太空垃圾：隱形的達(dá)摩克利斯之劍 _太空垃圾

為了防止被撞，天宮一號艙體被加裝特殊的防護(hù)裝置，并在科學(xué)家的嚴(yán)密監(jiān)測中運(yùn)行。即便如此，誰也不能保證它不會遇到太空中的危險(xiǎn)“訪客”空間碎片。
空間碎片的每一次互相撞擊都會產(chǎn)生更多碎片，進(jìn)而每一個(gè)新的碎片又多了一個(gè)新的碰撞危險(xiǎn)源。這些太空垃圾如同懸在人類上空的“達(dá)摩克利斯之劍”，而破解之道難尋。
這是一個(gè)非常龐大的群體。它們圍繞著地球，以每秒10公里左右的速度飛行。即便是一次不經(jīng)意的碰撞，也足以徹底毀掉與之相遇的飛船和衛(wèi)星。
空間碎片，又名空間垃圾，其形成和地球上的污染路徑相似。在人類航天活動伊始，沒人會把這當(dāng)成一個(gè)問題。近年來，隨著空間碰撞事件以及空間碎片“回娘家”事件頻發(fā)，這群數(shù)量龐大的飛行物成為各國航空活動中的棘手難題。
為防止這些“不速之客”的傷害，天宮一號“穿上”了2至3毫米厚的金屬外衣艙體上設(shè)計(jì)了特殊的防護(hù)裝置，并攜帶防護(hù)板。中科院紫金山天文臺在云南、黑龍江、盱眙三個(gè)觀測點(diǎn)每天都在緊張監(jiān)測著。
即便如此，誰也不能保證，兩年的在軌運(yùn)行過程中，天宮一號不會遇到危險(xiǎn)“訪客” 。
人類頻繁的空間活動，帶來成倍增長、數(shù)以百萬計(jì)的空間碎片。令航天專家頭疼的是，每一次互相撞擊并不能讓碎片湮滅，而是產(chǎn)生更多碎片，進(jìn)而每一個(gè)新的碎片又多了一個(gè)新的碰撞危險(xiǎn)源。由于在地面無法對它們進(jìn)行直接觀測，因此不能確切掌握它們的運(yùn)行軌道。
這些太空垃圾如同是懸在人類上空的“達(dá)摩克利斯之劍”，而破解之道難尋。
太空垃圾已達(dá)“臨界點(diǎn)”？
廢棄的空間站、人造衛(wèi)星和火箭爆炸后的碎片，甚至是螺栓、推進(jìn)器、電池板、絕緣材料、涂層片，都是空間碎片的來源。
關(guān)于太空垃圾的確切數(shù)字一直在波動。一些碎片在重新進(jìn)入軌道時(shí)會燃燒，并且產(chǎn)生新的碎片進(jìn)入軌道。因此，統(tǒng)計(jì)空間碎片是一項(xiàng)異常龐大的工作。
“2000千米以下的近地軌道、2萬千米高度的中軌道和3.6萬千米高度的地球同步軌道是空間碎片的集中分布區(qū) 。”中國空間技術(shù)研究院副院長、空間碎片行動計(jì)劃首席專家李明對本報(bào)采訪人員表示。
據(jù)美國航天局（NASA）公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，10厘米以上大小的太空垃圾已經(jīng)達(dá)到17000片；2.5到7.5厘米大小的超過20萬片；更小的則數(shù)以百萬計(jì) 。
最新有關(guān)空間碎片的報(bào)告美國全國研究委員會9月1日公布稱，地球上空的太空垃圾數(shù)量已“達(dá)臨界點(diǎn)” ，對于航天器和宇航員而言，當(dāng)前的空間環(huán)境正在變得越來越危險(xiǎn) 。
此前，NASA的科學(xué)家曾警告，即使不再發(fā)射航天器，到2055年，由碰撞產(chǎn)生的新碎片數(shù)量也將超過落回地球和燃燒掉的碎片總數(shù) 。
對此，中科院空間中心研究員、中國空間碎片行動計(jì)劃前首席科學(xué)家都亨表示，空間垃圾臨界點(diǎn)這一說法在上世紀(jì)70年代末就提出過，后來在上世紀(jì)80年代各國采取了相應(yīng)的措施，使空間垃圾上升勢頭有所減緩。
