空間碎片危機(jī)何解？

杜瑋

（示意圖）廢棄衛(wèi)星或衛(wèi)星解體等產(chǎn)生的碎片垃圾存量超過了8000噸。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月15日，俄羅斯進(jìn)行了一場(chǎng)反衛(wèi)星導(dǎo)彈試驗(yàn)，將己方一顆廢棄衛(wèi)星擊碎。衛(wèi)星位于地球上空約480公里，服役近40年。這隨即引發(fā)美俄雙方激烈爭(zhēng)執(zhí)。俄國(guó)防部稱，“按照試驗(yàn)時(shí)間和軌道參數(shù)，所產(chǎn)生的碎片未曾、也不會(huì)對(duì)空間站、航天器和太空活動(dòng)構(gòu)成威脅。”美官員則稱，試驗(yàn)產(chǎn)生的1500多個(gè)可追蹤碎片及更多不易發(fā)現(xiàn)的小碎片將在軌道上停留數(shù)年或更久。這會(huì)對(duì)包括國(guó)際空間站、各種人造衛(wèi)星在內(nèi)的各類航天器安全造成影響。

不容忽視的是，廢棄的衛(wèi)星或衛(wèi)星解體，以及與火箭殘骸碰撞等產(chǎn)生的碎片將帶來大量太空垃圾，這一問題由來已久且日漸凸顯。人類頭頂上方，就是浩瀚無邊的垃圾場(chǎng)，垃圾存量超過8000噸。可以想象，各類航天器的運(yùn)行就是在大大小小、飛速運(yùn)行的垃圾間閃轉(zhuǎn)騰挪。

在地球上，實(shí)行的是“誰(shuí)污染、誰(shuí)治理”的原則，但這一切在太空尚屬空白。

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授焦維新對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說，清除太空垃圾的根本難題并非在于技術(shù)。最關(guān)鍵的是，迄今為止，從發(fā)射衛(wèi)星到清除垃圾，都缺少國(guó)際性公約以及法律法規(guī)的約束。

碎片超億的太空垃圾場(chǎng)?

俄羅斯廢棄的衛(wèi)星名為Kosmos-1408，是一顆軍用偵察衛(wèi)星。國(guó)際空間站飛行在距地大約420公里的高度，較Kosmos的飛行高度低五六十公里。當(dāng)Kosmos“粉身碎骨”后，碎片四散到更高或更低的離地高度。國(guó)際空間站每90分鐘繞地球一圈，這意味著每90分鐘空間站會(huì)靠近或通過碎片帶。空間站上有七名航天員，四名來自NASA（美國(guó)宇航局），兩名來自俄羅斯，一名來自歐洲宇航局。在導(dǎo)彈發(fā)射后最初幾小時(shí)內(nèi)，七名航天員一度躲進(jìn)美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的載人龍飛船和俄羅斯聯(lián)盟號(hào)宇宙飛船中。最壞的打算，航天員們將乘坐這些“救生艇”逃離太空，回到地球。

焦維新說，早期一些照相偵察衛(wèi)星及用于探測(cè)低層大氣的科學(xué)衛(wèi)星會(huì)處在離地400公里左右的高空，屬低軌道衛(wèi)星。除此之外，絕大部分應(yīng)用衛(wèi)星，包括氣象衛(wèi)星、對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星等的飛行高度都在700公里到1200公里之間。圍繞地球的所有太空垃圾中，失效衛(wèi)星以及衛(wèi)星、火箭殘骸等碰撞、解體而形成的碎片占比近八成。失效衛(wèi)星本身就是一個(gè)大碎片。

處于不同軌道高度的空間碎片，壽命也不同。比如，高度在400公里以下的碎片，在四處游蕩的過程中，因?yàn)橛幸欢ù髿庾枇Γ瑝勖p就會(huì)較快，幾個(gè)月就壽終正寢，進(jìn)入大氣層，回地球“入土為安”。600公里高度的碎片軌道壽命為幾年，600公里至800公里為十幾年，800公里至1000公里為幾十年。如果是1000公里或2000公里高度以上的碎片，壽命則可長(zhǎng)達(dá)百年乃至上千年。

焦維新分析說，俄羅斯這次擊碎衛(wèi)星產(chǎn)生的低軌碎片在太空中停留的時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)。而且，碎片衰減還受到空間天氣如太陽(yáng)耀斑等的影響。若空間天氣較惡劣，其軌道衰減會(huì)加快。

