20世紀60年代，幾個神秘的金屬球體在澳大利亞荒野被發(fā)現(xiàn)，西澳大利亞土著人莫卡努卡人就掌握著這樣一個球體。經(jīng)專家分析，這個球體竟然是鈦制的！一時間各種猜測層出不窮，很多人都認為這是外星人留下的物品。這種金屬球體也被命名為“莫卡努卡球”。事實真相卻令大家哭笑不得：球體來自太空不假，但不屬于外星人，卻屬于美國人。原來它是“雙子座”6號飛船上宇航員的水桶。只不過是一件從天而降的太空垃圾而已。
2009年2月11日，美國的“銥星-33”與俄羅斯的一顆報廢衛(wèi)星“宇宙2251”在距地面800千米的太空中相撞。一時間碎片四濺，在撞擊軌道附近有航天器運行的國家都緊張起來，擔心自己的衛(wèi)星或空間站受池魚之殃。輿論紛紛猜測這次罕見的衛(wèi)星相撞的原因。其實，航天器與太空碎片的碰撞并不鮮見，這次整顆衛(wèi)星相互撞擊雖為首次，但隨著人類發(fā)射到太空中的人造物體越來越多，這樣規(guī)模的碰撞絕對不會是最后一次。太空看似遼闊無邊，而近地軌道卻已擁擠不堪。 太空垃圾=太空殺手 1957年，人類第一顆人造衛(wèi)星進入太空，時至今日，世界各國已經(jīng)發(fā)射了5000多個衛(wèi)星、火箭、探測器等航天器。與航天器數(shù)目增加相對應的是，太空垃圾的數(shù)量以每年2%至5%的速度遞增。如果人類不加以治理，按這個速度，到三百年后近地軌道就可能被太空垃圾填滿。 在航天史上，太空垃圾造成的事故和災難屢見不鮮。 1983年，“挑戰(zhàn)者”號航天飛機與一塊直徑0.2毫米的涂料碎片相撞，導致舷窗被損，只好提前返回地球。
【1983年，挑戰(zhàn)者號航天飛機舷窗被太空垃圾撞擊】 1986年，歐空局的“阿麗亞娜”火箭進入軌道之后不久便爆炸，形成了564塊10厘米大小的殘骸和2300塊小碎片。這些如散彈槍彈般密集的“彈丸”后來直接造成兩顆日本通信衛(wèi)星失靈。 1991年9月15日，美國發(fā)射的“發(fā)現(xiàn)者”號航天飛機差一點與蘇聯(lián)的火箭殘骸相撞，當時“發(fā)現(xiàn)者”號與這個不速之客僅僅相距2.74千米，幸虧地面指揮系統(tǒng)及時發(fā)來警告信號，悲劇才免于喪生。 太空垃圾在太空中以每秒6到7千米的速度運行。由于相對速度很大，很小的一塊太空垃圾都足以給人造衛(wèi)星或者載人飛船造成巨大損傷。一塊10克重的太空垃圾與人造衛(wèi)星相撞產(chǎn)生的能量，相當于兩輛轎車以100千米的時速迎面相撞產(chǎn)生的能量。衛(wèi)星會在瞬間被打穿或擊毀。如果撞上的是載人飛船，后果更是不堪設想。 太空碎片的來源多樣。運載火箭、衛(wèi)星等航天器在完成任務后都會直接變成太空碎片。有的很快進入大氣層燒毀，有的則長久停留在軌道上。載人航天活動也產(chǎn)生一些“太空垃圾”，如攝像機、工具、航天服手套等。地面上用光學望遠鏡和雷達能觀測到的太空碎片大約每年凈增200個，它們主要集中在地球同步軌道、半同步軌道高度區(qū)域和2000千米以下的高度區(qū)域。而從1957年人類發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星開始，太空碎片的數(shù)量就在不斷增加，目前，各種太空碎片已超過4000萬個，對航天器構(gòu)成了極大威脅。 為了研究太空垃圾對航天器的危害到底有多大，1984年4月，“挑戰(zhàn)者號”航天飛機將圓柱形的“長期暴露裝置”釋放到近地軌道，其用途之一是檢測太空垃圾撞擊的影響。5年零9個月后，該裝置被回收，檢查發(fā)現(xiàn)，其表面僅肉眼可見的撞擊凹痕就超過32000個，最大凹痕直徑達0.5厘米。相當于每天被撞擊15次，每繞地球一周就被撞擊一次。
