歐洲空間局近日公布了史上首次捕獲並銷毀太空垃圾的計劃。我們(men) 的頭頂大約盤旋著8000噸“廢品”， 對這些垃圾放任不管會(hui) 有什麽(me) 後果？

撰文 /記者 王雪瑩 編輯/丁林

新媒體(ti) 編輯/陳炫之

近日，歐洲航天局對外宣布了一項特殊的衛星發射任務：該機構將與(yu) ClearSpace公司合作，在2025年發射一顆外形奇特的“四爪”衛星（本頁示意圖）。這枚衛星的作用並不是探索太空，而是定向清除一片重量足有112千克的太空垃圾。令人咋舌的是，這項太空“保潔服務”的“勞務費”竟然高達1.05億(yi) 美元。

▲ClearSpace-1太空清障計劃概念圖（圖片來源：esa.int）

生活中的垃圾分類往往是舉(ju) 手之勞，但是當這個(ge) 場景換到太空時，我們(men) 就要依賴技術上最先進的清潔設備了。其實在第一批航天器升空之前，地球的軌道上已經有一些來自宇宙的“垃圾”。但如今，太空垃圾威脅之大，已經到了不能坐視不理的時期。

千金一擲，隻為(wei) 跟垃圾同歸於(yu) 盡

據悉，此次計劃發射的衛星除配置導航相機、激光雷達等“必備品”外，還將裝上四個(ge) 巨大的鉸接式觸角，遠遠看去宛如一隻巨大利爪。在進入目標軌道後，“利爪”衛星會(hui) 在靠近目標時伸出觸角對太空垃圾進行捕捉，隨後按照計劃將其拖入“破壞軌道”，一同墜入大氣層焚毀。

值得注意的是，此前ClearSpace公司考慮的並非爪式捕捉，而是類似捕魚的撒網式捕捉，但由於(yu) 後者的容錯率較低撒網必須一次就成功，否則後續一係列的回收操作都會(hui) 變得異常艱難，最終ClearSpace公司還是選擇了“四爪”的設計方案。

類似的，同樣專(zhuan) 注於(yu) 清理太空垃圾的日本公司Astroscale則選擇了另外一種思路：給衛星主體(ti) 配置一個(ge) 磁力“吸盤”，當靠近太空垃圾時，衛星會(hui) 伸出磁力“手”牢牢吸住垃圾，隨後拖著它們(men) 進入大氣層“同歸於(yu) 盡”。

▲ClearSpace此前考慮的網式捕捉方案（圖片來源：esa.int）

而相比於(yu) 歐洲和日本“先捕獲後自毀”的設計思路，美國科學家給出的解決(jue) 方案似乎要更加簡單、更加直接：利用大氣脈衝(chong) 射擊太空碎片。據了解，美國密歇根大學提出了一項名為(wei) “SpaDE”的太空碎片清除計劃，該方案並不需要向太空發射任何新的裝置，隻需利用熱氣球在高空中將聚焦的大氣脈衝(chong) 發射至相應軌道，“超級氣槍”就能將太空垃圾輕輕“拽一把”通過瞬間增加的摩擦力使這些垃圾減速並自動脫離軌道，最終墜入大氣層中焚毀。

與(yu) 其他方案不同的是，大氣脈衝(chong) 本身相對更加綠色、更加“環保” 完成使命後，這把“氣槍”自身也會(hui) 重新融入大氣層中，不會(hui) 產(chan) 生任何新的太空垃圾，真正做到了“揮揮衣袖，不留下一片雲(yun) 彩”。同時，此方案可以清理的太空垃圾目標範圍更廣、適用性更強：小到航天設備上剝落的油漆塗層，大到廢舊的推進器外殼，沒有這把“氣槍”打不下來的。

然而，不管是用“網”抓還是用“槍”打，在太空“搞衛生”無疑是一個(ge) 耗時、耗力又耗錢的工作。俗話說“眼不見為(wei) 淨”，我們(men) 為(wei) 什麽(me) 要清理太空垃圾呢？

令人擔憂的垃圾“天網”

人們(men) 千辛萬(wan) 苦地上太空“搞衛生”，並不是出於(yu) “將環保進行到底”的熱心，而是不得已而為(wei) 之。航天機構要把一顆衛星安全地送上天、讓它順利地為(wei) 人類謀福利，所麵臨(lin) 的最大難題有時並非在地球，而是在天上：它們(men) 需要小心翼翼地避開各種各樣的太空垃圾。

很多人沒有想到，如今地球正被一張細密的“垃圾網”裹挾著。在這張總重超過8000噸的“天網”中，最小的垃圾碎片尺寸尚不如一部手機，最大的卻堪比一輛轎車。它們(men) 有的在距地300~450公裏的近地軌道上，以每秒7~8千米的速度“遊蕩”，有的在距地36000公裏的地球靜止軌道上，以3~10千米/秒的高速飛快移動，成為(wei) 太空中隨時會(hui) 擊中衛星和飛船的一支支“暗箭”。

