20世紀(jì)60年代，幾個(gè)神秘的金屬球體在澳大利亞荒野被發(fā)現(xiàn)，西澳大利亞土著人莫卡努卡人就掌握著這樣一個(gè)球體。經(jīng)專家分析，這個(gè)球體竟然是鈦制的！一時(shí)間各種猜測(cè)層出不窮，很多人都認(rèn)為這是外星人留下的物品。這種金屬球體也被命名為“莫卡努卡球”。事實(shí)真相卻令大家哭笑不得：球體來(lái)自太空不假，但不屬于外星人，卻屬于美國(guó)人。原來(lái)它是“雙子座”6號(hào)飛船上宇航員的水桶。只不過(guò)是一件從天而降的太空垃圾而已。
2009年2月11日，美國(guó)的“銥星-33”與俄羅斯的一顆報(bào)廢衛(wèi)星“宇宙2251”在距地面800千米的太空中相撞。一時(shí)間碎片四濺，在撞擊軌道附近有航天器運(yùn)行的國(guó)家都緊張起來(lái)，擔(dān)心自己的衛(wèi)星或空間站受池魚之殃。輿論紛紛猜測(cè)這次罕見(jiàn)的衛(wèi)星相撞的原因。其實(shí)，航天器與太空碎片的碰撞并不鮮見(jiàn)，這次整顆衛(wèi)星相互撞擊雖為首次，但隨著人類發(fā)射到太空中的人造物體越來(lái)越多，這樣規(guī)模的碰撞絕對(duì)不會(huì)是最后一次。太空看似遼闊無(wú)邊，而近地軌道卻已擁擠不堪。 太空垃圾=太空殺手 1957年，人類第一顆人造衛(wèi)星進(jìn)入太空，時(shí)至今日，世界各國(guó)已經(jīng)發(fā)射了5000多個(gè)衛(wèi)星、火箭、探測(cè)器等航天器。與航天器數(shù)目增加相對(duì)應(yīng)的是，太空垃圾的數(shù)量以每年2%至5%的速度遞增。如果人類不加以治理，按這個(gè)速度，到三百年后近地軌道就可能被太空垃圾填滿。 在航天史上，太空垃圾造成的事故和災(zāi)難屢見(jiàn)不鮮。 1983年，“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)與一塊直徑0.2毫米的涂料碎片相撞，導(dǎo)致舷窗被損，只好提前返回地球。
【1983年，挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)舷窗被太空垃圾撞擊】 1986年，歐空局的“阿麗亞娜”火箭進(jìn)入軌道之后不久便爆炸，形成了564塊10厘米大小的殘骸和2300塊小碎片。這些如散彈槍彈般密集的“彈丸”后來(lái)直接造成兩顆日本通信衛(wèi)星失靈。 1991年9月15日，美國(guó)發(fā)射的“發(fā)現(xiàn)者”號(hào)航天飛機(jī)差一點(diǎn)與蘇聯(lián)的火箭殘骸相撞，當(dāng)時(shí)“發(fā)現(xiàn)者”號(hào)與這個(gè)不速之客僅僅相距2.74千米，幸虧地面指揮系統(tǒng)及時(shí)發(fā)來(lái)警告信號(hào)，悲劇才免于喪生。 太空垃圾在太空中以每秒6到7千米的速度運(yùn)行。由于相對(duì)速度很大，很小的一塊太空垃圾都足以給人造衛(wèi)星或者載人飛船造成巨大損傷。一塊10克重的太空垃圾與人造衛(wèi)星相撞產(chǎn)生的能量，相當(dāng)于兩輛轎車以100千米的時(shí)速迎面相撞產(chǎn)生的能量。衛(wèi)星會(huì)在瞬間被打穿或擊毀。如果撞上的是載人飛船，后果更是不堪設(shè)想。 太空碎片的來(lái)源多樣。運(yùn)載火箭、衛(wèi)星等航天器在完成任務(wù)后都會(huì)直接變成太空碎片。有的很快進(jìn)入大氣層燒毀，有的則長(zhǎng)久停留在軌道上。載人航天活動(dòng)也產(chǎn)生一些“太空垃圾”，如攝像機(jī)、工具、航天服手套等。地面上用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)能觀測(cè)到的太空碎片大約每年凈增200個(gè)，它們主要集中在地球同步軌道、半同步軌道高度區(qū)域和2000千米以下的高度區(qū)域。而從1957年人類發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星開(kāi)始，太空碎片的數(shù)量就在不斷增加，目前，各種太空碎片已超過(guò)4000萬(wàn)個(gè)，對(duì)航天器構(gòu)成了極大威脅。 