空間碎片：亦遠亦近的太空垃圾

為解決垃圾圍城問題，2019年7月1日起，《上海市生活垃圾管理條例》正式實施，垃圾分類進入強制時代。一時間，網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)了許多段子，其中最有趣的一條是，上海市民每天都要經(jīng)受兩次來自老阿姨的靈魂拷問：“儂是啥垃圾？”

實際上，垃圾圍城的問題不僅存在于都市，在遙遠的太空，也同樣存在著嚴(yán)重的環(huán)境問題。今天我們就來說一說太空環(huán)境的最大污染源——空間碎片。

那么什么是空間碎片呢？

聯(lián)合國和平利用外層空間委員會(UNCOPOUS)和機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(IADC)對空間碎片的定義是：地球軌道上在軌運行或再入大氣層的無功能的人造物體及其殘塊和組件。

空間碎片具體包括：完成任務(wù)的火箭箭體和衛(wèi)星本體、火箭的噴射物、在執(zhí)行航天任務(wù)過程中的拋棄物、空間物體之間碰撞產(chǎn)生的碎塊等。

換句話說：由人類的太空活動產(chǎn)生，又對人類沒有功能的太空物體，都是空間碎片。

例如，1970年發(fā)射的我國第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號”至今仍然在軌，但是隨著其功能失效，從定義上講，它早已是一個空間碎片。

再比如最近Spacex公司推動的太空互聯(lián)網(wǎng)Starlink星鏈計劃，其首批60顆試驗衛(wèi)星已經(jīng)通過獵鷹9號火箭成功發(fā)射，這些試驗衛(wèi)星在其失效后，也將成為新的空間碎片。

starlink一箭60星的實測圖像 | 圖源：中科院空間目標(biāo)與碎片觀測研究中心

那么空間環(huán)境的現(xiàn)狀是怎樣的呢?

自1957年第一顆人造地球衛(wèi)星升空以來，截至2019年7月1日，人類共把8461顆航天器送入軌道，其中3432顆已經(jīng)隕落，5029顆航天器仍然在軌。然而，在這5029顆在軌運行的航天器中，僅有1000多顆航天器仍然在正常工作，其余的都已經(jīng)喪失功能變成了空間碎片。在此期間，太空還發(fā)生了數(shù)百次的在軌航天器或火箭解體、爆炸和撞擊事件，產(chǎn)生了數(shù)量眾多的空間碎片。

空間碎片數(shù)量增長圖 | 圖源：NASA

這樣，在太空就形成了一個人為的外層空間環(huán)境——空間碎片環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，目前數(shù)億毫米級以上的空間碎片運行在地球軌道空間，總質(zhì)量達到幾千噸。

空間碎片環(huán)境變化 | 圖源：NASA

空間碎片對在軌航天器的危害

太空中如此多的空間碎片，會對在軌航天器的安全運行造成極大的威脅。目前，中國在軌航天器已達356顆，與空間碎片在100米以內(nèi)的近距離危險交會，平均每年發(fā)生數(shù)十次。雖然大部分空間碎片的尺寸較小，但空間碎片運行速度非常快，平均速度是子彈的二十倍。因此，小尺寸空間碎片也具備極大的動能，一旦撞上航天器，將造成災(zāi)難性的后果：厘米級以上空間碎片可以導(dǎo)致航天器徹底損壞，毫米級或微米級空間碎片可以導(dǎo)致航天器性能下降或功能失效。

美國航天飛機STS-7舷窗玻璃上的碎片撞擊坑 | 圖源：NASA

地球軌道空間不可承受之重

更為緊迫的是，隨著航天發(fā)射門檻的降低，空間碎片數(shù)量的增長還在不斷加快。在低地球軌道區(qū)域，厘米級空間碎片由2005年的30萬個增長到2015年的50萬個。

根據(jù)美國空間碎片研究專家Kessler的研究結(jié)果，按照目前的空間碎片增長速度估算，如果不采取任何措施， 70年后空間碎片數(shù)量將達到發(fā)生碎片鏈?zhǔn)阶矒粜?yīng)的臨界值，之后近地空間將徹底不可用。這就意味著我們的子孫后代將無法再繼續(xù)探索星空，因此聯(lián)合國、IADC、ESA等國際組織已陸續(xù)編寫了各項太空行為準(zhǔn)則，對各國的太空活動進行約束和規(guī)范，避免人為原因產(chǎn)生更多的碎片。

改善空間環(huán)境的技術(shù)手段有哪些？

那么如何通過技術(shù)手段改善空間環(huán)境，避免空間碎片損壞我們的衛(wèi)星和載人飛船、空間站呢？

第一種是被動防護，即在航天器的表面采取防護措施，比如安裝防護板。

國際空間站碎片防護結(jié)構(gòu)示意圖 | 圖源：NASA

第二種是主動防護，即開展空間碎片的跟蹤觀測，通過軌道計算確定航天器與較大尺寸空間碎片的軌道，并計算航天器與碎片發(fā)生碰撞的概率，一旦碰撞概率到達預(yù)警值，就讓航天器進行規(guī)避機動。

第三種是開展主動碎片移除，即發(fā)射專用的航天器，通過機械臂抓捕、飛網(wǎng)捕捉、太陽帆和激光移除等多種方式把較大尺寸的碎片清除。

e.deorbit 碎片主動清除任務(wù)概念圖 | 圖源：ESA歐空局

e.deorbit 飛網(wǎng)捕捉碎片示意圖 | 圖源：ESA歐空局

第四種是空間碎片減緩，例如對地球低軌道上的碎片進行降軌使其進入大氣層燒毀，對地球同步軌道碎片使其升軌而進入墳?zāi)管壍溃瑥亩_到保護在軌航天器不受碎片撞擊或大幅降低撞擊風(fēng)險的目的。

結(jié)束語

空間碎片在離我們數(shù)百甚至上萬公里的太空，但是空間環(huán)境的保護問題事關(guān)人類太空的發(fā)展，離我們每個人都很近。保護太空環(huán)境，給我們的子孫后代留下一個燦爛的星空，是我們?nèi)祟惖墓餐氊?zé)。

作者簡介

韋棟：中國科學(xué)院紫金山天文臺，中國科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片觀測研究中心助理研究員，研究領(lǐng)域:空間目標(biāo)軌道動力學(xué)。

主編：毛瑞青

視頻制作：朱聽雷

編輯：王科超、高娜