地球外的人造垃圾場

危險(xiǎn)重重的外太空

「休斯頓總部傳來駭人消息，不久前行將廢棄的俄羅斯衛(wèi)星被導(dǎo)彈擊毀，碎片以超過子彈的速度在地球軌道上散開，并意外擊中其他衛(wèi)星，引起的連鎖反應(yīng)制造了新的碎片。而一臺隸屬于美國的空間站也被損毀，除了出艙的兩人，其他人全部喪命。」電影《地心引力》以此為背景展開了一場逃回地球的故事。

電影展示給我們的絕不是夸大其詞，而是很可能真實(shí)發(fā)生的情況。據(jù)科學(xué)家估算，目前太空中約有1.9萬多塊直徑大于4英尺的太空碎片圍繞地球軌道高速運(yùn)轉(zhuǎn)，3000噸太空垃圾在繞地球飛奔，而且數(shù)量以每年2%至5%的速度遞增。

從1957年第一顆人造地球衛(wèi)星「東方」號被前蘇聯(lián)送上太空軌道以來，在這50余年的時間里，人類總共向地球近地和遠(yuǎn)地軌道發(fā)射了超過5000個各種類型的人造航天器。據(jù)美國國家航天局（NASA）統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在環(huán)繞著地球飛行的人造航天器碎片估計(jì)超過5000萬個，其中有超過50萬塊比郵票還大的太空碎片也存在于茫茫太空中；而小粒子可能有幾千萬，平均每立方公里的空間里已有10件以上碎片。歐洲航天局控制中心發(fā)布的一組電腦照片顯示，地球上空已成了一個垃圾場。構(gòu)成這些垃圾的東西是：廢棄的航天器和報(bào)廢衛(wèi)星、火箭外包裝、螺母和螺栓、不慎丟棄的工具、大塊冰凍火箭燃料，以及從載人飛船上扔下的宇航員排泄物等等。但是主要來源還是上世紀(jì)六七十年代美國和前蘇聯(lián)測試發(fā)射的反衛(wèi)星武器。

盡管大多數(shù)碎片尺寸微不足道，但超過2萬公里的超高時速使得這些微小的行星碎片變得危險(xiǎn)無比。如果不幸撞上衛(wèi)星或空間站，這些小碎片的威力將可能超過步槍射出的子彈。而那些更大的碎片，如停止工作的衛(wèi)星殘骸、太空站上脫落的零件等直徑超過10厘米的物體，若以這樣的高速撞上正在使用的航天器，足以引發(fā)一場無可挽救的災(zāi)難。其實(shí)，在航天史上，太空垃圾造成的事故和災(zāi)難已經(jīng)屢見不鮮。現(xiàn)在的航天器已經(jīng)根本無法避免與微小碎片相撞，只能通過加強(qiáng)自身的防護(hù)能力來應(yīng)對。最糟糕的一種可能性是，宇航員將不得不停止出艙行走活動，因?yàn)榧幢闶且稽c(diǎn)油漆加速到每小時1.7萬英里的速度，也會刺穿太空服。因碎片撞擊，美國航天飛機(jī)平均每次飛行要更換1.41塊舷窗。而那些正在軌道上運(yùn)行的還處于人們操控之中的衛(wèi)星也好不到哪里去。為了規(guī)避越來越多的太空垃圾，它們不得不經(jīng)常性地使用動力變軌，這樣很容易侵入到別的衛(wèi)星運(yùn)行的軌道，結(jié)局就是兩顆衛(wèi)星不可避免地發(fā)生碰撞。

「撞」出來的太空垃圾

為了研究太空垃圾對航天器的危害到底有多大，1984年4月，「挑戰(zhàn)者號」航天飛機(jī)將圓柱形的「長期暴露裝置」釋放到近地軌道，其用途之一是檢測太空垃圾撞擊的影響。5年零9個月后，該裝置被回收，檢查發(fā)現(xiàn)，其表面僅肉眼可見的撞擊凹痕就超過32000個，最大凹痕直徑達(dá)0.5厘米。相當(dāng)于每天被撞擊15次，每繞地球一周就被撞擊一次。美國天體物理學(xué)家唐納德·凱斯勒指出，當(dāng)報(bào)廢人造衛(wèi)星和其他太空垃圾在軌道上越積越多時，它們互相碰撞的概率也將變大，直到發(fā)生不可避免的撞擊。被撞擊的物體將會碎裂成無數(shù)同樣危險(xiǎn)的碎片，引起更多的連鎖撞擊。「這樣一來，太空中的垃圾數(shù)量將以空前速度增長，在地球周圍形成一個垃圾帶。」如果對航天器產(chǎn)生的碎片不加控制，隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，航天器自然形成的太空碎片將不斷增加。碎片之間也會發(fā)生撞擊，產(chǎn)生更小、更多的碎片。這是一個類似于「鏈?zhǔn)椒磻?yīng)」的惡性循環(huán)。在很短的時間內(nèi)，太空碎片的數(shù)量將像雪崩一樣達(dá)到無法控制的地步，直到近地空間完全被碎片籠罩，再也沒有航天器可以突破這個由碎片構(gòu)成的「牢籠」。科幻動畫片《Wall.E》就講述了由于人類無度地破壞環(huán)境，到2700年地面已經(jīng)被垃圾覆蓋，就連地球外層也包裹著厚厚一層「垃圾云」。人類不得已全體移居到太空船上，并且使用機(jī)器人清除地球上的垃圾，等待著有一天垃圾清理完重新回到地球上。這種宇宙垃圾可能會導(dǎo)致的現(xiàn)象現(xiàn)在已經(jīng)被命名為「凱斯勒現(xiàn)象」。

