2020-12-15 00:08:18聖天使

擋住月亮的六便士:太空垃圾那些事



(文丨劉文元)

2020年7月1日,上海正式實施立法城市生活垃圾分類,原因在於,生活垃圾「給資源環境和經濟社會可持續發展帶來較大壓力」。

上海並非國內第一個實施立法生活垃圾分類的城市,也絕非最後一個,足見生活垃圾問題之嚴重性。目前,全國有三分之一以上的城市有垃圾圍城的困擾。

腳踏大地,仰望星空,在地球軌道上,還有無數的垃圾圍繞着我們不停地旋轉。這些太空垃圾距離我們太過遙遠,所以鮮有關注。但它們也對太空環境和人類太空活動的可持續發展帶來極大壓力,在某種程度上,其實比生活垃圾危害更大,也更值得我們關注。


垃圾圍星

1957年10月4日,前蘇聯發射人類第一顆人造地球衛星斯普特尼克1號,地球軌道便不再寧靜。迄今為止,世界各國一共執行了超過5000次發射任務,發生了200餘次在軌航天器或火箭載體爆炸/撞擊事故,產生的太空垃圾不可計數,儘管大部分已落入大氣層燃燒殆盡,但目前仍有數千噸圍繞地球飛行,而且其數量每年還以2%~5%的速度遞增。




從高軌道視角看到的太空垃圾電腦模擬圖

2009年,在軌的1.9萬個大型物體中(含約4000顆人造衛星),只有902顆是運行中的人造衛星,意味着90%以上都是太空垃圾。據NASA統計,截至2019年1月,尺寸小於1厘米的微小碎片約有1.28億塊,介於1~10厘米之間的中型碎片約有90萬塊,而大於10厘米的大型碎片則有3.4萬塊之多。


從空間分布上來看,在低於2000公里的近地軌道,由於空氣阻力和地球引力擾動較為明顯,存在大碎片的概率很低,大多數太空碎片是來自固體火箭發動機的塵埃、表面塗層脫落的碎片,以及核動力衛星的冷卻劑,等等。

在更高的軌道上,尺寸更大的太空垃圾較多,軌道衰變的時間也更長。比如很多通信衛星位於距地面3.6萬公里、垂直於赤道的地球靜止軌道。儘管速度相對更低,但當衛星廢棄時,還是會占用地球同步軌道。


太空垃圾的分類

按照目前熱門的城市垃圾分類方法,太空垃圾統統屬於「有害垃圾」。而根據來源,太空垃圾主要分為以下幾類。


一、反衛星武器的「戰績」

二十世紀中葉,美蘇爭霸,美國提出所謂的太空戰爭。在此背景下,前蘇聯和美國進行了多場太空站演練。在這期間,僅前蘇聯就進行過多次衛星攔截、爆炸試驗,給太空帶來數百塊大小不等的碎片。到了二十世紀80年代,美國又重啟了該計劃。在1985年的一次試驗中,摧毀了一顆在525公里高度運行的一噸重的衛星,產生了數千個大於1厘米的碎片。鮮有人知的是,美蘇反衛星試驗其實是太空碎片的主要來源之一。




反衛星武器製造大量的太空垃圾

在這方面,中國亦有「貢獻」。2007年,中國在反衛星導彈試驗中產生了約2300塊高爾夫球大小甚至更大的碎片、超過3萬塊大於1厘米的碎片以及約100萬塊大於1毫米的碎片。目標衛星在850公里和882公里之間的軌道上運行,該軌道高度的空氣阻力很低,所以產生的太空垃圾數十年才會被逐漸耗盡。


比較大的事件還有:2008年2月20日,美國發射了一枚SM-3導彈,以摧毀一顆有缺陷的間諜衛星,由此產生的碎片散落在近地點250公里或更低的軌道上。今年3月27日,印度用地面導彈擊落了一顆近地軌道衛星。隨後,美國空軍太空司令部表示,他們正在跟蹤由此產生的270塊碎片,但預計碎片的數量遠不止於此。


二、宇航員丟失/丟棄的設備

宇航員在空間站工作時,由於沒有重力影響,物體全部處於漂浮狀態,稍有不慎就可能導致一些物體失去控制進入太空之中。


耶魯大學統計學家愛德華·塔夫特在著作《想象信息》(Envisioning Information,1990)中指出,此類太空垃圾包括:美國宇航員愛德·懷特在太空行走任務中丟失的一隻手套,美國宇航員邁克爾·科林在雙子星10號飛船附近丟失的相機,國際空間站第一次航天飛機任務STS-88期間丟失的一條毛毯,蘇聯宇航員在和平號空間站使用期間丟棄的生活垃圾、一支扳手和一支牙刷,宇航員蘇妮塔·威廉姆斯在執行前往國際空間站任務STS-116時丟失的相機,海德瑪莉·斯蒂法妮斯海恩-派珀在STS-126任務期間丟失的一個公文包大小的工具包。