為了研究太空垃圾對(duì)航天器的危害到底有多大，1984年4月，“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)將圓柱形的“長(zhǎng)期暴露裝置”釋放到近地軌道，其用途之一是檢測(cè)太空垃圾撞擊的影響。5年零9個(gè)月后，該裝置被回收，檢查發(fā)現(xiàn)，其表面僅肉眼可見(jiàn)的撞擊凹痕就超過(guò)32000個(gè)，最大凹痕直徑達(dá)0.5厘米。相當(dāng)于每天被撞擊15次，每繞地球一周就被撞擊一次。
【1984年4月，“長(zhǎng)期暴露裝置”從挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)釋放，用途之一是檢測(cè)太空垃圾撞擊的影響】 太空垃圾不只會(huì)對(duì)航天器造成威脅，大塊的太空垃圾再入大氣層時(shí)若不能燃燒殆盡，碎片就有可能傷及人類。2008年11月2日晚，一塊電冰箱大小的太空垃圾墜入澳大利亞和新西蘭之間的茫茫大海，所幸未對(duì)過(guò)往船只造成任何傷害。此前這個(gè)1400磅重的有毒氨水罐已在太空漂浮了16個(gè)月，2007年7月，國(guó)際空間站宇航員克萊頓·安德森在太空行走期間將其拋入太空。
【哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)殘骸，這有助于理解一臺(tái)航天器能產(chǎn)生多少碎片】 太空垃圾墜地產(chǎn)生的最大危害要數(shù)“宇宙954”事件。這是一顆蘇聯(lián)核動(dòng)力偵察衛(wèi)星的編號(hào)，在回收時(shí)失控急速向地球墜落。1978年1月24日，載有 30千克濃縮鈾的“宇宙954”墜毀在人煙稀少的加拿大北部地區(qū)，在18000平方英里的范圍內(nèi)散落了大量帶有高放射性的碎片。雖然沒(méi)有危及人員安全，但加拿大花費(fèi)1400萬(wàn)美元清除污染，并獲得蘇聯(lián)賠償。 一般說(shuō)來(lái)，太空垃圾墜地的數(shù)量與航天發(fā)射的頻率成正比，發(fā)射次數(shù)越多，火箭助推器和報(bào)廢衛(wèi)星落下的也越多。以2001年為例，隕落的太空垃圾中，屬于俄羅斯的超過(guò)120噸，屬于美國(guó)的將近30噸。 電腦游戲開(kāi)發(fā)者受到太空垃圾墜地的啟發(fā)，在《紅色警戒3》中為“蘇軍”設(shè)計(jì)了一種名為“太空垃圾雨”的武器，只要一點(diǎn)鼠標(biāo)，一個(gè)報(bào)廢的空間站就會(huì)自動(dòng)降低軌道，呼嘯而下，撞向地面的敵軍。 太空垃圾越撞越多 1978年，38歲的美國(guó)天體物理學(xué)家唐納德·凱斯勒在《地球物理研究》雜志發(fā)表了一篇論文：《人造衛(wèi)星碰撞頻率：一個(gè)垃圾帶的產(chǎn)生》。他指出，當(dāng)報(bào)廢人造衛(wèi)星和其他太空垃圾在軌道上越積越多時(shí)，它們互相碰撞的概率也將變大，直到發(fā)生不可避免的撞擊。被撞擊的物體將會(huì)碎裂成無(wú)數(shù)同樣危險(xiǎn)的碎片，引起更多的連鎖撞擊。凱斯勒寫道，“這樣一來(lái)，太空中的垃圾數(shù)量將以空前速度增長(zhǎng)，在地球周圍形成一個(gè)垃圾帶。”從此，這種可能發(fā)生的現(xiàn)象被成為“凱斯勒現(xiàn)象”。 目前地球周圍的軌道空間還算開(kāi)闊，太空垃圾在太空中發(fā)生碰撞的概率很小。但如果對(duì)航天器產(chǎn)生的碎片不加控制，隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，航天器自然形成的太空碎片將不斷增加。軌道物體之間的碰撞概率也大幅增加——不但完好的航天器會(huì)被撞毀，產(chǎn)生新的碎片；碎片之間也會(huì)發(fā)生撞擊、產(chǎn)生更小、更多的碎片。這是一個(gè)類似于“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”的惡性過(guò)程。