太空偵查系統(tǒng)

聯(lián)合國外層空間和平利用委員會英國代表團(tuán)團(tuán)長理查德·克魯塞教授認(rèn)為，近地軌道上的航天器與太空垃圾碰撞的可能性正在與日俱增，這一形勢也正因?yàn)槿祟惒煌５匕讶嗽煳矬w送進(jìn)太空而越來越惡化。人造衛(wèi)星現(xiàn)在已經(jīng)變成了人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠郑鼈兡軌蛱峁┖芏喾浅Ｖ匾姆?wù)，故而首要的任務(wù)就是保證這些衛(wèi)星不被破壞和摧毀。

美國從1957年便開始經(jīng)營太空物體跟蹤系統(tǒng)，「天基」太空監(jiān)視衛(wèi)星、「太空籬笆」減少太空垃圾。「太空籬笆」系統(tǒng)統(tǒng)包括3個雷達(dá)發(fā)射站和6個接收站，分布在從喬治亞州的塔特納爾到加利福尼亞州的圣地亞哥的廣大區(qū)域。這項(xiàng)技術(shù)將取代1961年建造的美國空軍「太空偵察系統(tǒng)」，因?yàn)榕f的系統(tǒng)已不足以應(yīng)付大量增加的太空垃圾，諾思羅普-格魯曼公司特別項(xiàng)目部主任里奇·戴維斯說，與舊系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)將能更準(zhǔn)確更快速地發(fā)現(xiàn)、跟蹤太空垃圾，從而有效預(yù)防太空軌道中發(fā)生的碰撞事件，避免太空垃圾給衛(wèi)星造成破壞。這些太空雷達(dá)發(fā)射持續(xù)的無線電波，像籬笆一樣梳理地球軌道上體積大于籃球的物體。該系統(tǒng)每月進(jìn)行500萬次探測，每天可以探測1萬個物體，并同時跟蹤200個近地目標(biāo)。現(xiàn)在，全世界了解到的空間物體碰撞事件，基本都是由美國監(jiān)測到的，而其他國家的航天部門以及商用衛(wèi)星公司目前都非常依賴于NASA對其衛(wèi)星可能面臨的碰撞威脅所提供的預(yù)警信息。歐洲也依靠美國的空間監(jiān)視網(wǎng)來獲取有關(guān)軌道碎片的信息。美國的地纂空間臨測網(wǎng)主要利用深空成像系統(tǒng)（ODSI），以及快速攻擊識別、探測及報(bào)告系統(tǒng)（RAIDRS）。

空間態(tài)勢 感知項(xiàng)目

現(xiàn)在，關(guān)注太空垃圾問題的并非只有美國一家，不過，如何將世界各國的空間態(tài)勢監(jiān)測體系整合到一起，成為統(tǒng)一的空間交通管制系統(tǒng)，需要以聯(lián)合國為首的國際組織的廣泛參與和長期努力。聯(lián)合國外層空間和平利用委員會也正在研討建立具體的規(guī)定，以保證那些服役期滿即將退役的人造衛(wèi)星能夠不再停留在軌道上，而是按期進(jìn)入大氣層被燃燒和分解掉。這樣就能夠保證太空垃圾的數(shù)量不再進(jìn)一步上升。對于如何清除目前已經(jīng)存在的太空垃圾的可行性研究也在穩(wěn)步推進(jìn)中。

同時，聯(lián)合國也在考慮使用各國分別發(fā)射的微小衛(wèi)星組成新的空間態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)，并整合全球的太空望遠(yuǎn)鏡基站，形成全球光學(xué)追蹤和觀察網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一對太空中的人造物體和太空垃圾進(jìn)行監(jiān)測。歐洲空間局也已經(jīng)開始著手建立一套全新的外層空間追蹤系統(tǒng)，并將其命名為「空間態(tài)勢感知項(xiàng)目」，新的系統(tǒng)將成為國際太空交通管制系統(tǒng)的一個必要組成部分。「空間態(tài)勢感知項(xiàng)目」有多個歐洲國家參與，首期計(jì)劃投入620萬歐元資金，并將在未來數(shù)年內(nèi)將投資增加到5500萬歐元的水平。這將使得歐洲擺脫長久以來對美國空間態(tài)勢感知系統(tǒng)的依賴。也增強(qiáng)了自己探測外太空的能力。

