將太空垃圾清除到底

居住在美國北卡羅來納州阿什維爾市的唐納德·克斯勒爾，是美國宇航局的退休科學家。他經常在自己住宅的后院平臺上，架起塞萊斯特望遠鏡觀測太空。雖然這臺望遠鏡算不上是最先進的，但卻是克斯勒爾最珍愛的物品。

1978年，克斯勒爾發表的一篇論文《人造衛星頻繁碰撞：碎片帶的產生》，使他在宇航界聲名鵲起。他是一位天體物理學家，當他被分配到休斯敦美國宇航局約翰遜航天中心環境效應項目組工作之后，便對人類扔在太空的垃圾產生了濃厚興趣。

克斯勒爾在那篇具有開創性的論文中，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增加，總有一天碰撞將不可避免，而這些物體碰撞之后又會產生無數同樣危險的碎片，于是又造成新的連鎖反應。

“其結果將是，隨著時間的推移，碎片的數量呈指數級增加，最后產生一條環繞地球的碎片帶。”

克斯勒爾的論文發表以后，美國宇航局立刻成立軌道碎片項目組，并由克斯勒爾負責研究這個問題。此后克斯勒爾的職業便是跟蹤太空垃圾，同時與其他國家的同行聯手，努力降低太空垃圾產生的速度。他對軌道碎片大爆發周期的預測——每30至40年出現一次——已經成為著名的“克斯勒爾征候群”。

盡管美國宇航局官員在理論上接受了克斯勒爾的預測，但在這個問題上仍然無所行動，因為捕獲和處理太空垃圾成本高而且困難。此外，他們認為太空垃圾的危險性還沒有到嚴重的程度。

克斯勒爾于1996年退休，雖然他的胡子開始灰白，但他仍然經常用望遠鏡掃視夜空，盼望人類能采取一些辦法。“我擔心不該發生的事情，最終會不可避免地發生。”他說。

果然，在2009年2月10日，也就是他的論文發表30年之后，“克斯勒爾征候群”不幸應驗了。大約在西伯利亞凍土帶上方800公里的太空，兩顆衛星正在遨游，各自的運行速度為每秒8公里。正在執行任務的美國“銥星33號”向北飛行，而此時，俄羅斯早已退役的通訊衛星“宇宙2251號”，正在一條失控的軌道上像一名醉漢一樣踉蹌前行。

突然，兩顆衛星親密接觸，剎那間猛烈的撞擊把它們化成2100塊碎片。雖然對地面產生的影響很小，可能只有幾塊殘片掉到地面，但在遙遠的太空，后果卻極其嚴重。衛星殘骸很快擴展形成一朵碎片云，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。

當克斯勒爾收到來自美國宇航局前同事們有關衛星碰撞的報告之后，他意識到發生的情況完全沒有超出他的預期。這次事故表明，太空碰撞已經從理論走向了現實。

在這次事故發生后不久，一個名為“空間監測網”的軍事單位馬上開展行動。在位于加利福尼亞州范登堡空軍基地的聯合太空作戰中心的指揮下，該監測網開始利用雷達裝置和光學傳感器系統監測太空垃圾。

他們早在美俄兩顆衛星發生碰撞事故前，就對120顆活動衛星進行了跟蹤，發現其中5顆每天都有可能發生碰撞。但這次事故使所有人都感到意外，因為這兩顆衛星根本就不在那天可能發生事故的名單中。

聯合太空作戰中心迅速行動，將計算機處理能力提高一倍。到2010年年初，被列入電腦監測范圍的活動衛星已經達到1000顆，失效衛星和火箭推進器3700件，此外還有拳頭般大小的物體15300個，所有這些物體平均每天發生碰撞的可能性高達75%。然而，被計算機忽略的微型碎片估計有50萬個，它們也可能對衛星造成威脅。這些碎片由于太小，無法被地面跟蹤系統定位，但它們都具有嚴重破壞衛星的能力。

美俄兩顆衛星發生碰撞事故僅僅過去一個月，又發生了一起太空電機碎片險些撞擊國際空間站的事故。在美國東部時間2009年3月中午12時左右，宇航員們正在國際空間站里進行日常維護工作，突然他們接到警告，要為可能發生的碰撞做好準備。于是他們聽從指令鉆進國際空間站附近的救生艇，即俄羅斯制造的聯盟號密封艙，它能在必要時刻為宇航員提供逃生機會。幾分鐘后，電機碎片在與國際空間站相距只有幾公里的地方擦肩而過。