【1984年4月，“長期暴露裝置”從挑戰(zhàn)者號航天飛機釋放，用途之一是檢測太空垃圾撞擊的影響】 太空垃圾不只會對航天器造成威脅，大塊的太空垃圾再入大氣層時若不能燃燒殆盡，碎片就有可能傷及人類。2008年11月2日晚，一塊電冰箱大小的太空垃圾墜入澳大利亞和新西蘭之間的茫茫大海，所幸未對過往船只造成任何傷害。此前這個1400磅重的有毒氨水罐已在太空漂浮了16個月，2007年7月，國際空間站宇航員克萊頓·安德森在太空行走期間將其拋入太空。
【哥倫比亞號航天飛機殘骸，這有助于理解一臺航天器能產(chǎn)生多少碎片】 太空垃圾墜地產(chǎn)生的最大危害要數(shù)“宇宙954”事件。這是一顆蘇聯(lián)核動力偵察衛(wèi)星的編號，在回收時失控急速向地球墜落。1978年1月24日，載有 30千克濃縮鈾的“宇宙954”墜毀在人煙稀少的加拿大北部地區(qū)，在18000平方英里的范圍內(nèi)散落了大量帶有高放射性的碎片。雖然沒有危及人員安全，但加拿大花費1400萬美元清除污染，并獲得蘇聯(lián)賠償。 一般說來，太空垃圾墜地的數(shù)量與航天發(fā)射的頻率成正比，發(fā)射次數(shù)越多，火箭助推器和報廢衛(wèi)星落下的也越多。以2001年為例，隕落的太空垃圾中，屬于俄羅斯的超過120噸，屬于美國的將近30噸。 電腦游戲開發(fā)者受到太空垃圾墜地的啟發(fā)，在《紅色警戒3》中為“蘇軍”設計了一種名為“太空垃圾雨”的武器，只要一點鼠標，一個報廢的空間站就會自動降低軌道，呼嘯而下，撞向地面的敵軍。 太空垃圾越撞越多 1978年，38歲的美國天體物理學家唐納德·凱斯勒在《地球物理研究》雜志發(fā)表了一篇論文：《人造衛(wèi)星碰撞頻率：一個垃圾帶的產(chǎn)生》。他指出，當報廢人造衛(wèi)星和其他太空垃圾在軌道上越積越多時，它們互相碰撞的概率也將變大，直到發(fā)生不可避免的撞擊。被撞擊的物體將會碎裂成無數(shù)同樣危險的碎片，引起更多的連鎖撞擊。凱斯勒寫道，“這樣一來，太空中的垃圾數(shù)量將以空前速度增長，在地球周圍形成一個垃圾帶。”從此，這種可能發(fā)生的現(xiàn)象被成為“凱斯勒現(xiàn)象”。 目前地球周圍的軌道空間還算開闊，太空垃圾在太空中發(fā)生碰撞的概率很小。但如果對航天器產(chǎn)生的碎片不加控制，隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，航天器自然形成的太空碎片將不斷增加。軌道物體之間的碰撞概率也大幅增加——不但完好的航天器會被撞毀，產(chǎn)生新的碎片；碎片之間也會發(fā)生撞擊、產(chǎn)生更小、更多的碎片。這是一個類似于“鏈式反應”的惡性過程。在很短的時間內(nèi)，太空碎片的數(shù)量將像雪崩一樣達到無法控制的地步，直到近地空間完全被碎片籠罩，再也沒有航天器可以突破這個由碎片構(gòu)成的牢籠。人類將被禁錮在太空垃圾網(wǎng)包裹的地球上。這個可怕的前景，恐怕也是遏制反衛(wèi)星武器發(fā)展的最大動因。畢竟，最有能力發(fā)展反衛(wèi)星武器的國家，往往也是對衛(wèi)星服務依賴最多的國家。 2008年上映的科幻動畫片《Wall.E》講述了在2700年，由于人類無度的破壞環(huán)境，地面已經(jīng)被垃圾覆蓋，就連地球外層也包著厚厚一層“垃圾云”。人類不得已全體移居到太空船上，并且使用機器人清除地球上的垃圾，等待著有一天垃圾清理完重新回到地球上。這恐怕是凱斯勒現(xiàn)象極端惡化的最形象化表述。 人為散布太空垃圾 在冷戰(zhàn)時期，長途國際通信主要由海底電纜和依靠電離層反射無線電進行。美國擔心一旦戰(zhàn)爭爆發(fā)，蘇聯(lián)可能切斷其海底電纜，這樣一來美國本土與海外部隊的聯(lián)系只能依賴性質(zhì)不穩(wěn)定的電離層。因此美國開始尋求能在全球范圍內(nèi)穩(wěn)定進行無線電通訊的辦法。 1958年，麻省理工學院的科學家建議將3億5千萬枚銅針（每枚長1.75厘米，直徑25微米）用衛(wèi)星送入軌道，散布后形成一個8千米寬，38千米長的銅針云環(huán)。