STS-88任務期間丟失的毛毯

三、已報廢的航天器

廢棄的航天器進入大氣層燒毀是一個十分漫長的過程。一般來說,距地面300公里的太空垃圾壽命約為1年,600千米時則為數十年,1000千米以上就能存續上百年,到了4000千米往上,太空垃圾可以存在上千年,甚至永久存在。

在軌時間最久的太空垃圾來自美國。1958年,美國將人類第一顆太陽能驅動的人造衛星——前鋒1號(Vanguard Ⅰ)發射到中地球軌道,1964年,該衛星停止發送信號,至今仍漂浮在地球軌道上。




前鋒一號

另一個報廢的衛星的例子,是二十世紀七八十年代蘇聯海洋雷達偵察衛星RORSAT的遺骸。該衛星被用來監視美國核潛艇在各大洋上的行蹤,其BES-5核反應堆是用鈉鉀合金的冷卻環路來回收冷卻的,當衛星壽命終止時,就產生了一些潛在問題。一方面,在50年內,冷卻劑有8%的概率會泄漏,泄漏後即會凍結成固體鈉鉀合金微粒,成為太空垃圾碎片。另一方面,數百年後衛星墜入地球,也會造成核污染。

更近的還有2015年2月,美國空軍的一顆用於氣象研究的軍用衛星DMSP-F13,由於電力系統溫度急劇上升而突然在軌道上爆炸,產生了至少149個碎片,預計將在軌道上殘留數十年。

可以肯定是,這類事件還將持續發生。


貽害無窮

殘留於地球軌道上的太空垃圾如此之多,很難不擔心它們釀成更大的事故。尤其是這些碎片的運行狀態各不相同,有的較快,有的較慢,有的軌道距地球較遠,有的較近,這些垃圾以及在軌運行的航天器自然存在相撞的可能性。


我們知道,太空垃圾的飛行速度約為7.8千米/秒,如果撞擊到航天器表面,質量輕的可能只是留下撞擊的凹痕,質量重者則可能穿透航天器,造成部分系統失靈,甚至會使航天器脫軌。為了研究太空中的微流星體和垃圾碎片對航天器造成的傷害,1984年4月,挑戰者號航天飛機將圓柱形「長期暴露裝置」釋放到近地軌道,到1990年1月被回收後檢查發現,其表面僅肉眼可見的撞擊凹痕就超過3.2萬個,相當於每天被撞擊15次。




長期暴露裝置

對於太空垃圾的危害,美國科學家唐納德·凱斯勒曾於1978年提出理論假設,即凱斯勒現象或碰撞級聯效應。該假設認為,當近地軌道運轉物體的密度達到一定程度時,它們在碰撞後產生的碎片能夠形成更多的新撞擊,形成級聯效應,近地軌道將被危險的太空垃圾所覆蓋,從而使得太空環境變得非常危險,甚至在之後的數百年內都無法進行航天活動。




此外,太空碎片進入大氣層時會發生燃燒,但較大的碎片可能不會燒毀殆盡,殘餘的部分落入地球,就會對地球上的生物造成致命威脅。特別是以核能為推動力的航天器碎片,一旦墜入地球,後果將不堪設想。據統計,在2011-2013年,每年都會有400塊左右超過10厘米的太空碎片墜入大氣層,其中大概有10%最終會墜入地球。

從這個意義上來說,太空垃圾對航天飛行器以及地球上的生命體均會造成威脅。下面讓我們看一看太空垃圾造成危害的一些實例。


撞擊航天器。1983年,挑戰者號航天飛機被一塊0.2毫米的塗料碎片擊中,導致舷窗劃傷,只好提前返回地球。1986年,阿麗亞娜號火箭進入軌道後不久便爆炸,其殘骸使兩顆日本通信衛星「命喪黃泉」。


阿麗亞娜號火箭的殘骸在軌道上陰魂不散,甚至在28年後迫使國際空間站調整飛行軌跡,以避免與其中的一塊碎片相撞。而2009年發生的第一次重大衛星碰撞事故更是凱斯勒現象的不幸應驗:2月10日,兩顆衛星(銥星33號和已經退役的蘇聯宇宙2251號)相撞,相撞速度約為11.7公里/秒,僅僅4個月後,碰撞產生的太空碎片就已經幾乎布滿大半個地球上空。




左:銥星33號和宇宙2251號相撞當天;右:相撞4個月後的太空碎片分布。

墜入地球。1978年,蘇聯的一顆核動力衛星因太空碎片的撞擊墜毀在加拿大,產生了嚴重的核污染,加拿大政府依照空間法索賠600萬加元,經過談判,蘇聯政府最終支付了300萬加元。