越是衛(wèi)星密集軌道，空間碎片數(shù)量越多。高度在2000公里以下的近地球軌道LEO，20000公里左右的中地球軌道MEO，以及高度在36000公里左右的地球同步軌道GEO是空間碎片的密集運(yùn)行區(qū)域。碎片家族有著個(gè)頭大小之分，根據(jù)歐洲航天局的最新預(yù)估，圍繞地球運(yùn)行直徑大于10厘米的空間碎片有34000個(gè)，1厘米到10厘米的碎片數(shù)量約為90萬個(gè)，直徑在1毫米至1厘米之間的碎片有1.28億個(gè)。

碎片無論大小，危害都不容小覷。在科幻電影《地心引力》中，美航天飛機(jī)維修哈勃望遠(yuǎn)鏡期間，因俄羅斯擊碎一顆俄方廢棄衛(wèi)星，導(dǎo)致大量空間碎片產(chǎn)生，將航天飛機(jī)及望遠(yuǎn)鏡擊毀。通常空間碎片都以第一宇宙速度（7.9公里/秒）量級(jí)的速度運(yùn)行，這相當(dāng)于狙擊步槍子彈飛行速度的幾倍。一個(gè)直徑10厘米的太空垃圾就可以將航天器完全摧毀。一顆以第一宇宙速度運(yùn)行的衛(wèi)星，被1厘米大小、以同樣速度運(yùn)行的碎片撞擊，后果相當(dāng)于衛(wèi)星受到一輛1噸重、以50公里/小時(shí)速度行駛汽車的撞擊，只能“以身殉職”。數(shù)毫米大小的太空垃圾可能使航天器無法繼續(xù)工作。小于0.1毫米的碎片主要引起航天器表面燒蝕和賤蝕，會(huì)使太陽(yáng)能電池效率降低。

今年5月，在對(duì)國(guó)際空間站機(jī)械臂的一次常規(guī)檢查中，專家發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂上有一個(gè)被微小碎片撞擊的小孔。但好在這是一次“幸運(yùn)的撞擊”，并未影響機(jī)械臂階段性運(yùn)行。

LEO的凱斯勒效應(yīng)已開始

讓焦維新更擔(dān)憂的是， 如今像SpaceX、One Web等衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商打著聯(lián)通全世界的旗號(hào)，在低地軌道布設(shè)小衛(wèi)星，將增加衛(wèi)星碰撞的可能性，“這將是未來太空最大的危險(xiǎn)”。2009年2月10日，在西伯利亞泰梅爾半島上空770公里的高度，美國(guó)銥衛(wèi)星公司的銥星33號(hào)和俄羅斯的宇宙2251衛(wèi)星發(fā)生碰撞，撞擊時(shí)的相對(duì)速度為11.6公里/秒，產(chǎn)生至少2000多片碎片。這是人類歷史上首次近地軌道人造衛(wèi)星碰撞事件。碰撞時(shí)，銥星仍處于工作狀態(tài)，俄國(guó)衛(wèi)星已廢棄多年。

馬斯克的SpaceX計(jì)劃于2027年前實(shí)現(xiàn)“星鏈”宏圖，部署共計(jì)12000顆低軌道衛(wèi)星，至今已有1700顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行。除此之外，馬斯克預(yù)計(jì)還將向低地軌道貢獻(xiàn)30000顆小衛(wèi)星。SpaceX的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手波音、亞馬遜等近來也在向聯(lián)邦通信委員會(huì)提交申請(qǐng)，預(yù)計(jì)向近地軌道發(fā)射總計(jì)35000顆商用衛(wèi)星。此外，One Web也將像SpaceX一樣，發(fā)射總計(jì)超過40000顆衛(wèi)星。今年10月，非洲國(guó)家盧旺達(dá)宣布了更為瘋狂的發(fā)射計(jì)劃，將在未來發(fā)射32萬顆小衛(wèi)星。根據(jù)聯(lián)合國(guó)的外層空間物體指數(shù)，截至 2021 年 9 月，LEO 總共有大約 7500 顆運(yùn)行中衛(wèi)星。

焦維新說，地球同步軌道衛(wèi)星的發(fā)射，會(huì)由國(guó)際電信聯(lián)盟進(jìn)行調(diào)解，以保持衛(wèi)星間有一定間隔，彼此不干擾，發(fā)射數(shù)量有限定。但除此之外，尤其對(duì)于低地軌道衛(wèi)星發(fā)射來說，在哪里發(fā)射、發(fā)射多少顆并沒有一定之規(guī)，通常是各國(guó)先到先得，跑馬圈地。