這個云環(huán)將像一面鏡子一樣，把從一處發(fā)射的無線電波反射至另一處。設置在西福特鎮(zhèn)的衛(wèi)星天線來進行遠程通信的輔助，所以該項目叫做“西福特計劃”。 第一次散布于1961年10月21日進行，衛(wèi)星裝載了19千克銅針，共4.8億枚，但并沒有散播成功。第二次因為運載火箭故障而失敗。第三次散布于1963年5月9日成功進行，把3.5億枚銅針散播在3650千米高的軌道上，形成人工的環(huán)狀針云并成功進行了通信試驗。 這些針狀物分布于高度在3500千米到3800千米之間，軌道傾角在96度到87度之間的軌道范圍，最終成為了太空垃圾。根據(jù)當時美國駐聯(lián)合國大使阿德萊·史蒂文森的說法，在太陽輻射壓力的作用下，這些針將會在短短3年內(nèi)離開軌道。但事實上直到現(xiàn)在仍有相當數(shù)目的銅針殘留在軌道上，偶然才會返回大氣層，對航天器形成了不大不小的威脅。 因為“針霧”影響了天文觀測，當時英國的天文學家與皇家天文學會一道對此次進行了抗議。蘇聯(lián)的《真理報》也以“美國玷污了宇宙”為題進行了抗議。這次事件最終被提交到聯(lián)合國，并最后對1967年的聯(lián)合國《外層空間條約》所含條款造成了影響。隨著現(xiàn)代通信衛(wèi)星的發(fā)展和遭到各界的抗議，針云技術最終未能獲得廣泛運用。 還有一種太空垃圾是無意為之，卻也造成不小的負面影響。蘇聯(lián)在1980年至1988年期間發(fā)射了16顆海洋監(jiān)測衛(wèi)星，用液態(tài)金屬鈉作為星上核反應堆的冷卻劑。為防止對地面造成核污染，衛(wèi)星結(jié)束工作前，要把核反應堆拋到更高軌道。但這時冷卻回路處于開放狀態(tài)，金屬鈉泄露到太空，形成從3毫米到4厘米不等的碎片。截至1999年，這些碎片的數(shù)量有26萬個之多，對附近航天器形成巨大威脅。 上述兩種體積小，數(shù)量大的太空垃圾產(chǎn)生容易，清理極難。類似的做法很有可能啟發(fā)掌握初步衛(wèi)星發(fā)射能力的國家，用以作為在未來太空戰(zhàn)爭中“以小搏大”、對付航天大國航天器的撒手锏武器。 給垃圾“編號” 2008年10月7日，美國空軍副部長佩頓在戰(zhàn)略太空與國防年會上宣稱，美國今后將通過天基太空監(jiān)視衛(wèi)星、太空籬笆等技術定位并減少太空垃圾。 所謂“太空籬笆”就是美國從1957年便開始經(jīng)營的太空物體跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括3個雷達發(fā)射站和6個接收站，分布在從喬治亞州的塔特納爾到加利福尼亞州的圣地亞哥的廣大區(qū)域。這些太空雷達發(fā)射持續(xù)的無線電波，像籬笆一樣梳理地球軌道上體積大于籃球的物體。該系統(tǒng)每月進行500萬次探測，每天可以探測1萬個物體，并同時跟蹤200個近地目標。 作為航天大國之一，中國也開始了這方面的研究。我國唯一專門針對“太空垃圾”的觀測中心——“中國科學院空間目標與碎片觀測研究中心”2005年在中科院紫金山天文臺成立，為我國在太空領域建起安全預警系統(tǒng)。這個中心匯集了中國太空碎片研究領域十多位專家，研究范圍包括建立太空碎片數(shù)據(jù)庫；對已發(fā)現(xiàn)的太空垃圾進行實時跟蹤監(jiān)測；搜索尚未被發(fā)現(xiàn)的太空垃圾，對航天器發(fā)射和在軌運行時可能碰撞的太空碎片進行預警技術研究，并建立風險評估體系。為配合中心工作，紫金山天文臺還在江蘇盱眙建立1.2米近地天體探測望遠鏡，從中國上空經(jīng)過的大部分“太空殺手”都能被這臺望遠鏡監(jiān)控到。為避開陽光和大氣污染，觀測將全部在夜間進行。