▲被太空垃圾包裹的地球概念圖（圖片來源：nasa.gov）

這些“太空垃圾”是誰丟(diu) 棄的呢？毫無疑問，讓人類深陷“垃圾滿天飛”困局的罪魁禍首，不是別人，正是人類自己。在8000餘(yu) 噸太空垃圾中，近6300噸都是人類航天活動產(chan) 生的廢棄衛星和廢棄物品的碎片。不過，讓人類全盤背下“太空汙染者”這口鍋可能有點兒(er) 冤：構成危險太空垃圾的不僅(jin) 有人造廢棄物，還包含了宇宙中的一些天然物質，譬如隕石碎片等。

1957年，蘇聯將人類第一顆人造地球衛星送上了太空。從(cong) 那時起，世界各國開始前仆後繼地探索太空，同時也在無形中將“隨手亂(luan) 扔”的壞習(xi) 慣帶到了太空。從(cong) 航天器和運載火箭發射、運行中掉下來的碎片，到各種報廢了的航天器組件和它們(men) 表麵脫落的物質，到意外相撞或發生爆炸而產(chan) 生的破損航天器碎片，再到航天員因為(wei) 工作失誤而不小心“落”在太空中的廢物……太空垃圾的種類可謂五花八門。

對於(yu) 太空垃圾問題的嚴(yan) 重程度，有人可能會(hui) 提出質疑：多數在軌設備的使用壽命都能達到十幾年甚至幾十年，變成垃圾還為(wei) 時尚早；再說截至目前人類成功發射到太空的航天器加起來能有多少？就算是其中報廢了一大半，也不太可能造成太空垃圾的泛濫吧！

其實，相比於(yu) 航天器本身，將這些“金貴”的設備推送上天的過程是太空垃圾的主要來源。根據歐洲航天局的統計，1980~1996年期間，太空垃圾中占半數的碎片主要來自於(yu) 火箭箭體(ti) ；而2000年至今，來源於(yu) 有效載荷的各種廢棄物比例才顯著上升。

▲自1960年開始，火箭殘骸（RB）在太空垃圾中的占比越來越重（圖片來源：esa.int）

在近20年裏，每年太空中都會(hui) 發生至少12起“碎片事件”，其中“航天推進操作”和“設備異常”又是造成這些事故發生的重要原因。那些遊蕩在軌道上的殘骸，因為(wei) 通常還會(hui) 殘存一些剩餘(yu) 的能量（多數情況下，為(wei) 了保障火箭和航天器升空時動力十足，人們(men) 通常會(hui) 多為(wei) 其準備一些燃料和電池），隨時可能因“太空剮蹭”而發生爆炸，製造一批新的太空垃圾。

防不勝防的繞地“定時炸彈”

地球上的垃圾會(hui) 汙染環境，而那些遠離地球的太空垃圾，則會(hui) 給航天器和航天員帶來危險。

根據美國航空航天局的統計，繞地球飛行的各種在軌垃圾中，超過20000塊垃圾碎片的體(ti) 積比棒球還大，且一直在以最高3萬(wan) 公裏的危險時速運動著。這種高速下，任何一枚“棒球”都有可能瞬間擊穿一顆巨大的人造衛星。

▲透過航天飛船的窗戶，宇航員能非常直觀地看到很多太空垃圾（圖片來源：nasa.gov）

舉(ju) 例來說，當一塊重量不足10克的太空垃圾正麵撞上衛星時，其撞擊力相當於(yu) 兩(liang) 輛時速超100公裏的汽車相撞，眨眼之間就能擊毀衛星。更令人感到擔憂的是，太空垃圾會(hui) 在每一次撞擊中不斷產(chan) 生更多新的碎片，繼而引發更多的碰撞、更多的垃圾，形成滾雪球般的惡性連鎖反應。

1983年，美國“挑戰者號”航天飛機曾遭到太空垃圾的“偷襲”，一片直徑隻有0.2毫米的塗料殘渣導致飛船的舷窗受損而被迫終止飛行；1991年，美國“發現者號”航天飛機在太空飛行中，險些與(yu) 一塊蘇聯的火箭殘骸相撞當地麵指揮部意識到這塊“遊蕩”垃圾的存在時，它與(yu) 航天飛機的距離甚至不足3公裏；1996年，法國“櫻桃號”偵(zhen) 察衛星在軌道工作時被太空垃圾撞斷了觀測設備，而這次撞擊的罪魁禍首，竟然是數十年前法國“阿麗(li) 亞(ya) 娜號”運載火箭入軌時掉下的“碎渣”。