此次事件不僅致使多人死亡,而且在公眾中造成了巨大恐慌。

次年,美國「太空實驗室計劃」的空間站墜入印度洋和澳大利亞西部海域,在這個過程中,導致澳大利亞珀斯附近的居民樓房玻璃被震碎。


2003年的哥倫比亞號災難中,爆炸後的航天器碎片到達地面,在得克薩斯州賽賓縣周圍16公里的範圍內,除了宇航員的遺體之外,還有超過8.3萬件碎片被收回,其中的一塊十幾厘米的金屬支架在墜落過程中還砸爛了一家牙醫診所的屋頂;在此期間,NASA一再警告任何殘骸都可能含有有害化學品,人們不應接觸,但一些當地居民還是無視警告,企圖在eBay上高價拍賣撿到的碎片。




哥倫比亞號航天飛機爆炸後的碎片

實際上,太空垃圾釀成的事故不勝枚舉,以上所述僅是九牛一毛而已。




《地心引力》中的衛星遭到太空垃圾碎片撞擊

當然,不少文藝作品也表達了對太空垃圾問題的關注。科幻迷非常熟悉的《地心引力》正是對凱斯勒現象的絕佳演繹:一顆俄羅斯衛星被導彈擊毀,碎片在地球軌道上以極高速度散開,並擊中其他衛星,級聯效應製造了新的碎片,最終釀成太空災難。在電影《機器人總動員》中,瓦力與伊娃乘坐飛船衝出地球時,必須鑽出厚厚的一層太空垃圾,細心的觀眾還會發現其中有斯普特尼克1號的身影。




《星空清理者》劇照

電視劇、漫畫、音樂等方面的作品也對此均有涉及。1979年的美劇《打撈1》(Salvage 1)中有一位廢品回收商,成立了一家太空垃圾打撈公司;1999-2004年的日本漫畫《星空清理者》(PlanetES)講述了在不遠的未來,太空垃圾泛濫成災,嚴重危及太空站和航天船的安全,一群熱愛宇宙之人——帝人公司殘骸課的成員登場,負責收集和處理這些太空垃圾,這部漫畫2003年的動畫版還有對NASA軌道垃圾項目辦公室的採訪;2009年,美國組合Rhett & Link寫了一首名為《太空垃圾》(Space Junk)的歌曲,歌詞的主角就是兩名負責清理廢棄衛星和火箭殘骸的太空垃圾清理員。


太空垃圾,能拿你怎麼辦?

俗話說,兒行千里母擔憂。把價值連城的航天器送到兇險的地球軌道上,更是時刻牽掛它的安危。最容易想到的辦法,就是對它「臨行密密縫」,為它穿上屏蔽防護。對付0.1~1厘米的太空碎片還行,但防禦更大的碎片撞擊就顯得力不從心了。而且,這種方法還會極大地增加航天器的製造成本和發射成本。


一、惹不起但躲得起

面對這些來勢洶洶的太空垃圾,脆弱不堪的航天器自然是惹不起,但總躲得起吧?如果能通過精準的監測和軌道計算,來提前預警,並讓航天器及時變軌來躲避碎片,難度倒不算很大。中國、美國、俄羅斯等航天大國均已建立起了比較完善的監視系統。




ESA構想的地面監控系統,包括光學監測設備、雷達和激光技術等在內的綜合系統。

其中,地基監測是基本方法,主要分為雷達監測(利用調頻無線電波反射的原理)和光學監測(利用望遠鏡系統對碎片進行觀測),它們分別監測低軌道和高軌道的太空碎片。儘管10厘米以下的碎片軌道穩定性會降低,但地基監測仍然能夠追蹤到1厘米以下的碎片。不過,絕大多數碎片還是無法被追蹤。


另一種監測方法就是太空監測。美國在2002年就啟動了「天基太空監視衛星」計劃,第一顆衛星於2010年9月25日發射升空,2013年完全形成作戰能力。


該系統包含1顆天基太空監視(SBSS)衛星和4顆地球同步軌道太空態勢感知計劃(GSSAP)衛星,對地球同步軌道目標進行探測,其中,SBSS衛星在低軌掃描高軌,GSSAP則可對地球同步軌道目標進行巡視探測、特徵描述。美國下一步還打算向3.6萬公里的同步軌道上發射由4顆衛星組成的星座,目標是無死角、高精度地對地球同步軌道以下所有直徑超過1厘米的目標進行監測和跟蹤,包括飛出大氣層的遠程洲際導彈。


