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太空垃圾包括因壽命已盡而報(bào)廢、因事故和故障而失控的人造衛(wèi)星、發(fā)射各類航天器時(shí)使用過(guò)的火箭本身及其一部分零件。
多級(jí)火箭分離時(shí)產(chǎn)生的碎片、大塊碎片相互碰撞后產(chǎn)生的小碎片，甚至還有宇航員在太空作業(yè)時(shí)遺失的手套和工具等物品。
宇航員太空艙外高空作業(yè)
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1957年到2005年，世界各國(guó)總共發(fā)射成功了約6000個(gè)航天器。
其中俄羅斯3121個(gè)，美國(guó)1802個(gè)，其他國(guó)家、地區(qū)和組織為764個(gè)（其中日本109個(gè)，中國(guó)88個(gè)，法國(guó)46個(gè)，印度38個(gè)等）。
其中通信衛(wèi)星1671顆，遙感衛(wèi)星2107顆，導(dǎo)航衛(wèi)星384顆，科學(xué)衛(wèi)星和試驗(yàn)衛(wèi)星1049顆，空間探測(cè)器140個(gè)。
另?yè)?jù)美國(guó)關(guān)注科學(xué)家聯(lián)盟組織2007年初公布的世界衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(kù)顯示，環(huán)繞地球飛行的共有近800顆各類衛(wèi)星，其中413顆屬于美國(guó)。
這些衛(wèi)星在使用壽命耗盡后都會(huì)通過(guò)變軌來(lái)碰撞大氣自毀，然而，高軌道衛(wèi)星動(dòng)能龐大，使得它們難以減速墜毀，一些老舊的衛(wèi)星的操作也會(huì)遇到不可預(yù)期的問(wèn)題而失控。
這是目前大型垃圾的主要來(lái)源，如“高層大氣研究衛(wèi)星（UARS）”、尖兵一號(hào)人造衛(wèi)星。
高層大氣研究衛(wèi)星太空假想
在發(fā)射衛(wèi)星上太空的過(guò)程中，大部分火箭的第一節(jié)都會(huì)自然落入大氣燒毀，而后面級(jí)若能達(dá)到入軌高度，一般則會(huì)進(jìn)行反推來(lái)回收（早期版本的火箭可能不會(huì)擁有此功能）。
不過(guò)少部分情況下，會(huì)因?yàn)橐嫱蝗槐ɑ蚴橇憬M件遺落、燃料估算錯(cuò)誤而導(dǎo)致最終可能無(wú)法進(jìn)行所謂可操作墜毀的過(guò)程。
除了航天器之外，美國(guó)在20世紀(jì)60年代曾經(jīng)執(zhí)行過(guò)西福特計(jì)劃（Project West Ford），將4億3000萬(wàn)根銅制偶極天線散布在軌道上形成云狀環(huán)，從而反射無(wú)線電信號(hào)以便海外的美軍能更好地與本國(guó)聯(lián)系。
這個(gè)計(jì)劃散布的針狀物分布于高度在3500公里到3800公里之間，軌道傾角在96度到87度之間的軌道范圍。
根據(jù)當(dāng)時(shí)美國(guó)聯(lián)合國(guó)大使阿德萊·史蒂文森的說(shuō)法，在太陽(yáng)輻射壓力的作用下，這些針將會(huì)在短短3年內(nèi)離開(kāi)軌道。
但事實(shí)上直到現(xiàn)在仍有相當(dāng)數(shù)目的針殘留在軌道上，偶然才會(huì)返回大氣層。
銅制偶極天線，全長(zhǎng)1.78厘米，直徑25.4微米（1961年）/17.8微米（1963年）的針狀物
一些太空作業(yè)過(guò)程也會(huì)意外地遺留下太空垃圾。
在Edward Tufte所著的書(shū)籍《Envisioning Information》中提及到現(xiàn)存的太空垃圾當(dāng)中包括一只太空人愛(ài)德華·懷特在進(jìn)行艙外活動(dòng)時(shí)遺失的手套。
邁克爾·科林斯在雙子星座10號(hào)任務(wù)期間遺失的攝影機(jī)及和平號(hào)空間站運(yùn)作15年間棄掉的垃圾袋、一個(gè)扳手和一支牙刷。
