實上，很多國家都在推出清掃太空垃圾的計劃，科學家們也在考慮從無數種垃圾清理方案中精選出經濟有效的方案。美國宇航局正在考慮用激光清掃地球周圍的太空垃圾，防止其與衛星相撞。激光清除太空垃圾原理是：激光束裡的光子攜帶了微量動力，在特定環境下，能推動太空中的物體，並使其減速。通過向垃圾碎片發射激光數小時后，就有可能改變其方向。即便不能讓太空垃圾脫離軌道，也能避免其撞擊空間站或者衛星。新課題的設備花費僅為80萬美元，而全部費用止於千萬美元。現有的望遠鏡經改良后，能投入使用，降低運營成本。有科學家認為，應在夏威夷山頂建大型激光站。另一些人則認為，在衛星上安裝激光裝置，把碎片轟入大氣層。

日本宇宙航空研究開發機構決定，自2014年起將啟動一項垃圾清理試驗，以清除由使用壽命結束的衛星和火箭殘骸組成的太空垃圾。清理方式是以金屬繩捆住漂浮在宇宙空間中的太空垃圾，然后使其降低速度，並使其落入大氣層中銷毀。此外日本還將開發“清掃衛星”，並於2019年前后發射。屆時，“清掃衛星”將利用搭載的攝像機尋找並接近太空垃圾，然后使用機器臂安裝金屬繩。而安裝有數條金屬繩、能捕捉多個太空垃圾的專用衛星將於2023年前后發射。

英國科學家則設計並研發一個被稱為“立方帆”的納米級衛星，它重約3公斤，大小約為30厘米×10厘米，借助太陽能的太陽帆作為動力推進系統，一旦帆上的攝像頭偵察到太空垃圾，便依附在垃圾上，使其速度降低，最后進入大氣層，與太空垃圾同歸於盡。(楓林)