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每年有那么多卫星被送上太空,后来呢?

浩瀚宇宙中,有三位正在进行出仓工作的宇航员突然接到了地面控制中心的通告:大量太空碎片即将袭向他们。

宇航员们迅速做出反应,但碎片转瞬即到眼前,他们亲眼见证了自己乘坐的航天器被高速运动的太空垃圾击中变成碎片!最终,在这次太空灾难中,两位男宇航员牺牲,女宇航员瑞恩逃到天宫空间站,搭乘神舟逃难回到地球 ……

《地心引力》海报 | 豆瓣电影

上面描述的情景是 2013 年的好莱坞太空灾难片《地心引力》,要知道,这样的情节可不完全是电影创作的异想天开,太空垃圾撞击航天器是有可能发生的真实状况

自从 1957 年 10 月 4 日前苏联发射了第一颗人造卫星斯普特尼克 1 号,六十多年来,人类向太空发射了大量的航天器,包括卫星、火箭、探测器、载人飞船等。这些航天器在发射时、使用过程中,以及使命完成之后,都会产生大量的太空垃圾。

太空中存在大量太空垃圾 | 站酷海洛

太空垃圾的专业称谓是空间碎片。发射过程中的火箭外壳脱落,使用过程中的零部件脱落,以及整个航天器报废之后的机器残骸,都算太空垃圾。 除此以外,还有一些太空垃圾是人为故意散播的,比如 1965 年美国的西福特计划。当时,美国计划往太空发射几亿根细长的金属针,让这些金属针散布在地球周围,目的是形成一张天然的无线电网络,便于美国在海外的作战部队通过无线电设备与本国通讯。后来实际发射的金属针尽管没有那么多,但依然制造了大量的垃圾。

截至 2019 年末,地球周围的人造物体数量大约是 2 万个,其中正在运行的航天器是 2218 个。也就是说,地球周围运行的物体中大约 90% 都是太空垃圾。人造物体和正在运行的航天器数量最近 5 年中翻了一倍,随着世界各个国家都在发展航天事业,这个数字还会继续增加下去。除去这些整体的航天器残骸,太空还有超过 1.2 亿个尺寸小于 1 厘米的碎片,其中有将近 100 万个尺寸在 1 厘米到 10 厘米之间的太空碎片,以及几万个尺寸大于 10 厘米的太空碎片。据不完全统计,这些碎片的总重量超过几千吨。

太空垃圾正在逐年增多 | Giphy

太空垃圾在地球周围的轨道上运动,速度高达每秒 7 公里以上,比子弹的速度还要快上十多倍。这么高的速度意味着这些碎片也携带了巨大的动能,与其他物体相撞会制造灾难。一小片太空垃圾的碎片如果撞上尚在运行的其他航天器,就会造成航天器外壳的损坏,给航天器制造一个大洞,严重的情况甚至会威胁到宇航员的人身安全。更可怕的是,太空垃圾如果撞上航天器,将航天器损坏,撞碎,就会制造出更多的太空垃圾。更多的太空垃圾继续运动,撞击下一个目标,造成连锁反应。这样的灾难有点像高速路上多辆车的追尾事故,损失巨大。

这样的事故可不是危言耸听,2009 年就发生过一次。

2009 年 2 月 10 日,美国正处于工作状态中的 33 号铱星和俄罗斯早已废弃多年的 2251 号卫星运行到西伯利亚泰梅尔半岛上空 776 公里的高度时发生相撞,碰撞时卫星的相对速度超过每秒 11 公里。碰撞发生后,美国宇航局追踪到新产生的500 多个太空垃圾碎片,还有更多的小碎片没有被发现。这场碰撞发生的位置就是国际空间站所在轨道的高度。一片小碎片朝着国际空间站飞过去,万幸的是,它与国际空间站擦肩而过,没有造成更多的损失。

铱星 33 号宇宙和 2251 号发生相撞示意图 | 新浪网

这么多的垃圾和碎片,以这么高的速度运动,几乎不可能对它们进行全面的密切监测。目前的解决方案只能是 "抓大放小",尽可能监测那些更大的、更快的、更有危险的太空垃圾。

目前利用地面的雷达、望远镜和空间监测设备,可以追踪几千个较大尺寸的空间碎片,并确定它们的运行轨迹,为可能的撞击提前预警。追踪几千个空间碎片,这已经是人类技术目前能实现的最大努力。还有更多的垃圾和碎片在人类的盲区之中,随时威胁着我们的环境。