然后在同年12月1日，幾乎沒有警告，1.6公里之外的一塊衛星小殘片，直接朝國際空間站撞去。它就像一顆呼嘯而來的子彈，產生的能量相當于一卡車的炸藥。

自太空時代起，美國宇航局便按照所謂的“大天空理論”辦事。該理論認為，太空寬廣無邊，足以容納完成各種使命后的人造衛星或廢棄的火箭推進器；而且這些物體遲早會從軌道上掉下來，在重返地球大氣層的過程中被燒毀，唯一的問題是什么時候。有些廢棄物也許要等上數年，而那些滯留在高軌道上的物體，可能幾十年都不會掉入大氣層。

“對于這個問題我們當時都沒有多加考慮。”美國宇航局高級安全官員、前宇航員布萊恩·奧康納如是說。俄羅斯和其他國家在實施發射任務時，也抱有類似的觀點：即使真有一塊巨型太陽能電池板從衛星上脫落下來，人們唯一能做的就是祝它一路順風。

實際上，克斯勒爾并不是唯一對大天空理論發出不同聲音的專家。英國著名科幻作家、國際通訊衛星的奠基人阿瑟·克拉克，1979年寫了小說《天堂的噴泉》，書中提到太空聚集的所有垃圾“都被定位，并以某種方式處理。”他甚至設計出這樣的清理行動：空間堡壘利用高能激光器對天空進行大掃除，把垃圾蒸發掉。

克拉克警告說，如果我們不采取行動，地球與外界聯絡的通道將被切斷，我們將失去通過衛星進行通訊和探索太空的能力。他這樣寫道：“人類將重新回到閉塞時代，由此而產生的一片混亂中，疾病和饑餓會把人類逼入絕境。”

為了推遲這一天的到來，克斯勒爾和軌道碎片項目組的同事們，制定了減緩太空垃圾堆積的有關規則。這些規則對太空可遺棄物作出了限制，他們要求衛星運營商幫助清理3.6萬公里高度、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”，以免傷及其他。截至2008年，世界主要空間機構都采納類似規則。

新規則確實減緩了太空垃圾的增加。但是，由于地球引力的作用，天空始終有東西掉下來。在美國官方記載的碎片目錄中，每天都有物體墜落，它們一旦脫離飛行軌道，在重新進入大氣層時便化為灰燼。

而那些體積較大或高密度的物體，在重回大氣層時會逃過一劫，落到地球表面，不過它們通常會掉入海洋或無人居住的曠野。也有例外：有一次一個火箭前級墜落在沙特阿拉伯的沙漠地區，給當地的牧羊人造成不小的震撼；1997年，一個鋼質燃料箱掉入美國得克薩斯州一戶人家的院子里。

美俄兩顆衛星發生碰撞事故，終于宣告一度主導空間開發的“大天空理論”的破產。聯合太空作戰中心專家克里斯·莫斯指出：“這種理論對空間開發不再具有可行性。”

美國宇航局官員現在承認，軌道碎片是對國際空間站的最大威脅。歐洲航天局碎片問題專家海納·克林克拉德呼吁全世界采取統一行動：“清除碎片是治愈克斯勒爾征候群唯一有效方法。”

2009年12月，美國國防部高級研究計劃局和美國宇航局，共同舉行有關軌道碎片清除問題的國際會議。這次會議的目的是敞開大門“集思廣益”，重頭戲是太空碎片的權威唐納德·克斯勒爾所做的發言。

國防部高級研究計劃局以前不關心太空碎片問題，但現在不得不重視起來，這次會議由計劃局戰術問題主任戴維·內蘭主持開幕式，他指出，“計劃局的參與可能使大家感到意外，其實計劃局是為了防止軌道碎片造成意外事故，而被迫尋求不同技術領域間的通力合作。”這也正是美國為間諜衛星的安全擔憂而產生的結果。