“這個(gè)臨界點(diǎn)是多少，肯定存有爭議，至少到現(xiàn)在為止還沒有來臨。”都亨對本報(bào)采訪人員說。
對于這一臨界點(diǎn)在什么時(shí)候會來臨，都亨表示，這和人類空間活動的頻繁度有很大關(guān)系，如果沒有空間戰(zhàn)爭等特殊因素，目前還尚待時(shí)日。但如果空間碎片多到一定程度，達(dá)到臨界密度，就會發(fā)生雪崩效應(yīng) 。
美國全國研究委員會報(bào)告還稱，計(jì)算機(jī)模型顯示，太空中軌道碎片的數(shù)量已多到足以持續(xù)碰撞并產(chǎn)生更多太空垃圾，威脅航天器的安全。報(bào)告認(rèn)為，太空垃圾與溫室氣體、核廢料存儲等問題一樣，短期的影響不大，但如果長期得不到處理，未來將對人類社會產(chǎn)生巨大影響。
在接受本報(bào)采訪人員采訪時(shí)，國家天文臺空間碎片研究和應(yīng)用中心首席研究員劉靜指出，從數(shù)據(jù)模型上來看，美國的這一計(jì)算是沒有問題的。如果不對空間碎片進(jìn)行控制或采取清除措施， “情況將很危險(xiǎn)” 。
防護(hù)和減緩
從歐洲航天局近期公布的近地軌道區(qū)域的太空垃圾合成圖片看上去讓人難以置信現(xiàn)在的地球如同是被蜂群圍得密不透風(fēng)的蜂巢。
雖然面臨種種風(fēng)險(xiǎn)，但是補(bǔ)救措施幾乎為零。“在對太空垃圾的處理上，主要是采用觀測、預(yù)防和躲避的措施。”都亨表示，“就目前來看，最有效可行的方法就是躲。”
都亨介紹，躲避是建立在對空間碎片運(yùn)行軌道監(jiān)測的基礎(chǔ)上。目前通用的做法是用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測高太空軌道，用雷達(dá)探測低軌道，對各種太空垃圾進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警。當(dāng)太空垃圾可能與國際空間站、衛(wèi)星等航天器相撞時(shí)，這種監(jiān)測和預(yù)警可使航天器通過改變運(yùn)行軌道進(jìn)行躲避。
采訪人員了解到，目前國際上通行的做法是加固航天器的外表，這對一定大小的空間碎片和微流星的防護(hù)有效。
雖然裝甲越厚，安全系數(shù)相對越高。“但加裝護(hù)甲也有很多局限，會對航天器實(shí)現(xiàn)自身功能造成影響，且重量增加也就需要更大推力的火箭才能完成發(fā)射。必須得找出新的材料耐撞擊又輕便。”都亨表示。
此外，有報(bào)道稱，國外正設(shè)計(jì)專門清理各種太空垃圾的特殊飛船，在飛船外裝有一個(gè)網(wǎng)狀或機(jī)器觸角狀的特殊設(shè)備，可以捕獲太空垃圾而保證自身不受傷害。
【太空垃圾：隱形的達(dá)摩克利斯之劍】美國《大眾科學(xué)》近日報(bào)道，一種威力強(qiáng)大的陸基激光器可以用來移除近地軌道上的碎片。與之前的陸基激光器系統(tǒng)不同的是，這套系統(tǒng)既能處理大塊太空垃圾，也能處理小塊太空垃圾。
對此，劉靜表示，激光器是清除的一種手段，各個(gè)國家都在研究，目前有一些好的想法，但有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
在都亨看來，激光處理的辦法容易產(chǎn)生新的小碎片。目前學(xué)界清除太空垃圾的想法很多，但還沒有成熟的辦法。
以回收為例，如果采用把廢棄的衛(wèi)星捕捉回來的辦法，其花費(fèi)的成本肯定要比發(fā)射的成本還高，沒有國家愿意做這樣的事情。
事實(shí)上，太空垃圾的清除是個(gè)非常敏感的軍事話題，能把廢棄物從太空收回來，也必然能超越任何衛(wèi)星。也就是說，任何一個(gè)能變軌的衛(wèi)星，都是武器。
