太空垃圾隐匿人造"天灾" 处理行动面临悖论

　　

　　我国“神舟八号”飞船与“天宫一号”空间站对接成功，为进一步和平开发利用太空迈开了关键步伐。然而，困扰世界各国多年的问题，由于机制与技术等方面的原因，长期未能有效解决。在我国逐渐成为航天领域举足轻重的大国之时，这个问题也摆在了我们面前。那么，我们如何应对这一?请看科技日报特稿——

　　太空垃圾

　　隐匿的人造“天灾”

　　继美国废弃的“高层大气研究卫星”(UARS)在失控状态下轰然撞向地球之后，近日德国报废卫星“伦琴天文卫星”(ROSAT)也在世人的注目中，坠落到了东南亚的孟加拉湾。

　　原本隐匿在广袤外空的太空垃圾如今频繁地出现在公众视野中，愈加影响到人们的日常生活。特别是，由于其位置的特殊性，数量的递增性及危害的跨域性，太空垃圾俨然已演变成为一个国际话题。

　　更多太空垃圾将会坠落地面

　　日常生活中，一旦人们使用的手机报废被丢弃后，就成了生活垃圾。卫星亦是如此，当其无法继续正常工作后，就成了无用的太空垃圾。当然，除了报废的卫星之外，太空垃圾还包括发射时火箭脱落的碎片、国际空间站航天员外出作业时丢弃的工具、以及卫星肢解或相撞产生的太空碎片等。

　　自1957年苏联成功发射第一颗人造卫星“Sputnik-1”以来，至今，人类共计已将6000余颗卫星送入了茫茫太空。据美国卫星工业协会公布的数据显示，在这6000余颗卫星中，目前仍在地球上空正常运行的商业、军事以及民用卫星约有1000颗，另有2000多颗报废卫星漂浮在太空中，其余的则因为爆炸或高强度振动后肢解，以太空碎片的形式永远留驻在了外空。

　　截止到2011年7月，在美国空间监测网(SSN)公布的太空碎片编目中，比拳头还大的太空垃圾就有16094个。其中，俄罗斯和美国以太空垃圾制造大国位居榜首，分别拥有6075和4867块直径在10厘米以上的太空垃圾。而那些重达数吨的报废卫星相撞或是肢解后，又将产生更多的太空碎片。所有这些物体平均每天发生碰撞的概率高达75%。除此之外，被计算机忽略的微型碎片估计有50万个。

　　上述太空垃圾多集中在轨道高度小于2000千米的低轨上，形成了一定的垃圾带。此外，由于太空碎片自然衰减受到大气层和太阳活动的双重影响，据科学家研究发现，伴随着未来几年太阳活动的增加，将会有越来越多的太空垃圾被拉入低轨，经过国际空间站所在的轨道区域，进入大气层销毁或坠落地面。而对于距地高度达3600千米的地球静止轨道上的太空垃圾，如果不进行清除，将具有百万年以上的寿命。

　　由于太空垃圾所处的独特位置，其相应的处理需要国际跨域协调机制。为此，早在1993年，全球就成立了空间碎片协调委员会(IADC)。作为目前唯一的专门从事太空碎片处理的国际组织，目前共有11个成员国或区域组织参加。

　　聚焦太空垃圾潜在危害

　　总体而言，太空垃圾的潜在危害主要表现在碎片撞击损坏航天器及坠落地面伤人两种情况。

　　就第一种情况而言，运行在不同轨道上的物体如同行驶在不同高速路上的汽车一样，如果轨道相交，自然会产生剧烈碰撞，并引发灾难性的后果。2009年2月10日，美国的“铱星-33”在轨通信卫星和俄罗斯“宇宙-2251”废弃军用卫星，就在西伯利亚上空790公里高度处相撞，瞬间即产生了2100多块碎片。这些太空碎片在不同的轨道以每秒6至7千米左右的速度高速运行。如果撞上正常工作的航天器，轻则留下深深的伤痕，重则彻底破坏卫星的结构并最终导致其失效。2010年12月美国“X-37B”高超声速飞行器在完成为期7个月的任务返回后，人们即发现其身上留有7处与太空碎片相碰撞的痕迹，幸而没有造成致命伤害。而就在今年3月，经监测有一块10至15厘米的太空碎片有万分之一的概率与国际空间站相撞。为此，4月2日国际空间站进行了防碰撞空间机动，而这次机动是1999年10月份以来进行的第12次碰撞规避机动。

