日趨嚴重的太空垃圾問題

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，由市政部門統一進行回收和處理。而自人類開始航天活動以來，對于太空中產生的廢棄物，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，空間碎片監測機構發現一顆名為“宇宙線背景探測器”的衛星產生了大約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，這顆衛星在碎片產生后仍在正常工作，并沒有發生因運行異常而解體的情況。后來，這顆衛星甚至圓滿完成了壽命期內的全部觀測工作，但產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，但這種奇特現象的發生說明目前人們對空間碎片產生的機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，衛星在到達壽命后，如果沒有采取離軌措施，就會成為滯留在軌道上的“死星”。

除了失效的衛星外，火箭的二級、三級或上面級等推動衛星入軌的部分，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劑，在發射后一天乃至幾十年的時間中，殘留的推進劑有可能會發生爆炸，產生少則幾塊、多則數百塊的空間碎片，且這些碎片的飛行速度各異。根據歐空局2020年10 月發布的年度空間環境報告，由火箭剩余部分爆炸產生的太空垃圾危險程度最高。

失效衛星間的碰撞會讓兩個大型太空垃圾變成數量龐大的空間碎片。2009 年2 月11 日，美國通信衛星“銥星33”與已經報廢多年的俄羅斯衛星“宇宙2251”在西伯利亞上空發生激烈碰撞，釀成了人類歷史上首次衛星與衛星相撞的重大事故。本次碰撞產生了多達2000 塊體積較大的太空垃圾，以及數量更多的、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。雖然可能產生的破壞最大，但這些碎片可以被地面設備跟蹤監測和編目，正在工作的航天器可以針對它們采取規避措施。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防護結構的方式進行應對。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。根據歐空局數據，截至2020 年1 月，太空中的大碎片數量已達34000 個以上，危險碎片的數量更是高達約90 萬個。

國際空間站曾為應對威脅緊急規避

▲ 歐空局的空間碎片監控體系

2015 年7 月16 日凌晨，空間碎片監測機構發現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于一個餐盤，來源于一顆解體的蘇聯軍事氣象衛星。這顆衛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星上脫落，成為太空垃圾。編號36912 號可能曾經是這顆衛星的熱屏蔽罩的一部分。

由于“36192 號”的軌道比較特別，空間碎片監測網中只有極小一部分臺站能夠對其實施監控?！?6192 號”盤狀的形狀和較低的質量，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。當它從監控的盲區再次出現在臺站的監控范圍中時，軌道較之前可能已經發生了較大的變化。在當天凌晨，空間碎片監測機構更新了碎片的軌道數據后，驚恐地發現這塊碎片將在幾小時內接近國際空間站，而碰撞概率已經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的后果有可能是災難性的，因此在評定撞擊風險時，使用了很低的概率作為預警的閾值。按照目前載人航天的避碰規程，當撞擊概率大于十萬分之一時，撞擊風險為中等，如果不影響任務的正常開展，航天器需要進行軌道機動以規避太空垃圾。而當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動。千分之一的撞擊概率已經屬于高風險威脅。

然而，由于發現風險的時間太晚，國際空間站已經來不及對碎片進行規避。

▲ 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檢測設施

國際空間站的艙體在設計時已經考慮了太空垃圾的防護問題，在艙體外部安裝了惠普爾保護罩。這種保護罩由一層或多層薄的金屬片構成。當空間碎片擊中保護罩時，保護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?；萜諣柋Ｗo罩也是大部分其他航天器用以防護太空垃圾撞擊的裝置。然而，經過估算后，技術人員發現國際空間站的防護能力不足以抵御“36912”的撞擊。他們只能讓空間站上的航天員進入對接在空間站上的俄羅斯聯盟號飛船中避險，并關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，“聯盟號”則可以充當救生艇，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，但在太空垃圾數量持續增長的情況下，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，是美國宇航局空間碎片數據的主要來源之一

太空垃圾的新挑戰

近年來，美國太空探索技術公司的星鏈等近地低軌通信衛星星座，為太空垃圾問題帶來了新的挑戰。按照目前太空探索技術公司的設想，星鏈衛星互聯網使用的衛星總數將高達1.2 萬顆，相當于全世界現在在軌工作衛星數的好幾倍。其他商業航天公司也提出了類似的近地通信衛星星座計劃，衛星數量從幾百顆到上千顆不等。如此龐大的衛星數量，使得即便有一小部分衛星失效，都會帶來不小的太空垃圾風險。

▲ 墜落到地面的德爾它火箭燃料箱

根據有關機構的研究結果，對于成千上萬顆小衛星組成的低軌星座系統，必須有99%以上的衛星能夠在完成任務后得到處置，在結束工作后即時離軌。

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

如果太空垃圾無節制的繼續增長，將會引發“凱斯勒效應”——空間碎片在太空中進入連環撞擊的狀態，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射到特定軌道上去。有關研究人員已經通過多種渠道呼吁政府部門和航天企業對大規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>