都亨強(qiáng)調(diào)：“現(xiàn)在各國應(yīng)開始注重清理，目前是很關(guān)鍵的時(shí)期，未來空間垃圾臨界點(diǎn)的到來將對人類活動產(chǎn)生重大影響。”
這種轉(zhuǎn)變，間或可以在我國近期發(fā)射的天宮一號上看出端倪。
在9月28日酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心例行的新聞發(fā)布會上，中國載人航天工程新聞發(fā)言人武平專門介紹了天宮一號對空間碎片的監(jiān)測和防范工作。
據(jù)悉，除了加強(qiáng)空間碎片的監(jiān)測和預(yù)警，天宮一號還采取了防護(hù)和規(guī)避措施。此外，在其壽命末期，將主動離軌，隕落在指定海域。
空間安全無國界
真正讓國際社會開始重視空間碎片這一問題的，是2009年俄羅斯航天器與美國商用衛(wèi)星在西伯利亞上空相撞。
“這件事實(shí)際上說明現(xiàn)在整個(gè)空間碎片工作存在問題。”都亨表示，“空間的垃圾已經(jīng)對航天事業(yè)構(gòu)成了很大的威脅，甚至涉及到國家安全，必須搶占這一制高點(diǎn) 。
早在上世紀(jì)六七十年代，美國和俄羅斯就已經(jīng)建立了監(jiān)測網(wǎng) 。“雖然監(jiān)測網(wǎng)并不完全是為了空間碎片而建的，可是它可以根據(jù)空間碎片測量它們的軌道。”都亨指出，美國在低高度上主要用雷達(dá)，高軌道上主要用望遠(yuǎn)鏡來測量碎片的軌道。
事實(shí)上，空間碎片的觀測只是美國空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)附帶功能，它的主要用途是導(dǎo)彈預(yù)警。所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)都由美國空間司令部首先處理，不保密部分才通過NASA在其網(wǎng)站上公開發(fā)布。
李明透露，我國自2000年起啟動了“空間碎片行動計(jì)劃”，目前國內(nèi)已確定了以數(shù)據(jù)庫為載體的“空間碎片探測預(yù)警工程”、以防護(hù)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)為載體的“空間碎片防護(hù)工程”和以空間碎片減緩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為載體的“空間環(huán)境保護(hù)工程”的三大主題工程。
劉靜表示，目前人類觀測空間碎片的軌道運(yùn)行，只能通過地面觀測的手段完成。“這是個(gè)長期且艱巨的工作，目前只有美國有最全、最準(zhǔn)的碎片數(shù)據(jù) 。”
“空間碎片是全球性的問題。幾乎所有的航天國家都制造空間碎片，要控制碎片的數(shù)量，需要所有航天國家的共同努力才能解決。” 劉靜表示， “空間碎片對所有航空器都構(gòu)成威脅，自然為所有國家所關(guān)心。空間碎片問題的解決需要全球共同的努力，最終也必須通過國際間的密切合作、發(fā)揮聯(lián)合國的作用。”
“我國的航天活動越發(fā)頻繁，將來產(chǎn)生的碎片也會逐漸增加。碎片一到空間就不管是哪個(gè)國家產(chǎn)生的了，相互之間都有撞擊的可能，這是個(gè)很復(fù)雜的事。”都亨指出。
在采訪中，一些航天專家表示，對于大質(zhì)量的空間碎片來說，最有效的措施是開展國際合作，進(jìn)行全過程實(shí)時(shí)跟蹤、預(yù)報(bào)，采取主動規(guī)避的辦法。
