《三思科学》电子杂志
2002年第4期  总第10期
2002年4月1日

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太空幽灵的威胁




 柯南



　



　　如果能像新加坡人对待环境那样对待太空，今天人们可能会省去很多麻烦。垃圾不仅仅在地面包围人类，也在太空。


　　美国宇航局（NASA）约翰逊宇航中心下属的一个实验室里面，工作人员正在给一把特殊的“气枪”装上子弹。一声巨响过后，远处的“靶子”被炸开了一个大洞。NASA正在检验一种新型防弹衣的质量。它不是用于人体，而是用于航天器的保护。


　　航天器还会被子弹击中吗？当然不会，然而航天器面临的威胁远远胜过一发子弹。40多年以来，有一种幽灵一直在太空中游荡，他们被称作“太空垃圾”



昂贵的垃圾


　　自从1957年苏联的第一颗人造卫星——人造地球卫星一号上天以来，人类已经向太空发射了数以千计的人造物体。曾经有人说过，世界上没有那个运输公司像航天机构那样奢侈：你肯定不能忍受一架波音飞机只飞一次然后就此报废，然而运载火箭就是这样。人们花掉数千万美元建造一枚火箭，然后把它发射到太空，无论任务成功与否，它只能使用一次。


　　尽管造价不菲，当航天器的使命完成之后，这些最优质的材料也只能漂泊太空。即便是金或者比金更贵重的金属也不能例外。


　　无论身价几何，只要进入太空，它们都是无用的——甚至是有害的——太空垃圾。太空垃圾，严格的讲应该称作“轨道碎片”（Orbital debris）。它是人类航天活动的产物。在某种意义上，这种垃圾非常昂贵。




　　从地球外"看"太空垃圾。这是处于近地轨道（LEO）上较大的太空垃圾。


　　太空垃圾基本上是一种废弃物。人造卫星在寿命结束以后仍然停留在轨道上，这就形成了太空垃圾。同样，运载火箭的第三级也是太空垃圾的重要来源。通常火箭的第一、二级对太空造成的污染较轻，因为它们很快就会落回地面。火箭的第三级通常会停留在距地面600千米以上的地方。固体火箭喷出的颗粒也能成为微型的太空垃圾。最糟糕的是卫星或者火箭的爆炸。这种爆炸能产生成百上千的大块碎片。



百年孤独


　　太空垃圾不会永远停留在某个轨道上。在稀薄的大气分子的摩擦或者太阳的光压作用下，它们能逐渐落回地面，在重返大气层的过程中烧毁。然而不是所有的太空垃圾都能够如此顺利地重返人间。离地球越远，落回地面的时间就越长。一般来说，距地面600千米以下的太空垃圾会在几年之内落回地面；而在800千米高度上的太空垃圾能够停留数十年。至于高于1000千米的太空垃圾，它们会在那里孤独的停留至少1个世纪。至于更高轨道上的太空垃圾想要返回地球更是遥遥无期。


　　如果给大多数的太空垃圾安装上照明标志，从地球之外远远望去，你将会看到一种奇异的景象：在靠近地球附近的近地轨道上，密密麻麻分布着数不清的太空垃圾。通常，大多数太空垃圾都“挤”在距地面2000千米以下的地方。他们在600千米、800千米和1200千米的高度上的聚集现象特别严重。


　　在地球同步轨道（GEO）上也有太空垃圾，但是情况不如近地轨道那么严重。地球同步轨道被视为一种无形的资源。因为大多数通讯卫星都要在这个轨道上工作（这样才能相对地球“静止”）。越来越多的卫星被安放到了这个轨道上，那里的太空垃圾随着时间的推移也有增多的趋势。从图中可以看到，地球同步轨道的太空垃圾仿佛给地球增加了一个环。




　　从地球外"看"太空垃圾。这是处于地球同步轨道（GEO）上较大的太空垃圾。下图是在极地方向上观察的结果


　　在这几幅图片中我们看到的都是较大的太空垃圾。所谓“较大”其实也不过在厘米数量级。使用雷达和光学望远镜可以追踪近地轨道上较大的太空垃圾。NASA的“太空监督网”（SSN）和俄罗斯太空监督网（SSS）专门负责监视较大的太空垃圾。迄今为止，已经有超过9000个大于10厘米的太空垃圾被记录在案。10厘米到1厘米的太空垃圾至少有10万个。雷达只能追踪3厘米以上的太空垃圾。据专家估计，在1厘米尺寸以下的太空垃圾有数以百万计



暗箭难防


　　人们并非担心太空垃圾污染环境，而是担心它的冲击力。一块典型的太空垃圾的速度是每秒8千米。如果一个正常的航天器与太空垃圾迎面撞上，那么碰撞速度可能超过可能会超过10每小时千米。


