地球周圍的“麻煩”

目前，地球正被由太空垃圾組成的“垃圾帶”包圍著。這個垃圾帶中飄浮的主要是一些損毀的衛星碎片和廢棄的火箭助推器，它們在太空中飛速運行，不僅危及當前的太空活動，而且對未來的太空任務也有極大的危害。

太空垃圾是什么？

太空垃圾（又稱空間碎片）是指圍繞地球在近地軌道上運行的無用人造物體，其中包含人造衛星碎片、漆片、粉塵，隊及飛船殘骸、火箭廢棄物、航天員丟棄或遺落的物品等。

空間碎片的數量有多少？

截至目前，人類進行的4900多次太空發射任務使地球被教百萬個太空物體包圍，其中正在服役的航天器只占很小一部分，其余94%的物體都屬于太空垃圾。據統計，如今太空垃圾已經超過4500噸。在地球軌道附近可被跟蹤到的直徑大干1O厘米的空間碎片數量已超過21000塊，估計直徑大于1厘米的空間碎片數量約有500 000塊，還有數隊千萬計的直徑小于1厘米的油漆碎片。這些太空垃圾飛行速度極快，暗藏著巨大的殺傷力。

險些相撞

距離小于8千米的衛星和碎片，每天會有約1000次的“擦肩”。放到廣袤的宇宙中來看，這個距離很短，需要被注意。

空間碎片在哪里？

據統計，73%的空間碎片位于地球低軌道，即距地球表面2 000千米一300千米的軌道。因為，在這個區間內既可以保證環繞地球的時間，又不脫離大氣層，所以絕大多數的人造衛星都發射于此，當它們被廢棄后，也就在此區間形成了大量的太空垃圾。

同樣，在同步衛星工作的地球同步軌道上（軌道半徑約為36000千米），也有不少的空間碎片。高度介于以上兩個軌道之間的中軌道上，衛星比較少，所隊碎片也比較少。

太空土立圾的危害

1957年，蘇聯發射了首顆進入地球軌道的人造衛星斯普特尼克1號，發射過程中脫落的火箭部件成為首件太空垃圾。自此之后，隨著航天活動不斷增多，人類在太空留下了各式各樣的物體，而且太空垃圾的增長速度逐年遞增，按照目前的碎片增長速度估算，如果不采取任何措施，70年后碎片數量將達到凱斯勒效應的臨界值。所有碎片連鎖式撞擊，最終會形成一團包圍著地球的碎片云，任何試圖發射到碎片云范圍內的航天器都會被摧毀，到那時近地空間將徹底不可用。

超級鏈接

凱斯勒效應

凱斯勒效應又叫碰撞緞聯效應，是由美國科學家唐納德·K·凱斯勒于1978年提出的一種理論假設。該假設認為當近地軌道上運行的物體密度達到一定程度時，這些物體在碰撞后產生的碎片能夠形成更多的新撞擊，形成級聯效應。這也意味著近地軌道將被危險的太空垃圾覆蓋。由于失去能夠安全運行的軌道，在此后的教百年內，太空探索將無法繼續。

在正常情況下，聲音在空氣中的傳播速度約為340米/秒。碎片在軌道上運行時，巨大的地心引力能夠使其運行速度至少是聲速的20倍。一塊質量為10克的太空垃圾與人造衛星相撞，衛星會在瞬間被打穿或擊毀，其作用力相當于兩輛時速100千米（汽車在高速公路上的行駛速度）的汽車相互碰撞。然而，美國國家航空航天局（ NASA）的科學家稱：“毫米級的空間碎片帶來的穿透風險最大，因為它會對近地軌道上的大多數宇宙飛船產生高速沖擊。這些碎片最高時速可達48 000千米，比子彈快將近10倍?！睋绹茖W家估計，一個10厘米直徑的鋁球太空垃圾的撞擊力量相當于引爆7千克黃色炸藥（TNT），能夠令任何東西變成碎片。1983年6月，一塊直徑僅0.03厘米的漆片殘骸，就撞穿了挑戰者號航天飛機的5號舷窗。1986年，歐洲太空局的“阿麗亞娜”火箭進入軌道之后不久便爆炸，形成了564塊約10厘米大小的殘骸和2 300塊小碎片。這些垃圾后來直接造成兩顆日本通信衛星失靈。