根据天文学家的观测统计,部分空间碎片会自然坠落地面。坠落的速度大约是平均每天坠落 1 个,最大尺寸的这一批碎片也需要十几年才能全部坠落,这还不算新增加的碎片。所以靠自然坠落的方法来清除太空垃圾收效甚微,我们必须主动出击,清理太空垃圾。

国际上对太空垃圾的清除工作正在展开测试,目前的技术可以实现的几种方案有三种类型。

发射航天器把太空垃圾推送至更远离地球的 " 墓地轨道 "

为了减少太空垃圾对地球附近区域的影响,可以把他们推送至更远的地方。但完成这项工作需要发射新的航天器,借新航天器的推力把太空垃圾推送至距离地面 36000 公里的超级地球同步轨道。要能做到这项工作的航天器势必动力惊人,也需要巨大的火箭,这样一来,火箭又会制造新垃圾。况且,只是将太空垃圾转移到暂时不受影响的位置上,并没有从根本上清理掉垃圾。未来人类探索太空的范围更大了,新的航天器可能会在更高的轨道商行重新遭遇这些垃圾。

把太空垃圾推入 " 墓地轨道 " 就像在城郊堆放垃圾,治标不治本 | Pixabay

所以这个方案就像是把生活垃圾统一运送到离城郊堆放起来,身边看起来似乎干净不少,但垃圾依旧存在,总有一天会随城市扩张再次靠近我们的生活。

把太空垃圾拉回地球

拉回地球回收是目前比较常规的思路,在进入大气层的过程中大部分材料会在大气层中燃烧消耗,剩余的小部分物质坠落地面回收,其中的部分材料还可以重复利用。如果利用网状容器收集太空碎片,还可以实现一次回收多个碎片的高效操作。日本神奈川大学和日本空间局经过 5 年的摸索,用不锈钢和铝的超薄导线制成了捕捞网。2014 年发射升空的太空碎片捕捞器原计划展开捕捞网,但最终因为技术故障而失败。2016 年日本在国际空间站上实验用机械手臂捕捞太空垃圾再次失败。

让太空垃圾在空间中燃烧融化

正如采用焚烧处理城市垃圾的方式一样,利用地面手段帮助太空碎片在太空中就地燃烧或融化,可以从根本上清除掉这些垃圾,但目前的技术要求较高。美国曾发射过一颗名为 193 号的侦查卫星,2008 年,193 号卫星逐渐失去控制,迅速降低高度。这颗卫星上携带了剧毒的燃料,于是美国政府决定集中力量摧毁这颗卫星,防止有毒气体扩散。2 月 20 日,美国从巡洋舰上发射了一枚 SM-3 型导弹击中卫星,卫星被击中后破碎,碎片在大气层中坠落燃烧掉。这样来看,方案三可以算是目前相对可行的方式。

拦截美国 193 号卫星的导弹 SM-3 发射 | Wikimedia(http://www.navy.mil/view_image.asp?id=55403, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3593822)

根据目前的国际协议和惯例,每个国家都有义务让自己在太空中的航天器保持一定的数量。各国采取 "一上一下" 的方式尽量限制太空垃圾,如果发射新的航天器,必须回收旧有的航天器。这种精神很像我们居家生活中的断舍离理念。在家庭整理收纳的工作中有一项思路是想要购买添置一件衣服的时候,最好能处理掉一件旧衣服。断舍离保证了我们的房子不被日益增加的生活物品塞满," 一上一下 " 原则保证了地球周围的太空不被垃圾塞满。

回收航天器正如家庭整理收纳过程中的 " 断舍离 " | 站酷海洛

另外,大部分国家同意,发射的航天器在太空中使用的时间不能超过 25 年,到期之前要自行坠毁回收,或者是暂时发送到墓地轨道,等待未来有了更好的技术再进一步清理。之所以限制 25 年的时间,是因为如果服役时间太长,航天器很大概率会失去有效的控制,容易在太空发生碰撞事故,制造更多的垃圾碎片。

现在,我们还没有特别通用的成熟技术可以一劳永逸地解决掉全部太空垃圾。但是,对太空垃圾这个概念的重视,让我们重新反思人类技术在探索太空的同时有可能在地球身边铸造起一睹围墙,为将来的探索之旅制造了障碍。更重要的是,人类为了真正进入太空时代,需要学着放下一些地球中心的价值观,学着从更宏大的时空尺度上思考问题。太空垃圾是一个启发,给我们通盘考虑这一切的机会,在大量尝试发射航天器和减少不必要的浪费之间寻求平衡。

人类探索太空,极大地拓展了人类认知的边界,就比如飞向太阳系边缘的 " 新视野 " 号。

以上内容由"我是科学家iScientist"上传发布
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