在很短的時(shí)間內(nèi)，太空碎片的數(shù)量將像雪崩一樣達(dá)到無(wú)法控制的地步，直到近地空間完全被碎片籠罩，再也沒(méi)有航天器可以突破這個(gè)由碎片構(gòu)成的牢籠。人類將被禁錮在太空垃圾網(wǎng)包裹的地球上。這個(gè)可怕的前景，恐怕也是遏制反衛(wèi)星武器發(fā)展的最大動(dòng)因。畢竟，最有能力發(fā)展反衛(wèi)星武器的國(guó)家，往往也是對(duì)衛(wèi)星服務(wù)依賴最多的國(guó)家。 2008年上映的科幻動(dòng)畫片《Wall.E》講述了在2700年，由于人類無(wú)度的破壞環(huán)境，地面已經(jīng)被垃圾覆蓋，就連地球外層也包著厚厚一層“垃圾云”。人類不得已全體移居到太空船上，并且使用機(jī)器人清除地球上的垃圾，等待著有一天垃圾清理完重新回到地球上。這恐怕是凱斯勒現(xiàn)象極端惡化的最形象化表述。 人為散布太空垃圾 在冷戰(zhàn)時(shí)期，長(zhǎng)途國(guó)際通信主要由海底電纜和依靠電離層反射無(wú)線電進(jìn)行。美國(guó)擔(dān)心一旦戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，蘇聯(lián)可能切斷其海底電纜，這樣一來(lái)美國(guó)本土與海外部隊(duì)的聯(lián)系只能依賴性質(zhì)不穩(wěn)定的電離層。因此美國(guó)開(kāi)始尋求能在全球范圍內(nèi)穩(wěn)定進(jìn)行無(wú)線電通訊的辦法。 1958年，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家建議將3億5千萬(wàn)枚銅針（每枚長(zhǎng)1.75厘米，直徑25微米）用衛(wèi)星送入軌道，散布后形成一個(gè)8千米寬，38千米長(zhǎng)的銅針云環(huán)。這個(gè)云環(huán)將像一面鏡子一樣，把從一處發(fā)射的無(wú)線電波反射至另一處。設(shè)置在西福特鎮(zhèn)的衛(wèi)星天線來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的輔助，所以該項(xiàng)目叫做“西福特計(jì)劃”。 第一次散布于1961年10月21日進(jìn)行，衛(wèi)星裝載了19千克銅針，共4.8億枚，但并沒(méi)有散播成功。第二次因?yàn)檫\(yùn)載火箭故障而失敗。第三次散布于1963年5月9日成功進(jìn)行，把3.5億枚銅針散播在3650千米高的軌道上，形成人工的環(huán)狀針云并成功進(jìn)行了通信試驗(yàn)。 這些針狀物分布于高度在3500千米到3800千米之間，軌道傾角在96度到87度之間的軌道范圍，最終成為了太空垃圾。根據(jù)當(dāng)時(shí)美國(guó)駐聯(lián)合國(guó)大使阿德萊·史蒂文森的說(shuō)法，在太陽(yáng)輻射壓力的作用下，這些針將會(huì)在短短3年內(nèi)離開(kāi)軌道。但事實(shí)上直到現(xiàn)在仍有相當(dāng)數(shù)目的銅針殘留在軌道上，偶然才會(huì)返回大氣層，對(duì)航天器形成了不大不小的威脅。 因?yàn)椤搬橃F”影響了天文觀測(cè)，當(dāng)時(shí)英國(guó)的天文學(xué)家與皇家天文學(xué)會(huì)一道對(duì)此次進(jìn)行了抗議。蘇聯(lián)的《真理報(bào)》也以“美國(guó)玷污了宇宙”為題進(jìn)行了抗議。這次事件最終被提交到聯(lián)合國(guó)，并最后對(duì)1967年的聯(lián)合國(guó)《外層空間條約》所含條款造成了影響。隨著現(xiàn)代通信衛(wèi)星的發(fā)展和遭到各界的抗議，針云技術(shù)最終未能獲得廣泛運(yùn)用。 還有一種太空垃圾是無(wú)意為之，卻也造成不小的負(fù)面影響。蘇聯(lián)在1980年至1988年期間發(fā)射了16顆海洋監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，用液態(tài)金屬鈉作為星上核反應(yīng)堆的冷卻劑。