1978年，美國(guó)宇航局科學(xué)家唐納德·凱斯勒曾提出一種假設(shè)，當(dāng)?shù)偷剀壍牢矬w密度足夠高時(shí)，物體間碰撞會(huì)產(chǎn)生碎片，碎片又會(huì)與其他物體碰撞，產(chǎn)生更多碎片。一系列連鎖反應(yīng)后，最終，會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星軌道資源被碎片包圍，造成永久性破壞，以致無法開展太空活動(dòng)。這被稱為“凱斯勒效應(yīng)”。凱斯勒認(rèn)為，目前業(yè)界已達(dá)成共識(shí)，碎片環(huán)境已達(dá)到臨界點(diǎn)，即便現(xiàn)在停止所有發(fā)射，碎片依然會(huì)繼續(xù)增加。至于凱斯勒效應(yīng)，“它已經(jīng)開始了，雖然碰撞尚不劇烈，規(guī)模也還不大”。

亞倫·博利是英屬哥倫比亞大學(xué)的一名天文學(xué)家。他在今年3月發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》上的一篇文章中提到，在LEO軌道，已有超過12000個(gè)直徑10厘米及以上、可追蹤的碎片。如果統(tǒng)計(jì)直徑降至1厘米，碎片數(shù)目可能達(dá)上百萬個(gè)。諸如星鏈等低成本衛(wèi)星的普遍擴(kuò)散進(jìn)一步加劇了LEO的環(huán)境壓力。博利還分析說，雖然SpaceX聲稱發(fā)射衛(wèi)星將在5到6年使用壽命結(jié)束時(shí)主動(dòng)離軌，但離軌的整個(gè)過程需要6個(gè)月。如果其他公司也如此操作，這意味著數(shù)以千計(jì)的離軌衛(wèi)星將緩慢穿過同一個(gè)擁擠的空間，構(gòu)成碰撞風(fēng)險(xiǎn)。離軌的衛(wèi)星將被追蹤，以避免和碎片近距離交會(huì)。但能否真正避免“太空交通事故”，這取決于各個(gè)運(yùn)營(yíng)商間能否持續(xù)溝通與合作，目前這樣的合作是“臨時(shí)和自愿”的。

焦維新分析說，像星鏈計(jì)劃中的小衛(wèi)星姿態(tài)控制等都更隨意，在太空中的運(yùn)行也更“任性”。根據(jù)美國(guó)哈佛大學(xué)天體物理家喬納森·麥克道威爾的分析，截至去年10月，SpaceX發(fā)射的衛(wèi)星中大約有2.5%可能已失效。麥克道威爾說，這一故障率并不高，但如果乘以星鏈計(jì)劃龐大的總量，這將意味著會(huì)制造出大量的“硬核”垃圾。

除了使太空更為擁擠，小衛(wèi)星的集聚還會(huì)對(duì)天文觀測(cè)造成影響。太陽(yáng)光從航天器上反射，會(huì)使得天空可能變亮兩到三倍。由于衛(wèi)星大部分為鋁制，大量衛(wèi)星及碎片再入大氣還會(huì)帶來鋁在大氣中的沉積，火箭發(fā)射產(chǎn)生的黑碳、煙灰會(huì)使得氣候變暖，破壞臭氧層。當(dāng)碎片落回地球，還有可能給人類帶來意外襲擊。

公地悲劇

面對(duì)無處不在的空間碎片，一句適用的古話叫“惹不起，躲得起”。主要航天國(guó)家和國(guó)際組織都會(huì)對(duì)其重點(diǎn)航天器執(zhí)行碰撞預(yù)警和機(jī)動(dòng)規(guī)避。截至2020年，國(guó)際空間站已執(zhí)行規(guī)避危險(xiǎn)碎片操作28次，僅2020年就有3次。歐洲航天局平均每顆低軌衛(wèi)星每年需執(zhí)行兩次避碰操作。