這次會議上，不少專家學者提出了一些解決方案，例如：向太空發射巨型粘球，把粘住的垃圾拖出軌道；給太空垃圾裝上帆，把它們緩緩地導向地球……

一位前美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家提出一項長期計劃，要在夏威夷山頂建一座大型激光站。一位教授建議，在衛星上安裝激光裝置，把垃圾轟入大氣層。

總的來說，有三種方案似乎有可行之處。第一種方案的提出者是美國南卡羅來納州星體科技與研究公司總裁羅姆·皮爾森，他認為完成這項任務需要7年時間。

首先，利用其他運載工具把12個手提箱大小的太空飛行器送上軌道，每個飛行器裝有100張輕質網，每張網有一座房子那么大。地面遙控人員通過機載攝像機撒網罩住太空垃圾，然后操作飛行器將垃圾拖離軌道，飛行器完成任務后返回重新工作。

皮爾森聲稱，他的系統可以在最擁擠和危險的低地球軌道，捕獲到2500塊左右的碎片，估計費用約2.4億美元。

第二種方案由美國宇航局的專家杰克·培根提出。根據他的設計，將一艘10噸重的母船送上太空，此母船能捕獲10多噸大批量生產的微型衛星。微型衛星一旦接近母船，就可以拋出網罩住它們，然后把這些碎片拖入大氣層。這種方法非常適合用來清理位于低地球軌道、重量不到1公斤的太空垃圾，但是無法清理更重的物體，如火箭外殼或失效衛星。據他估計，發射一艘母船的費用約1億美元，總共能執行12次任務。

第三種方案是美國西雅圖地區太空業務承包公司泰特爾公司的首席執行官羅布·霍伊特提出的。15年來，霍伊特一直在開發一種用于清理低地球軌道太空垃圾的魯斯特勒系統。

他的設想是：利用發射的衛星搭載重量約180公斤的中型航天器。進入軌道后，這種飛行器會緩緩接近太空垃圾，布下一根9.6公里長的導線，然后給導線施加1安培的電流。該電流會與地球的磁場相互作用產生一股推力，將垃圾送入大氣層。霍伊特的設計得到了克斯勒爾等人的贊揚，因為它簡單而成本相對低廉。據霍伊特測算，一次任務可清除數噸垃圾，所需費用僅數百萬美元。

對于太空垃圾的危害程度，在美國宇航局約翰遜航天中心工作的埃里克·克里斯琴森可以說最清楚，他領導的一個團隊專門研究軌道物體遭到碰撞后，會發生什么后果。他的實驗室名叫超高速撞擊技術實驗室。美國宇航局進行碰撞試驗的測試區建在新墨西哥州白沙地區，在那里，技術人員操作一門大炮，利用火藥和加壓氫氣把塑料塞子射向防護罩。就像真正的太空垃圾，“炮彈”飛行的速度可以達到每秒8公里。

克里斯琴森和同事對實驗結果進行研究，然后利用自己的成果協助開發更牢固的材料，并改進航天器的設計。他們還致力于開發能使航天器免遭“流彈”襲擊的保護裝置。克里斯琴森指著一種專為國際空間站設計的多層纖維和陶瓷面板介紹說：“這是目前最輕盈的防護罩，能夠抵擋2厘米大小的彈丸沖擊。”

美國宇航局原先的宏偉計劃是，在2020年把宇航員重新送上月球。隨著航天飛機最終退出歷史舞臺，以及美國的航天發射終將實現私有化，這一切似乎意味著美國宇航局的工作重點將進行調整。也許這正是認真考慮給太空進行清理的有利時機。

當然，目前主要的障礙是資金問題。但是美國宇航局在為2011年制定的預算方案中第一次出現了一筆40萬美元的獎勵基金，準備授予為清除軌道碎片做出貢獻的研究人員。該項撥款將是新工程“空間技術”的一部分，在未來5年內總資金將達到近50億美元。

對于現在已經70高齡的唐納德·克斯勒爾來說，這無疑是個令人欣喜的好消息。

他說：“任何人都可以用肉眼看到衛星，每小時都有好幾顆在上空掠過。”他常說，他最擔心聽到傳來不幸的消息，例如哪顆衛星被撞毀了，或者所有的太空任務因為碎片原因而使危險性大增。

這位因“克斯勒爾征候群”而聞名的科學家將時刻保持警覺，等待對他的再次召喚。