　　为了给你一个大概的认识，我们可以比较一下各种物体运动大约的速度：火车的速度通常是0.06千米/秒；飞机是0.3千米/秒；子弹是0.7千米/秒；坦克发射的穿甲弹速度能达到1~2千米/秒。然而这些速度与太空垃圾的速度相比真是小巫见大巫。


　　被太空垃圾撞上真的有那么可怕吗？答案是，非常可怕。通过简单的计算就能知道，一颗黄豆大小的太空垃圾以每秒10千米的速度飞行，它的动能相当于一辆微型汽车以40千米每小时的速度运行。还要注意到，由于太空垃圾体积非常小，通常它一下子就能把航天器的表面撞开一个洞。如果遇到了10厘米以上的太空垃圾，那么这场太空交通事故基本上是毁灭性的。




　　真实的撞击：这是哥伦比亚号航天飞机舷窗上的一块玻璃。分析显示，这块玻璃受到了一个毫米直径的氧化铝的袭击。然而幸运的是宇航员安然无恙


　　不过，迄今为止还没有出现过如此严重的碰撞事件，毕竟，撞上一大块太空垃圾的几率很小，因为太空实在广阔了。然而，对于太空垃圾还是不能掉以轻心的。尤其是载人航天器和长期在太空工作的大目标，例如太空站。


　　微小的太空垃圾经常会撞上太空站，这已经成为了家常便饭。“目标”越大、在太空停留的时间越长，遭到袭击的机会就更多。


　　例如，和平号空间站在轨期间长达十多年，在这期间它受到了大量的微流星和太空垃圾的袭击。最让人头疼的是，太空垃圾会撞坏脆弱的太阳能电池板。当然，和平号从来没有遇到重大的太空交通事故。


　　尽管发生大撞击的可能性较小，谨慎一点总归没有错误。航天飞机在轨飞行的时候会在其周围划出一个数千米尺寸的空间。前面已经提到过，NASA对于大的太空垃圾都记录在案，随时掌握其运行轨道。如果有大的太空垃圾进入这一区域，NASA就要指挥航天飞机改变轨道。即使太空垃圾进入“警戒圈”，它与航天飞机碰撞的机会仍然微乎其微，然而人们还是相当谨慎。


　　太空垃圾的威胁是真实的。1984年，NASA发射了一颗叫做“长期暴露实验装置”（LDEF）的卫星。这颗卫星有一辆公共汽车大小，表面积180平方米，发射它的目的是为了监测流星和太空垃圾对于航天器的影响。由于技术原因，这颗卫星的在轨时间从9个月延长到了6年，直到1990年它才重返地面。经过研究发现，6年中它一共遭到了2万多次的撞击。




　　LDEF：6年中被流星和太空垃圾袭击多达2万次


　　对于正在兴建中的国际空间站（ISS）或者哈勃太空望远镜（HST）这样长期在轨飞行的航天器，有必要给它们穿上“防弹衣”。事实上，本文最开始描述的一幕正是NASA的科学家研究高度运动的物体的撞击会造成何种影响。科学家正在研究更轻巧的新型装甲材料用于抵御太空垃圾的攻击。在国际空间站上已经安装了能够阻挡1厘米尺寸太空垃圾袭击的装甲。在通常情况下，这层装甲能够保证空间站高枕无忧，因为大于10厘米尺寸的太空垃圾容易被发现，它们处在人们的严密监视之下。唯一让人担心的是介于二者尺寸之间的太空垃圾，它们更难防范。



为了明天


　　“制造”太空垃圾相当昂贵，如果要消除太空垃圾，则要付出更多的代价。事实上，按照人类现在的技术水平，要完全清除太空垃圾几乎是不可能的。即使技术可行，花费也是巨大的。


　　1999年，联合国的一份关于太空垃圾问题的报告指出，目前还没有清除太空垃圾的有效手段，人们只能采取较为被动的措施，减轻太空垃圾的威胁。在设计新的航天器和运载工具的时候，应该遵循尽量少制造太空垃圾的规范。




　　近地轨道上大于1cm太空垃圾的相对数量增长趋势。从上到下4条曲线分别对应不采取任何措施直至采取积极措施缓解太空垃圾所对应的增长趋势


　　至今，还没有一个关于太空垃圾的国际公约被制定出来。但是有一个国际太空垃圾协调委员会专门处理太空垃圾的问题。1994年，太空垃圾问题成为了联合国和平利用空间委员会的一个议题。NASA，俄罗斯航天机构、欧洲宇航局、日本宇宙开发事业团都制定了相应的太空垃圾指导政策。


　　太空垃圾造成的效应是长期的，今天，它的效应刚刚显示出来，似乎还没有给人类造成太大的不便。然而我们也要为明天着想。毕竟，谁也不愿意被天上的垃圾包围。