進入21世紀後，垃圾碎片在太空碰撞的發生更加頻繁：2005年，來自美國“雷神號”火箭與(yu) 中國長征四號火箭的殘骸，以每秒近6千米的相對速度在南極上空相撞，導致“雷神號”的殘骸一分為(wei) 四；4年後，在西伯利亞(ya) 上空約800公裏處，美國“銥星33號”商業(ye) 衛星與(yu) 1995年就廢棄的俄羅斯“宇宙-2251”軍(jun) 用衛星相撞，在太空中產(chan) 生了至少上千塊直徑超10厘米的碎片，一度對國際空間站的安全產(chan) 生了威脅。

▲“奮進號”航天飛船在執行任務中被太空垃圾刺穿的散熱器（圖片來源：nasa.gov）

“如今，天上的衛星已經是構成人類生活的重要部分，任何一顆受損都會(hui) 嚴(yan) 重影響我們(men) 的生活。”英國薩裏大學航空中心主任古列爾莫?阿格萊蒂教授說。

因此，妥善處理繞地太空垃圾如今已是迫在眉睫。“事實上，很少有人意識到現在的太空有多亂(luan) 七八糟。”英國航天局總負責人格雷厄姆?圖諾克說，“在一條全是碎玻璃渣和垃圾的公路上，我們(men) 能開車嗎？讓所有衛星和空間站時刻警惕著它們(men) ……這太耗費精力了。”

太空清障既要“治標”也要“治本”

想要治理漫天的垃圾，人類到底該怎麽(me) 辦？送“太空爪”上天去清理垃圾既費力又費錢，終究不是長久之計。有沒有什麽(me) 方案，能從(cong) 源頭上減少這些垃圾呢？

目前，由人類航天活動而產(chan) 生的各類殘骸，一種是在火箭發射時就如碎渣一樣掉落的碎片；第二種是在火箭上升過程中剝離、脫落的組件，諸如助推器、整流罩等。通常情況下，這些部分會(hui) 散落掉回地麵，為(wei) 了避免它們(men) 對地麵人員和設施的安全造成影響，工程人員會(hui) 事先對其軌跡進行精密的估算和規劃，控製這些組件落入指定的安全區，再由地麵人員進行安全回收。正因如此，多數國家都會(hui) 將火箭的發射地點選擇在空無人煙的內(nei) 陸地區或海邊地區。

除了以上兩(liang) 種，最後一種殘骸的主要來源則是末級火箭，即將衛星送入預定軌道後與(yu) 衛星分離的火箭部分。由於(yu) 這部分殘骸與(yu) 載荷脫離時已達到了入軌速度，因而妥善處理它們(men) 並不容易。具體(ti) 來說：如果發射任務是以低地球軌道為(wei) 目標，則末級火箭在分離後通常還會(hui) 在軌道上繼續“轉悠”數日甚至數月，最後才會(hui) 因為(wei) 失去動力而墜入大氣層並焚毀；對於(yu) 以地球同

步軌道、太陽同步軌道為(wei) 目標的衛星來說，多數末級火箭都會(hui) 永久地停留在太空之上。

▲近年來，各國對低地球軌道的火箭殘骸“清障”成功率越來越高（圖片來源：esa.int）

對於(yu) 上述無法自毀的殘骸，目前國際上比較流行的兩(liang) 種處理方法就是鈍化處理和換軌：一方麵，通過外泄燃料、切斷電池等方法釋放末級火箭中殘存的能量，最大程度消除它們(men) 發生自爆的可能；另一方麵，對末級火箭的高度進行調整，使其進入專(zhuan) 用的“廢棄軌道”，好為(wei) 其它衛星“騰出”寶貴的軌道資源。

令人感到欣喜的是，根據美國航空航天局統計，自2000年至今，低地球軌道上約15%~30%的有效載荷都進行了換軌操作，火箭殘骸的妥善處理率也高達60%~80%。與(yu) 此同時，為(wei) 了讓更多設備能在“壽終正寢”後自行焚毀，近年來，各國也將衛星發射的重心轉向了低地球軌道在此高度，近88%的小型有效載荷都能在報廢後，自然墜回大氣層中燒毀。

對於(yu) 這些變化，歐洲航天局“太空碎片辦公室”負責人蒂姆·羅爾直言感到欣慰。“人們(men) 利用太空的方式正在發生翻天覆地的變化。”他說，“為(wei) 了實現人類和科學、技術、宇宙數據之間的良性循環，各國達成統一的太空碎片處理法則是非常重要的。”

▲日本京都大學正參與(yu) 研發的“木質衛星”，也是減少太空垃圾的一種嚐試（圖片來源：bbc.com）

參考資料

[1] nasa.gov/mission_pages/station/news/orbital_debris.html

[2] esa.int/Safety_Security/Space_Debris/The_current_state_of_space_debris

[3] Space Debris Elimination (SpaDE) Phase I Final Report,NASA NIAC-11-11NIAC-0241

出品：科普中央廚房

監製：北京科技報 | 科學加客戶端


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