參與STS-116（第120次航天飛機(jī)計(jì)劃）的蘇尼特·威廉斯在一次艙外活動(dòng)期間也丟失了一個(gè)攝影機(jī)。
STS-120的工作人員在維修國(guó)際空間站上一塊太陽(yáng)能電池板時(shí)遺失一對(duì)鉗，在STS-126中一名太空人進(jìn)行艙外活動(dòng)時(shí)丟失了一個(gè)大約公文包大小的工具包。
在STS-126中丟失的工具包
太空垃圾的另一主要來(lái)源是冷戰(zhàn)時(shí)期反衛(wèi)星武器的研發(fā)，美國(guó)與蘇聯(lián)在60至70年代所進(jìn)行的一系列反衛(wèi)星武器試驗(yàn)制造了大量太空垃圾。
80年代，美國(guó)重新啟動(dòng)反衛(wèi)星武器計(jì)劃，與渥特（Vought）公司簽約研發(fā)出ASM-135反衛(wèi)星導(dǎo)彈，并在1985年進(jìn)行實(shí)驗(yàn)擊毀了一個(gè)環(huán)繞地球重2200磅的衛(wèi)星，制造了上千顆大于1厘米的太空垃圾。
所幸由于實(shí)驗(yàn)在較為低的軌道上進(jìn)行，大部分的碎片被重力牽引并在大氣層內(nèi)燃燒殆盡。
反衛(wèi)星武器假想圖
太空垃圾一般在高300~450公里的近地軌道上以每秒7~8公里高速運(yùn)動(dòng)，而在36000公里高度的地球靜止軌道上則以每秒3公里的速度運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)軌道傾角碰撞時(shí)的相對(duì)速度甚至可以達(dá)到每秒10公里以上，因此具有巨大的破壞力。
因此太空垃圾若與運(yùn)作中的人造衛(wèi)星、載人飛船或國(guó)際空間站相撞，會(huì)危及設(shè)備甚至宇航員的生命。
據(jù)計(jì)算，一塊直徑為10厘米的太空垃圾就可以將航天器完全摧毀，數(shù)毫米大小的太空垃圾就有可能使它們無(wú)法繼續(xù)工作。
而太空垃圾也因此成為了國(guó)際問(wèn)題。
太空垃圾的分布示意圖
為控制和減少太空垃圾，宇航專家們提出了許多對(duì)策，總結(jié)為“避、禁、減、清”四個(gè)字。
“避”就是發(fā)展現(xiàn)代太空監(jiān)視系統(tǒng)，使航天器及時(shí)避開(kāi)太空垃圾。
日本本州島岡山縣一臺(tái)遠(yuǎn)程控制雷達(dá)2005年開(kāi)始工作，這是世界上第一臺(tái)專門(mén)用來(lái)跟蹤太空垃圾移動(dòng)的雷達(dá)，它能同時(shí)跟蹤近十個(gè)物體。
美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)（US Space Surveillance Network, SSN）、俄羅斯空間監(jiān)視系統(tǒng)（Space Surveillance System, SSS）等機(jī)構(gòu)對(duì)約10厘米以上的較大太空垃圾進(jìn)行編錄并實(shí)時(shí)監(jiān)視，而日本也在美星空間警戒中心、上齋原空間警戒中心進(jìn)行太空垃圾的觀測(cè)工作。
已被編錄的大于10厘米的太空垃圾現(xiàn)已經(jīng)超過(guò)9000個(gè)，而1毫米以下的微小太空垃圾可能有幾百萬(wàn)甚至幾千萬(wàn)個(gè)。
“禁”是禁止在空間進(jìn)行試驗(yàn)和部署各種武器，限制發(fā)射核動(dòng)力衛(wèi)星。
“減”就是盡量減少太空垃圾的增加。
我國(guó)已掌握了火箭剩余燃料排放技術(shù)，避免在執(zhí)行火箭發(fā)射任務(wù)后產(chǎn)生太空垃圾。
“清”就是發(fā)展太空垃圾清除技術(shù)，美國(guó)航空航天局正在試驗(yàn)一種“激光掃帚”技術(shù)擊落太空垃圾。
俄羅斯科研人員還開(kāi)發(fā)出保護(hù)航天器與太空垃圾碰撞的新防護(hù)屏。
當(dāng)太空碎片與其發(fā)生碰撞時(shí)，將降低碰撞的強(qiáng)度，碰撞產(chǎn)生的能量還使太空垃圾發(fā)生爆炸式的化學(xué)反應(yīng)，大大加快了太空碎片變成粉末的過(guò)程。