【位于馬薩諸塞州“干草堆”的雷達，每年用600小時監(jiān)測太空，是NASA發(fā)現(xiàn)厘米級別太空碎片的利器】 消除垃圾各顯其能 預先知道太空垃圾的位置與速度便可以算出它未來的軌道，并通知有可能與之相撞的航天器改變軌道規(guī)避。但這只是消除太空垃圾的治標之策。要根除太空垃圾，還需從垃圾本身入手。 焚燒處理是一種比較常用的解決方案。例如，前面提到的國際空間站氨水罐就是一個被有意拋入大氣層焚毀的垃圾。德國不倫瑞克科技大學的航天工程師卡斯滕·維德曼認為，這種技術同樣適用于壽命已盡的人造衛(wèi)星：衛(wèi)星運行終止后，可以使之重新進入大氣層并自行焚毀。另一種解決辦法是將廢棄的人造衛(wèi)星發(fā)射到一條更高的軌道上，在這條所謂的“公墓軌道”上，運行的航天器寥寥無幾，因此發(fā)生撞擊的可能性也大大降低。 目前清除與回收太空碎片的方法有“激光掃帚”（用激光產(chǎn)生的光壓推開微小碎片，或用熱量氣化太空碎片，適合直徑1至10厘米的太空垃圾）；“太空垃圾網(wǎng)”（用高強度纖維編織的網(wǎng)絡攔截太空碎片）；“機器清潔工”（帶有機械臂的衛(wèi)星機動到大塊太空碎片附近，然后抓住該碎片）；“自殺式清掃”（發(fā)射航天器與大塊太空碎片“對接”，使其速度降低，變軌至低軌道，進入大氣層燒毀）等方法。但這些大都停留在設想階段。眼下防范太空垃圾還是以“躲”為主，或者等待它們自己進入大氣層燒毀。
【2112年的太空垃圾情況，上圖是采取了減緩措施，下圖為聽之任之的情景】 阿瑟·克拉克在1979年出版的科幻小說《天堂的噴泉》中描寫未來太空垃圾成災，“必須被定位并一一處理。”人們展開大清掃行動，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蒸發(fā)。克拉克警告說，如果我們不采取行動，地球?qū)⒈慌c太空隔離，我們將失去利用通信衛(wèi)星，探索太空的能力。他寫道，“我們將倒退回黑暗時代，地球?qū)⑾萑牖靵y，疾病和饑餓將消滅大部分人類。” 美國一家航天技術公司則建議開發(fā)一種名為“太空牧羊犬”的裝置，把太空垃圾逐個清出軌道。太陽能飛船上裝備有數(shù)個“牧羊犬”（放飛到碎片附近的小型飛船），“牧羊犬”圍繞太空垃圾飛行并尋找合適的對接點，一旦連接在一起就連同垃圾一起拖回大氣層。每次小飛船都可以捕捉相當于自身質(zhì)量數(shù)倍的太空垃圾。這聽起來就像用牧羊犬圍攏羊群一樣簡單，但現(xiàn)在的技術尚難達到。與之類似，王晉康在短篇科幻小說《太空清道夫》中也描繪了駕駛“太空清道車”回收太空垃圾的宇航員形象。 還有一種辦法是給太空垃圾插上“翅膀”，讓它們自己飛回地球。2010年3月，英國薩里大學的科學家公布了“立方帆”的設計，可以使較大的太空垃圾脫離軌道。立方帆展開后成為一塊5米×5米的塑料薄膜，近地軌道上的稀薄空氣分子作用在這層薄膜上，可使其緩緩減速。立方帆將單獨發(fā)射并且在地面的引導下使用自身的動力來靠近太空垃圾。一旦和太空垃圾對接，它就會張開帆，把太空垃圾拖離軌道，墜向地面。 已經(jīng)有太空環(huán)保主義者想得比近地軌道更遠了。約翰遜航天中心的軌道碎片首席科學家尼古拉斯·約翰遜認為重返月球之前首先要考慮月球周圍的太空垃圾。這些圍繞月球運轉(zhuǎn)的碎片會對未來的無人探月計劃和載人登月計劃構(gòu)成威脅。它們都是以往人類進行月球探測的副產(chǎn)品，由各種航天器的碎片構(gòu)成。因為月球引力場不均勻，這些碎片垃圾有可能沖出本來的軌道，以每小時5000英里的速度撞向月球表面。這不但會對登月宇航員的安全構(gòu)成威脅，也可能破壞具有歷史紀念意義的阿波羅飛船著陸點。 當然，所有這些都比不上不制造垃圾來得徹底。正如國際空間站項目經(jīng)理邁克·蘇弗里迪尼在氨水罐墜入南太平洋后所說：“國際空間站上的宇航員不會隨便扔東西。我們有嚴格的政策，只有符合（自然降解）標準的東西才能拋入太空，讓它進入大氣層燒毀。” 看來，環(huán)境保護的意識已經(jīng)延伸到大氣層以外了。只有在不斷完善的國際法和道德自律的雙重約束下，太空才能逐漸變得清潔而且安全。 原文已發(fā)表于《科幻世界》 |