約束力的缺失
“空間碎片是一項(xiàng)既涉及世界各國的利益，也是需要世界各國聯(lián)合行動才能解決的問題。”都亨表示。
而現(xiàn)實(shí)的情況是，在空間碎片的問責(zé)和處理上缺乏相應(yīng)的約束和協(xié)調(diào)機(jī)制。
機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)小組制定了《空間碎片減緩指南》，聯(lián)合國和平利用外層空間委員會2007年6月也以此為藍(lán)本通過了該指南，要求會員國或國際組織通過國家機(jī)制最大限度地減少空間碎片。
該指南提出了減少空間碎片的三種方法：對航天器和火箭采取鈍化措施，減緩碎片的產(chǎn)生；設(shè)立“垃圾軌道”，騰出有價(jià)值的軌道空間，減少空間碎片對航天器的危害。
“但是空間碎片上升到清理層面時(shí)，會涉及到軍事安全等問題，上述指南缺乏相應(yīng)的約束力。”都亨表示，《國際空間法》原來的文本還沒有考慮到空間碎片的問題，只考慮到了航天器。今后可能還是需要立法來解決太空垃圾的責(zé)任歸屬問題。
美國國家研究委員會Joanne Gabrynowicz亦表示，盡管現(xiàn)有的《外層空間條約》呼吁航天國家“避免傷害”，但并沒有對產(chǎn)生太空垃圾的行為加以禁止。
更多的航天專家在呼吁，各國在對空間垃圾的處理上不應(yīng)單打獨(dú)斗，必須有國際協(xié)調(diào)和法律約束力。
太空垃圾應(yīng)對措施
空間碎片包括完成任務(wù)的火箭箭體和衛(wèi)星本體、火箭的噴射物、在執(zhí)行航天任務(wù)過程中的拋棄物、空間物體之間的碰撞產(chǎn)生的碎塊等。可以說，空間碎片是人類自設(shè)的隱患。
數(shù)量
40多年來，人類進(jìn)行的空間發(fā)射超過4000次，送入空間并曾經(jīng)被跟蹤觀測的物體超過26000個(gè)，其中約有1/3仍遺留在空間沿軌道飛行。目前可被地面觀測設(shè)備觀測并測定其軌道的空間物體超過9000個(gè)，其中只有6%是仍在工作的航天器，其余為空間碎片。
危害
目前，科學(xué)家們對太空中可能存在的近10萬塊廢棄物擔(dān)憂。這些物體通常以每秒10公里以上的速度運(yùn)行，如果與其他物體相撞，每小塊將產(chǎn)生相當(dāng)于一枚手榴彈的爆炸力。一塊僅有阿司匹林藥片大的殘骸可將人造衛(wèi)星撞成“殘廢”，可將造價(jià)數(shù)億元的航天器送上絕路。1983年，美國航天飛機(jī)“挑戰(zhàn)者”號與一塊直徑0.2毫米的涂料剝離物相撞，導(dǎo)致懸窗被損，只好停止飛行。而且，大塊的宇宙飛船殘塊將不斷下落，如果在大氣層中不能燒?。脅糠腫孤渲戀厙?。
應(yīng)對
減少太空垃圾，歸結(jié)起來是“避、禁、減、清” 。“避”就是對太空垃圾進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視與跟蹤，并采取有效的技術(shù)手段，使航天器及時(shí)避開太空垃圾。“禁”就是國際上制定有關(guān)法規(guī)，禁止在空間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和部署各種武器，限制發(fā)射核動力衛(wèi)星，使空間成為為人類文明服務(wù)的和平空間。“減”就是發(fā)射航天器的國家應(yīng)采取措施，盡量減少太空垃圾的增加。“清”就是發(fā)展太空垃圾清除技術(shù)，如運(yùn)用激光器使大塊垃圾首先改變運(yùn)行軌道，然后將其汽化。

科學(xué)時(shí)報(bào) 黃明明