目前比較具體的太空垃圾清理方案設(shè)想有五個(gè)，一是美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)提出“彈弓-衛(wèi)星太空清掃器”的設(shè)計(jì)方案。
該方案能夠捕獲太空垃圾，再將太空垃圾投向地球大氣層燃燒，之后使用動(dòng)量航行至下一個(gè)太空殘骸目標(biāo)進(jìn)行清除。
太空彈弓設(shè)想圖
二是“立方太陽(yáng)帆”。英國(guó)提議建造“立方太陽(yáng)帆”，使用小型人造衛(wèi)星帶動(dòng)太陽(yáng)帆捕獲太空殘骸至低軌道。
最初計(jì)劃于2011年實(shí)施，但目前該計(jì)劃仍在籌劃之中，期待生產(chǎn)商薩里太空中心制造更多小型人造衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)。
立方太陽(yáng)帆計(jì)劃
三是大氣層爆炸法。美國(guó)弗吉尼亞州雷神BBN科技公司的丹尼爾-格雷戈里（Daniel Gregory）提出一種策略——在大氣層制造“爆炸”，使人造衛(wèi)星殘骸進(jìn)入低軌道燃燒。
他們?cè)诟吆０纹皆尫艢馇虮ǎ?012年初進(jìn)行的研究測(cè)試表明該方法足以擾亂低地球軌道太空殘骸的運(yùn)行路徑。
四是美國(guó)國(guó)家航空航天局希望研制的“激光掃帚”，它主要針對(duì)直徑1~10厘米的太空垃圾。
“激光掃帚”鎖定某個(gè)太空垃圾目標(biāo)后，將發(fā)出一束激光，照射在太空垃圾背離地球的一端，使之部分升華為氣體。
就像噴氣式飛機(jī)的原理一樣，利用氣體的反作用力推動(dòng)太空垃圾朝地球的方向運(yùn)動(dòng)，最終使其進(jìn)入大氣層，與大氣層產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦而燃燒自毀。
五是太空清理衛(wèi)星，瑞士航天中心正在研發(fā)一種超快仿生手臂，將其安裝在“清潔空間一號(hào)”衛(wèi)星上，捕捉并回收太空垃圾。
瑞士航天中心希望這個(gè)機(jī)械手臂能在0.05秒內(nèi)抓住各種不規(guī)則形狀的拋擲物。
我國(guó)新一代運(yùn)載火箭長(zhǎng)征七號(hào)2016年6月25日首飛搭載的遠(yuǎn)征1A上面級(jí)，為中國(guó)未來(lái)空間碎片清理等軌道服務(wù)奠定了工程應(yīng)用基礎(chǔ)，對(duì)于中國(guó)空間運(yùn)輸與應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展具有里程碑意義。
首飛火箭搭載載荷“遨龍一號(hào)空間碎片主動(dòng)清理飛行器”也在探索太空垃圾清除相關(guān)技術(shù)。
遨龍一號(hào)空間碎片主動(dòng)清理飛行器發(fā)射
雖然說(shuō)由于太空垃圾的體積限制，導(dǎo)致數(shù)量眾多的它們均攤到地球周?chē)鷱V袤太空時(shí)顯得稀稀疏疏，但太空垃圾的存在依舊會(huì)嚴(yán)重影響到地球太空探索的安全。
2005年1月17日世界時(shí)2點(diǎn)14分，在南極上空東經(jīng)306.8°、南緯80.6°的885千米高空發(fā)生了一起“宇宙交通事故”。
我國(guó)一塊長(zhǎng)征四號(hào)火箭的碎片與美國(guó)雷神-博納火箭的末級(jí)相撞，撞擊的結(jié)果是雷神-博納火箭被撞出兩塊地面可跟蹤的碎片。
太空垃圾假想圖
太空垃圾能否清除關(guān)系到我們未來(lái)能否自由地進(jìn)入太空，我們不能任由它們漫天飛舞。
各國(guó)科學(xué)家正在行動(dòng)，相信一定能夠還宇宙一片干凈的星空。
（作者系中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心博士，現(xiàn)中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部型號(hào)設(shè)計(jì)師）
中科院地質(zhì)地球所