實(shí)現(xiàn)規(guī)避和預(yù)警，就要建立對(duì)空間碎片的觀測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)。2020年3月，美空軍新一代地面雷達(dá)系統(tǒng)——“太空籬笆”上線。這一雷達(dá)系統(tǒng)位于北太平洋馬紹爾群島屬地內(nèi)，可追蹤到近地軌道尺寸為1厘米至10厘米間的20萬件太空垃圾。2017年，美國(guó)宇航局將一太空碎片感應(yīng)器連接至國(guó)際空間站的一實(shí)驗(yàn)艙外部，用以探測(cè)在地面上難以查明的毫米級(jí)碎片。焦維新說，美國(guó)、歐洲航天局都有較為成熟、完善的空間碎片數(shù)據(jù)庫(kù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間碎片的動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)。航天器進(jìn)而通過調(diào)整發(fā)射時(shí)間，或在軌運(yùn)行時(shí)，改變與碎片碰頭時(shí)間或軌道高度，達(dá)到規(guī)避目的。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心主任王赤去年底接受媒體采訪時(shí)曾表示，中國(guó)在空間態(tài)勢(shì)感知、碎片減緩等技術(shù)方面雖取得一定進(jìn)展，但仍無法滿足太空活動(dòng)治理要求。在空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)上，中國(guó)主要依靠地面系統(tǒng)，存在“看不全、看得慢”的問題。空間碎片減緩與清除方面，主動(dòng)移除技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，距離形成常態(tài)化運(yùn)行系統(tǒng)要求差距明顯，低成本業(yè)務(wù)化服務(wù)能力不具備。

并不是所有碎片都能及時(shí)預(yù)報(bào)，完美閃躲。凱斯勒認(rèn)為，在當(dāng)今太空日益擁擠形勢(shì)下，清理部分太空垃圾應(yīng)成為優(yōu)先項(xiàng)。多國(guó)已展開了一些“太空大掃除”的試驗(yàn)和行動(dòng)。2018年4月，英國(guó)薩里航天中心聯(lián)合歐洲多家研究機(jī)構(gòu)，啟動(dòng)了“清除碎片”項(xiàng)目，測(cè)試了用網(wǎng)、魚叉等捕獲太空垃圾的方法。“太空魚叉”可以擊碎較大的太空垃圾，碎片再通過垃圾搜集網(wǎng)和脫軌裝置進(jìn)入大氣層自行焚毀。

今年3月，一家日本衛(wèi)星服務(wù)公司研發(fā)的“終結(jié)碎片生命”衛(wèi)星由俄羅斯聯(lián)盟號(hào)火箭發(fā)射升空。這款“神器”的“殺手锏”在于其磁性系統(tǒng)，既能抓住平靜如水的物體，也能捕獲興風(fēng)作浪的碎片。當(dāng)將“兇手”捉拿歸案后，衛(wèi)星將和碎片重回大氣層，同歸于盡。2025年，歐洲航天局還將聯(lián)手一家瑞士初創(chuàng)公司，啟動(dòng)首個(gè)清除過往太空垃圾的任務(wù)。這次任務(wù)將啟用一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的四臂機(jī)器人，來捕獲2013年發(fā)射的織女星火箭留下的碎片。這塊太空垃圾位于距地球800 公里的上空，重約100公斤。

焦維新說，未來發(fā)射的衛(wèi)星，最理想的報(bào)廢方式是接近軌道壽命時(shí)，還留有些燃料，主動(dòng)減速，進(jìn)入更低軌道，最終墜入大氣層銷毀。目前，對(duì)于太空垃圾的處置方式基本上任其自生自滅。就處理空間碎片而言，最大問題是沒有國(guó)際上的公約來約束。“一件事情既沒有利益驅(qū)使，又沒有法律約束，誰(shuí)會(huì)有自覺性去做。”焦維新說。得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校軌道碎片專家Moriba Jah分析說，至少?gòu)哪壳翱矗臻g碎片清除的商業(yè)案例并不能貨幣化，與其說是真正的市場(chǎng)，不如說是PPT演講。

另一重隱憂還在于，如今開發(fā)的清除碎片“利器”都可用作反衛(wèi)星的武器。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院國(guó)際事務(wù)學(xué)院副教授瑪麗埃爾·博洛維茨說，近年來，對(duì)航天器的在軌維修等操作都引發(fā)了軍事人員的極大興趣。這些快速發(fā)展的技術(shù)有著雙重用途，“有可能用于和平的太空活動(dòng)，也可能用于太空戰(zhàn)爭(zhēng)”，“不能提前確定它們?cè)谀囊惶鞂⑷绾问褂谩薄＿@樣的迷局需要外交談判和協(xié)商，以及國(guó)際層面的信任來解決。

1968年，美國(guó)生態(tài)學(xué)家加勒特·哈丁在《科學(xué)》雜志上提出“公地悲劇”的概念，指面對(duì)有限的資源，如果每個(gè)人只從自身短期利益出發(fā)，一切將變得不可持續(xù)。此時(shí)此刻，在人類頭頂上方，正在經(jīng)歷著一場(chǎng)太空公地悲劇。越來越多衛(wèi)星涌入近地軌道，人們對(duì)此的態(tài)度總是寬容的：似乎總有空間，能再發(fā)射一次。