為防止對(duì)地面造成核污染，衛(wèi)星結(jié)束工作前，要把核反應(yīng)堆拋到更高軌道。但這時(shí)冷卻回路處于開(kāi)放狀態(tài)，金屬鈉泄露到太空，形成從3毫米到4厘米不等的碎片。截至1999年，這些碎片的數(shù)量有26萬(wàn)個(gè)之多，對(duì)附近航天器形成巨大威脅。 上述兩種體積小，數(shù)量大的太空垃圾產(chǎn)生容易，清理極難。類似的做法很有可能啟發(fā)掌握初步衛(wèi)星發(fā)射能力的國(guó)家，用以作為在未來(lái)太空戰(zhàn)爭(zhēng)中“以小搏大”、對(duì)付航天大國(guó)航天器的撒手锏武器。 給垃圾“編號(hào)” 2008年10月7日，美國(guó)空軍副部長(zhǎng)佩頓在戰(zhàn)略太空與國(guó)防年會(huì)上宣稱，美國(guó)今后將通過(guò)天基太空監(jiān)視衛(wèi)星、太空籬笆等技術(shù)定位并減少太空垃圾。 所謂“太空籬笆”就是美國(guó)從1957年便開(kāi)始經(jīng)營(yíng)的太空物體跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括3個(gè)雷達(dá)發(fā)射站和6個(gè)接收站，分布在從喬治亞州的塔特納爾到加利福尼亞州的圣地亞哥的廣大區(qū)域。這些太空雷達(dá)發(fā)射持續(xù)的無(wú)線電波，像籬笆一樣梳理地球軌道上體積大于籃球的物體。該系統(tǒng)每月進(jìn)行500萬(wàn)次探測(cè)，每天可以探測(cè)1萬(wàn)個(gè)物體，并同時(shí)跟蹤200個(gè)近地目標(biāo)。 作為航天大國(guó)之一，中國(guó)也開(kāi)始了這方面的研究。我國(guó)唯一專門針對(duì)“太空垃圾”的觀測(cè)中心——“中國(guó)科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片觀測(cè)研究中心”2005年在中科院紫金山天文臺(tái)成立，為我國(guó)在太空領(lǐng)域建起安全預(yù)警系統(tǒng)。這個(gè)中心匯集了中國(guó)太空碎片研究領(lǐng)域十多位專家，研究范圍包括建立太空碎片數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)已發(fā)現(xiàn)的太空垃圾進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)；搜索尚未被發(fā)現(xiàn)的太空垃圾，對(duì)航天器發(fā)射和在軌運(yùn)行時(shí)可能碰撞的太空碎片進(jìn)行預(yù)警技術(shù)研究，并建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。為配合中心工作，紫金山天文臺(tái)還在江蘇盱眙建立1.2米近地天體探測(cè)望遠(yuǎn)鏡，從中國(guó)上空經(jīng)過(guò)的大部分“太空殺手”都能被這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡監(jiān)控到。為避開(kāi)陽(yáng)光和大氣污染，觀測(cè)將全部在夜間進(jìn)行。
【位于馬薩諸塞州“干草堆”的雷達(dá)，每年用600小時(shí)監(jiān)測(cè)太空，是NASA發(fā)現(xiàn)厘米級(jí)別太空碎片的利器】 消除垃圾各顯其能 預(yù)先知道太空垃圾的位置與速度便可以算出它未來(lái)的軌道，并通知有可能與之相撞的航天器改變軌道規(guī)避。但這只是消除太空垃圾的治標(biāo)之策。要根除太空垃圾，還需從垃圾本身入手。 焚燒處理是一種比較常用的解決方案。例如，前面提到的國(guó)際空間站氨水罐就是一個(gè)被有意拋入大氣層焚毀的垃圾。德國(guó)不倫瑞克科技大學(xué)的航天工程師卡斯滕·維德曼認(rèn)為，這種技術(shù)同樣適用于壽命已盡的人造衛(wèi)星：衛(wèi)星運(yùn)行終止后，可以使之重新進(jìn)入大氣層并自行焚毀。另一種解決辦法是將廢棄的人造衛(wèi)星發(fā)射到一條更高的軌道上，在這條所謂的“公墓軌道”上，運(yùn)行的航天器寥寥無(wú)幾，因此發(fā)生撞擊的可能性也大大降低。 