二、主動進擊才能海闊天空

隨着碎片數量越來越多,被動防禦顯然不是長久之計,主動清除才是扭轉碎片增長的必要措施。

自我流放或自殺

當運行在高軌道的航天器出現故障或使用壽命到期時,通過遙控飛行器上的發動機,讓它改變軌道,流放到「太空墳場」,即更高的無用軌道。我國的「風雲」系列通信衛星就為此裝備了脫軌遙控系統。而低軌道運行的航天器報廢后,最好的處理方式是通過地面遙控系統迫使其墜毀在無人區或海洋,比如世界上最重的兩顆衛星——17噸重的美國康普頓射線望遠鏡和100噸重的俄羅斯和平號空間站,在行將報廢之際,都是通過人空遙控的方式迫使其墜入南太平洋上的一個被稱為「航天器墳場」的海域。但是,這也對墜落區域造成了污染。




左:康普頓射線望遠鏡;右:和平號空間站


外力清除

遙控清理飛行器。遙控飛行器捕獲太空碎片,然後將其集中送到「太空墳場」,或拖入大氣層燒毀。瑞典曾於2012年提出「太空清理一號」的設想,這是一顆猶如水母觸鬚一樣的衛星,該計劃分為發射、接近目標、捕獲目標、進入大氣層四個階段。

2016年6月25日,我國長征七號運載火箭將遨龍一號空間碎片主動清理飛行器發送入軌道,經過實際操作試驗,在太空環境下,遨龍一號的機械臂成功抓捕到了漂浮的空間碎片和小型廢棄衛星。




上:遨龍一號;下:太空清理一號

薄膜/網。2016年,NASA投資研發一種膜式飛船,它採用特殊的二維薄膜材料製成,推進劑以液體的形式儲存在兩片薄膜之間10微米的縫隙中。該航天器重量約為35克,展開後約1平方米,可以包裹住太空垃圾,使其離開軌道,拖入大氣層燒毀。


2018年4月,英國薩里衛星公司的研究項目「清理碎片」小衛星(RemoveDebris)被送到國際空間站,9月16日進行了第一次網捕試驗。這顆冰箱大小的衛星配備了1個小型魚叉式裝置、1個視覺跟蹤系統和1個制動帆。試驗時,衛星利用彈簧機構將5米寬的網對着6米處的目標物體彈出,捕獲目標物體後,網會攥成一團,並在未來幾個月內脫離原有軌道,最終墜入大氣層燒毀。




一種網式太空垃圾清理裝置

激光照射。從地球上發射激光對空間碎片進行照射,產生阻力,使其減速,改變軌跡或墜入地球。2011年,NASA曾設想過用激光推動太空碎片,使其偏離軌道,從而避免它們之間發生碰撞。其時,他們的研究表明,向一塊碎片發射激光束,可以產生1毫米/秒的推動力。


但客觀來說,很難讓太空垃圾在大氣層中燃燒殆盡,而且激光能量也可能會將稍大的碎片進一步擊碎,從而使問題加劇。科幻大師阿瑟·克拉克在《天堂的噴泉》中還想象了一種天基激光發射裝置:用裝備有高能量激光的太空堡壘掃蕩天空,用激光炮將所有垃圾氣化。




從太空對太空垃圾發射激光想象圖

科學家們還有很多清除太空垃圾的奇思妙想,不過原理都跟上面的差不多,要麼將碎片拖入大氣層,要麼推到太空墳場。到底哪些方法有效,還需要實踐證明。目前來說,還沒有一種方案有實際應用。

如今,太空就像大航海時代的海洋一樣成為充滿機遇的樂土,SpaceX、藍色起源、維珍銀河等眾多私人航天公司也紛紛嶄露頭角,並計劃在未來數年內發射數千顆小衛星,地球軌道將變得愈加擁擠。由於小衛星的壽命僅有15年左右,這無疑提高了太空垃圾產生的速度。


而人類尚未找到一個在技術和經濟上都行之有效的清除太空垃圾的方案。因此,未來的太空環境會變得更加惡劣。NASA、ESA等機構的分析指出,到2050年,僅低地球軌道區域10厘米以上的碎片數量就會超過5萬個,2100年將超過10萬個,衛星碰撞數將增加6倍。人類堵死自己的太空探索之路絕非危言聳聽。




歸根結底,太空垃圾是利益之爭的產物。但從更大的尺度來看,人類共同生活在地球之城,卻像無知的孩童一樣,肆無忌憚地製造着太空垃圾,污染與治理嚴重脫節。太空垃圾分類比生活垃圾容易得多,根本無需強制單個組織單獨執行。它們就在那裡,都是有害垃圾。


但太空垃圾的防禦和治理卻絕非一家公司或一個國家之事,這是人類共同的敵人,需要世界各國、各學科展開廣泛合作,打破自身渺小的局限性,減少相關的太空試驗,並攜手研究清理太空垃圾之術,為子孫後代留下一個潔淨的太空,也為人類留一扇探索宇宙的暢通無阻的大門。不要讓群星變成遙不可及的夢幻。---(鈦媒體)