「太空牧羊犬」

對于宇宙垃圾的清除，各國的外太空環(huán)保組織也積極參與其中。2010年3月，英國薩里大學(xué)的科學(xué)家公布了「立方帆」的設(shè)計(jì)，可以使較大的太空垃圾脫離軌道。立方帆展開后成為一塊5m×5m的塑料薄膜，近地軌道上的稀薄空氣分子作用在這層薄膜上，可使其緩緩減速。立方帆將單獨(dú)發(fā)射并且在地面的引導(dǎo)下使用自身的動力來靠近太空垃圾。一旦和太空垃圾對接，它就會張開帆，把太空垃圾拖離軌道，墜向地面。

俄羅斯一家航天技術(shù)公司則建議開發(fā)一種名為「太空牧羊犬」的裝置，把太空垃圾逐個清出軌道。太陽能飛船上裝備有數(shù)個「牧羊犬」（放飛到碎片附近的小型飛船），「牧羊犬」圍繞太空垃圾飛行并尋找合適的對接點(diǎn)，一旦連接在一起就連同垃圾一起拖回大氣層。每次小飛船都可以捕捉相當(dāng)于自身質(zhì)量數(shù)倍的太空垃圾。

但以上辦法并不能從根本上解決太空垃圾的問題，現(xiàn)在人們的環(huán)保意識也需要延伸到外太空，而解決太空垃圾也不是單獨(dú)某一個國家的責(zé)任，畢竟越是科技發(fā)達(dá)的國家對衛(wèi)星的依賴也越多。同時，正在雄心勃勃的地制訂各自航天事業(yè)規(guī)劃的國家也要適度放棄太空事業(yè)的實(shí)行和巨大的商業(yè)利益，以確保逐漸擁擠的外太空不會成為整個人類發(fā)展的威脅。

太空垃圾帶來的重大災(zāi)難

1963年5月9日

經(jīng)過麻省理工學(xué)院建議，美國把用于進(jìn)行遠(yuǎn)程通信輔助的3.5億枚銅針（每枚長1.75厘米，直徑25微米）散播在3650千米高的軌道上，形成一個8千米寬，38千米長環(huán)狀針云，并且最終成為了太空垃圾。

1967-1982年

前蘇聯(lián)共發(fā)射24顆核動力「雷達(dá)型海洋監(jiān)視衛(wèi)星」。由于冷卻回路處于開放狀態(tài)，金屬鈉泄露到太空，形成從3毫米到4厘米不等的碎片。截至1999年，這些碎片的數(shù)量有26萬個之多，對附近航天器形成巨大威脅。

1978年1月24日

載有30千克濃縮鈾的「宇宙954」墜毀在人煙稀少的加拿大北部地區(qū)，在18000平方英里的范圍內(nèi)散落了大量帶有高放射性的碎片。雖然沒有危及人員安全，但加拿大花費(fèi)1400萬美元清除污染，并獲得蘇聯(lián)賠償。

1983年6月

寬僅0.008英寸的一小片油漆屑撞擊了美國「挑戰(zhàn)者」號航天飛機(jī)的一扇戶，雖然彈孔微小，但美國不得不以5萬美元的代價(jià)把窗戶換掉。

1986年

歐空局的「阿麗亞娜」火箭進(jìn)入軌道之后不久便爆炸，形成了564塊10厘米大小的殘骸和2300塊小碎片。這些如散彈槍彈般密集的「彈丸」后來直接造成兩顆日本通信衛(wèi)星失靈。

1991年9月15日

美國發(fā)射的「發(fā)現(xiàn)者」號航天飛機(jī)差一點(diǎn)與前蘇聯(lián)的火箭殘骸相撞，當(dāng)時「發(fā)現(xiàn)者」號與這個不速之客僅僅相距2.74千米，幸虧地面指揮系統(tǒng)及時發(fā)來警告信號，悲劇才免于喪生。

2005年1月17日

距離地球表面885千米的近地軌道，美國一枚「雷神」運(yùn)載火箭受到另外一塊火箭碎片的

碰撞。

2008年9月4日

太空垃圾威脅「阿特蘭蒂斯」號，綜合考慮各種因素，航空和航天局最終把「阿特蘭蒂斯」號這次飛行遇險(xiǎn)幾率定為80分之一。

2009年2月11日

美國的「銥星-33」與俄羅斯的一顆報(bào)廢衛(wèi)星「宇宙2251」在距地面800千米的太空中相撞。這是太空中首次發(fā)生完整的在軌衛(wèi)星相撞事件。相撞后形成的太空垃圾共有1158塊，其中俄衛(wèi)星分裂成809塊，美國衛(wèi)星分裂為349塊。在撞擊軌道附近有航天器運(yùn)行的國家都進(jìn)入緊張戒備狀態(tài)。