　　就第二种情况而言，太空碎片进入大气层后，就像流星一样，将产生许多热量，为此，大部分碎片会被直接销毁。但是，如果太空垃圾的体积较大，或由于材料特殊，这些残留物就会直接坠落到地面。这次美国的“高层大气研究卫星”和德国的“伦琴天文卫星”降落地面就属于这种情况。

　　事实上，卫星返回地球并非什么新鲜事。早在上个世纪70年代，各国发射的侦察卫星多为可控返回式卫星。然而，与可控式返回航天器不同，太空垃圾因失去了返回地球动力控制，加上体积小和受大气摄动等影响，它们的运动轨迹不受控制，而报废卫星再入大气层后将进行肢解，分裂成多个碎片，这更是增加了预报的难度。如美国“高层大气研究卫星”再入地面时，宇航专家估计的预警时间只有短暂的20秒。

　　正是由于运行轨道的不受控制及坠落时间的不易预报，返回地球的太空碎片极易伤人。2009年7月，一块金属片从天而降，落在了英国东北部赫尔市的一对老年夫妇家中阁楼上。后经专家分析，这是块在太空中“游荡”了至少10年的太空垃圾。又如2007年3月，智利一架空客A340在飞行途中突遭数块炙热火球夹击，最近的距飞机只有8公里。事后查明，这些险些击中飞机的火球就是俄罗斯一颗卫星的碎片。

　　这些太空垃圾的潜在危害日益引起了宇航科学家的关注，为早日清除太空垃圾，科学家们正在开发各种各样的清除技术。

　　清除太空垃圾任重道远

　　早在1978年6月，美国航空航天局的研究员唐纳德·凯斯勒，即针对太空垃圾问题而提出了“雪崩效应”，即当在近地轨道上的太空垃圾达到一定密度时，每次撞击将产生更多碎片，每块碎片又是一个新的碰撞危险源。这意味着近地轨道将被各种危险的太空垃圾所“封锁”，地球将再次被拉回没有航天的时代。为此，1979年，美国率先成立了太空碎片办公室，专门利用设在地面的国家监测网观察、记录并跟踪太空碎片。而在今年底，美国空军将计划发射一颗“太空监测卫星”，使其同地面的雷达系统和光学望远镜相配合，做到全天候观察所有在轨运行的人造卫星和太空垃圾。

　　除了必要的监测之外，为彻底解决太空垃圾问题，科学家们也提出了各种处理办法。如现在执行正常任务的卫星，都设计了任务结束后的离轨程序，预留燃料将卫星机动至更高的无用轨道上，或是降低轨道使其进入大气层到指定区域销毁。对于那些在执行离轨程序前就意外失效的卫星，以及碰撞或肢解后产生的碎片，科学家们也在想办法进行清除。

　　2011年10月17日，美国联合光子公司工程师克劳德·菲利普就撰文称，可以利用地基高功率激光束将低轨道的太空垃圾表面汽化，从而形成一定的推力，迫使其降低轨道进入大气层销毁。其实，这并非科学家首次提出利用激光来解决太空垃圾问题，美国航空航天局科学家此前就曾提出利用装在太空望远镜上的一个中等功率激光器来照射可能发生碰撞的碎片。每天持续使用激光器照射太空垃圾一到两小时，使太空垃圾出现位移， 大约每天可移动198米。虽然这种方案无法将太空垃圾完全从太空轨道中移除，但初步模拟显示足以避免超过一半以上的碰撞。

　　此外，日本宇航探索局正在和一家拥有百年历史的制网企业进行合作，计划两年内编织一张由金属线和人造纤维组成的、宽达数公里的太空渔网，用于打捞漂浮在地球轨道中的太空垃圾。这张太空网网孔的直径大约1毫米。它将由一颗人造卫星携带进入轨道，然后脱离卫星开始打捞轨道内的太空垃圾。与日本科学家的思路不同，美国阿提休斯(Altius)太空机械公司正在研发一种机器人手臂系统——“粘臂”。这套系统可以伸出100米，在手臂的另一端使用了电子吸附技术的衬垫。这个衬垫可以和任何材料产生静电反应，并可牢牢吸住对方，可吸附的材料包括金属、塑料、玻璃以及流星体。显然，科学家们希望这种粘臂可以用于抓捕太空碎片，清理太空垃圾。

　　尽管科学家研究了上述众多的太空垃圾清除技术，但是由于担心相关清除技术向武器化方向发展，当前各国实际上真正进行的太空垃圾清除项目并不多。这也是国际太空垃圾处理面临的又一个悖论:科学为了和平还是为了战争?(陈海萍 石海明 作者单位:国防科学技术大学)

　　（责任编辑：杨晓燕）