日趋严重的太空垃圾问题

文/ 李会超

▲ 空间碎片情况示意图

对于日常工作生活中的垃圾，我们会将它们收集后投入垃圾箱，由市政部门统一进行回收和处理。而自人类开始航天活动以来，对于太空中产生的废弃物，则多采取就地抛弃的方式，将它们遗留在太空之中。这些废弃在太空中的无功能人造物体，被航天科技人员称之为“空间碎片”，而它们更为人所知的名称，则是“太空垃圾”。

太空垃圾的来源

1989 年，空间碎片监测机构发现一颗名为“宇宙线背景探测器”的卫星产生了大约76 块空间碎片，且都是直径大于10 厘米的较大空间碎片。

卫星失效后在轨道上解体，是太空垃圾的主要来源之一。奇怪的是，这颗卫星在碎片产生后仍在正常工作，并没有发生因运行异常而解体的情况。后来，这颗卫星甚至圆满完成了寿命期内的全部观测工作，但产生空间碎片的原因仍然没有找到。虽然类似的事件并不多见，但这种奇特现象的发生说明目前人们对空间碎片产生的机制仍然没有完全充分的了解。

体积最大的太空垃圾，一般来源于失效的航天器本身。例如，卫星在到达寿命后，如果没有采取离轨措施，就会成为滞留在轨道上的“死星”。

除了失效的卫星外，火箭的二级、三级或上面级等推动卫星入轨的部分，也是太空垃圾的主要来源之一。这些航天器中一般还残留着部分推进剂，在发射后一天乃至几十年的时间中，残留的推进剂有可能会发生爆炸，产生少则几块、多则数百块的空间碎片，且这些碎片的飞行速度各异。根据欧空局2020年10 月发布的年度空间环境报告，由火箭剩余部分爆炸产生的太空垃圾危险程度最高。

失效卫星间的碰撞会让两个大型太空垃圾变成数量庞大的空间碎片。2009 年2 月11 日，美国通信卫星“铱星33”与已经报废多年的俄罗斯卫星“宇宙2251”在西伯利亚上空发生激烈碰撞，酿成了人类历史上首次卫星与卫星相撞的重大事故。本次碰撞产生了多达2000 块体积较大的太空垃圾，以及数量更多的、无法追踪的小太空垃圾。

此外，航天器上脱落的部件、油漆片，甚至是航天员出舱活动时不小心弄丢的扳手、工具，也都会成为太空垃圾。按照尺寸的不同，太空垃圾一般被划分为大碎片、危险碎片和小碎片三类，其中，大碎片的尺寸大于10 厘米。虽然可能产生的破坏最大，但这些碎片可以被地面设备跟踪监测和编目，正在工作的航天器可以针对它们采取规避措施。尺寸小于1 厘米的小碎片，虽然无法被追踪，但它们的动能较小，航天器可以通过加强防护结构的方式进行应对。而对于尺寸介于1～10 厘米之间的碎片，既无法被跟踪，又具有可观的破坏力，对航天器的潜在威胁最大，因此被称为危险碎片。根据欧空局数据，截至2020 年1 月，太空中的大碎片数量已达34000 个以上，危险碎片的数量更是高达约90 万个。

国际空间站曾为应对威胁紧急规避

▲ 欧空局的空间碎片监控体系

2015 年7 月16 日凌晨，空间碎片监测机构发现了一块太空垃圾正以危险的方式接近国际空间站。这块编号为36912 号的太空垃圾的大小大概相当于一个餐盘，来源于一颗解体的苏联军事气象卫星。这颗卫星在入轨两年多后停止工作，在随后的几十年中，碎片一直在不停地从这颗卫星上脱落，成为太空垃圾。编号36912 号可能曾经是这颗卫星的热屏蔽罩的一部分。

由于“36192 号”的轨道比较特别，空间碎片监测网中只有极小一部分台站能够对其实施监控。“36192 号”盘状的形状和较低的质量，使得其轨道很容易受到太阳活动引起的高层大气密度变化的影响。当它从监控的盲区再次出现在台站的监控范围中时，轨道较之前可能已经发生了较大的变化。在当天凌晨，空间碎片监测机构更新了碎片的轨道数据后，惊恐地发现这块碎片将在几小时内接近国际空间站，而碰撞概率已经提高到了非常高的千分之一。