目前清除與回收太空碎片的方法有“激光掃帚”（用激光產(chǎn)生的光壓推開(kāi)微小碎片，或用熱量氣化太空碎片，適合直徑1至10厘米的太空垃圾）；“太空垃圾網(wǎng)”（用高強(qiáng)度纖維編織的網(wǎng)絡(luò)攔截太空碎片）；“機(jī)器清潔工”（帶有機(jī)械臂的衛(wèi)星機(jī)動(dòng)到大塊太空碎片附近，然后抓住該碎片）；“自殺式清掃”（發(fā)射航天器與大塊太空碎片“對(duì)接”，使其速度降低，變軌至低軌道，進(jìn)入大氣層燒毀）等方法。但這些大都停留在設(shè)想階段。眼下防范太空垃圾還是以“躲”為主，或者等待它們自己進(jìn)入大氣層燒毀。
【2112年的太空垃圾情況，上圖是采取了減緩措施，下圖為聽(tīng)之任之的情景】 阿瑟·克拉克在1979年出版的科幻小說(shuō)《天堂的噴泉》中描寫未來(lái)太空垃圾成災(zāi)，“必須被定位并一一處理。”人們展開(kāi)大清掃行動(dòng)，用裝備有高能量激光的太空堡壘掃蕩天空，用激光炮將所有垃圾蒸發(fā)。克拉克警告說(shuō)，如果我們不采取行動(dòng)，地球?qū)⒈慌c太空隔離，我們將失去利用通信衛(wèi)星，探索太空的能力。他寫道，“我們將倒退回黑暗時(shí)代，地球?qū)⑾萑牖靵y，疾病和饑餓將消滅大部分人類。” 美國(guó)一家航天技術(shù)公司則建議開(kāi)發(fā)一種名為“太空牧羊犬”的裝置，把太空垃圾逐個(gè)清出軌道。太陽(yáng)能飛船上裝備有數(shù)個(gè)“牧羊犬”（放飛到碎片附近的小型飛船），“牧羊犬”圍繞太空垃圾飛行并尋找合適的對(duì)接點(diǎn)，一旦連接在一起就連同垃圾一起拖回大氣層。每次小飛船都可以捕捉相當(dāng)于自身質(zhì)量數(shù)倍的太空垃圾。這聽(tīng)起來(lái)就像用牧羊犬圍攏羊群一樣簡(jiǎn)單，但現(xiàn)在的技術(shù)尚難達(dá)到。與之類似，王晉康在短篇科幻小說(shuō)《太空清道夫》中也描繪了駕駛“太空清道車”回收太空垃圾的宇航員形象。 還有一種辦法是給太空垃圾插上“翅膀”，讓它們自己飛回地球。2010年3月，英國(guó)薩里大學(xué)的科學(xué)家公布了“立方帆”的設(shè)計(jì)，可以使較大的太空垃圾脫離軌道。立方帆展開(kāi)后成為一塊5米×5米的塑料薄膜，近地軌道上的稀薄空氣分子作用在這層薄膜上，可使其緩緩減速。立方帆將單獨(dú)發(fā)射并且在地面的引導(dǎo)下使用自身的動(dòng)力來(lái)靠近太空垃圾。一旦和太空垃圾對(duì)接，它就會(huì)張開(kāi)帆，把太空垃圾拖離軌道，墜向地面。 已經(jīng)有太空環(huán)保主義者想得比近地軌道更遠(yuǎn)了。約翰遜航天中心的軌道碎片首席科學(xué)家尼古拉斯·約翰遜認(rèn)為重返月球之前首先要考慮月球周圍的太空垃圾。這些圍繞月球運(yùn)轉(zhuǎn)的碎片會(huì)對(duì)未來(lái)的無(wú)人探月計(jì)劃和載人登月計(jì)劃構(gòu)成威脅。它們都是以往人類進(jìn)行月球探測(cè)的副產(chǎn)品，由各種航天器的碎片構(gòu)成。因?yàn)樵虑蛞?chǎng)不均勻，這些碎片垃圾有可能沖出本來(lái)的軌道，以每小時(shí)5000英里的速度撞向月球表面。這不但會(huì)對(duì)登月宇航員的安全構(gòu)成威脅，也可能破壞具有歷史紀(jì)念意義的阿波羅飛船著陸點(diǎn)。 當(dāng)然，所有這些都比不上不制造垃圾來(lái)得徹底。正如國(guó)際空間站項(xiàng)目經(jīng)理邁克·蘇弗里迪尼在氨水罐墜入南太平洋后所說(shuō)：“國(guó)際空間站上的宇航員不會(huì)隨便扔?xùn)|西。我們有嚴(yán)格的政策，只有符合（自然降解）標(biāo)準(zhǔn)的東西才能拋入太空，讓它進(jìn)入大氣層燒毀。” 看來(lái)，環(huán)境保護(hù)的意識(shí)已經(jīng)延伸到大氣層以外了。只有在不斷完善的國(guó)際法和道德自律的雙重約束下，太空才能逐漸變得清潔而且安全。 原文已發(fā)表于《科幻世界》 |