為了研究太空中的微流星體和太空垃圾可能對航天器造成的危害，1984年4月，“挑戰者號”將圓柱形的“長期暴露裝置”釋放到近地軌道，其用途之一是檢測微流星體和太空垃圾撞擊的影響。1990年1月，該裝置被回收。檢查發現，其表面僅肉眼可見的撞擊凹痕超過32 000個，最大凹痕直徑達0.5厘米。相當于這個“長期暴露裝置”每天要被撞擊15次，即每繞地球一周就被撞擊一次。

對于退役的衛星，雖然人們可以利用最后一點兒燃料把它們送入處置軌道，然后在太陽光壓和太陽風的作用下不斷提升軌道高度。但這種方法終究只是權宜之計，沒有真正減少太空垃圾，而且暫存的垃圾也不會靜止待在處置軌道上，而是受地球引力作用，以軌道速度繞地球運行。運行著的碎片，即使是最細小的，威力也遠超一般人的想象。

太空垃圾的應對之策

應對太空垃圾主要可從四個方面著手，即減緩、防護、觀測預警和清除。

減緩就是在發射階段即考慮如何減少空間碎片的產生?？梢栽趶U棄火箭體脫落時，使用殘留燃料施加反向推力，以保證廢棄部分很快隕落或隕落過程中能夠燃燒完畢，此外還要盡量防止火箭體爆炸。

防護是指在航天器上加裝防護罩，發生碰撞時防止碎片對航天器產生破壞。但是防護措施會增加航天器的重量，也就是增加發射成本，擠占有效載荷空間，因而航天器的防護能力一般只針對1厘米以下的空間碎片。

觀測預警是指根據監測數據，對整個編目中所有空間碎片兩兩計算相互交會的情況，對于進入危險區域的航天器實施變軌規避操作。

清除就是通過各種方法抓取空間碎片，然后將其拖入大氣層燒毀。但是，清除工作目前還在試驗和研究階段，并沒有大面積應用。

觀測與追蹤

這些飄浮在外太空的垃圾，成為各國航天機構的重點關注對象。美國和歐洲航天大國都建立了先進的太空監測系統，我國也設立了國家碎片監測中心，對太空垃圾進行了嚴密的跟蹤，繪制了太空垃圾的空間地圖，并及時發布預警。這種為了防止碰撞而對地球附近的太空垃圾等物體進行觀測的活動被稱為空聞警戒。

目前，針對典型的太空垃圾，有兩種觀測方式：雷達觀測和光學觀測。

雷達觀測就是通過不同頻率的雷達信號來追蹤空間碎片。雷達觀測可以全時觀測，不受日夜交替的影響。

光學觀測是利用望遠鏡系統進行碎片觀測，觀測能力由望遠鏡的口徑等因素決定。

繩網式碎片抓捕系統

英國科學家提出的“立方帆”是典型的繩網式碎片抓捕系統，它是一顆微小衛星，內部安裝有一張張開面積可達25平方米的聚合膜。發射到太空之后，這張膜能夠張開，包裹碎片進入低軌，在大氣層中燃燒。目前，澳大利亞與歐美國家正在合作開展此項研究。

激光清除

通過鎖定某個太空垃圾目標，激光器將發出一束激光照射碎片的某個部分，使其氣化，然后利用氣體的反作用力推動太空垃圾朝地球的方向運動，最終使其進入大氣層燒毀。

空間碎片主動清理飛行器

通過機械臂或攜帶多個獨立的捕獲模塊抓取廢棄衛星和太空碎片，將它們帶到大氣層燒毀。我國的“遨龍一號”便是世界上第一個主動的空間碎片離軌清除飛行器，也是中國航天人在世界航天領域獨領風騷的杰作。

太空魚叉

將魚叉發射刺入廢棄衛星之類的大型垃圾后，利用其倒鉤即可將垃圾拖離原有軌道，或拖至大氣層燒毀。據悉，太空魚叉項目是歐洲太空局“清潔空間計劃”的一部分，該計劃將于2020年中期實施，首要任務就是移除已經廢棄的迄今為止建造的最大的地球觀測衛星——Envisat環境觀測衛星。