对于我们生活中的日常事件，千分之一也许是一个可以忽略的概率，但由于较大的太空垃圾撞击航天器引发的后果有可能是灾难性的，因此在评定撞击风险时，使用了很低的概率作为预警的阈值。按照目前载人航天的避碰规程，当撞击概率大于十万分之一时，撞击风险为中等，如果不影响任务的正常开展，航天器需要进行轨道机动以规避太空垃圾。而当撞击概率大于万分之一时，航天器在任何情况下都必须采取轨道机动。千分之一的撞击概率已经属于高风险威胁。

然而，由于发现风险的时间太晚，国际空间站已经来不及对碎片进行规避。

▲ 国际空间站上观察到的一块空间碎片

▲ 近地轨道太空垃圾情况示意图

▲ 美国空军的空间碎片光学检测设施

国际空间站的舱体在设计时已经考虑了太空垃圾的防护问题，在舱体外部安装了惠普尔保护罩。这种保护罩由一层或多层薄的金属片构成。当空间碎片击中保护罩时，保护罩能够吸收一部分撞击能量，并让碎片解体，从而降低碎片对舱体外壁的冲击。惠普尔保护罩也是大部分其他航天器用以防护太空垃圾撞击的装置。然而，经过估算后，技术人员发现国际空间站的防护能力不足以抵御“36912”的撞击。他们只能让空间站上的航天员进入对接在空间站上的俄罗斯联盟号飞船中避险，并关闭了部分舱室的舱门。万一碎片击中空间站，这样的措施可以尽量减小破坏所造成的影响，如果空间站彻底崩溃，“联盟号”则可以充当救生艇，带航天员们离开空间站，返回地球。

好在这一事件最终有惊无险。这块碎片最终以约每小时5 万千米的相对速度掠过国际空间站，与空间站的距离仅有几千米。虽然这次国际空间站幸免于难，但在太空垃圾数量持续增长的情况下，空间碎片撞击的威胁将会长期存在，而且会越来越高。

▲ 马萨诸塞州廷斯伯勒的空间碎片跟踪雷达，是美国宇航局空间碎片数据的主要来源之一

太空垃圾的新挑战

近年来，美国太空探索技术公司的星链等近地低轨通信卫星星座，为太空垃圾问题带来了新的挑战。按照目前太空探索技术公司的设想，星链卫星互联网使用的卫星总数将高达1.2 万颗，相当于全世界现在在轨工作卫星数的好几倍。其他商业航天公司也提出了类似的近地通信卫星星座计划，卫星数量从几百颗到上千颗不等。如此庞大的卫星数量，使得即便有一小部分卫星失效，都会带来不小的太空垃圾风险。

▲ 坠落到地面的德尔它火箭燃料箱

根据有关机构的研究结果，对于成千上万颗小卫星组成的低轨星座系统，必须有99%以上的卫星能够在完成任务后得到处置，在结束工作后即时离轨。

对于正常工作的卫星来说，一般都会预留燃料，在寿命将尽时利用发动机控制卫星降低轨道，快速进入与大气层强烈相互作用并下坠焚毁的阶段。然而，如果卫星在工作过程中意外失效，就不能完成即时离轨，只能等待卫星与中高层稀薄大气的缓慢作用，使卫星的轨道逐渐降低，在经历很长时间后才能进入大气层焚毁。而根据2020年11月哈佛-史密松天体物理中心的研究，目前入轨的800 颗星链卫星，已经有约3%失效，成为了新的太空垃圾。目前，国外政府部门对于商业卫星无法正常离轨的“容忍度”为10%，对比研究结果中1%的失效上限显然高出了不少。

如果太空垃圾无节制的继续增长，将会引发“凯斯勒效应”——空间碎片在太空中进入连环撞击的状态，轨道资源因为太空垃圾的污染而枯竭，人类再也无法将航天器发射到特定轨道上去。有关研究人员已经通过多种渠道呼吁政府部门和航天企业对大规模通信星座带来的太空垃圾新威胁加以重视，以免在未来丧失对空间的有效利用。★