太空垃圾简史：天宫一号完美“回归”三千颗退休卫星还在绕着地球

　　约有7500吨太空垃圾在绕地球飞奔，如果放任不管，也许用不了几代人时间，最浪漫的事就会变成“陪你去看太空垃圾雨”。
　　作者：戴戈
　　2018年4月2日，绕地球飞行6年半的“天宫一号”从南太平洋中部区域再入大气层，绝大部分器件在空中分解并烧蚀销毁。社交网络上已经有外国网友晒出疑似“天宫一号”残骸进入大气层燃烧的影像：画面中先是有几块闪亮的碎片在空中快速滑行，不久后碎片燃烧起来，在天空拖拽出数道耀眼的光轨。录下视频的男子在这一刻激动地大喊：“Ohman！That’sawesome！”与之前外界所担心的不同，天宫一号完美谢幕，既没有制造太空垃圾，也没有对地面造成威胁。
　　自斯普特尼克1号上天至今的60年间，人类已先后将7500余颗卫星送入太空。这些卫星将《权力的游戏》发送给全球观众、追踪气候变化、为人们指引方向，甚至追踪个人行踪，让人类生活方式大为改观。不过，人类征服太空的副产品太空垃圾，开始让人类头痛不已。目前，人类发射的卫星中有4300颗依然在太空漫游，只有约1200颗依然在运作，约有7500吨太空垃圾在绕地球飞奔，且数量正以每年25的速度增加。这些不受控制的太空垃圾无时无刻不对卫星、航天飞机以及国际空间站的安全构成威胁。如果放任不管，也许用不了几代人时间，最浪漫的事就会变成“陪你去看太空垃圾雨”。
　　凯斯勒综合征
　　木叶凋落的冬夜，家住美国北卡罗来纳州的唐纳德凯斯勒喜欢在屋后架起一台小型天文望远镜，观察那些闪耀在蓝岭山脉上空的星星。这台1978年的星特朗望远镜虽然不是最先进的家用天文观测设备，但仍被凯斯勒视若珍宝。望远镜出厂的那年，正是凯斯勒发表让他在航天界享有盛誉的著名论文的一年。当时，被分配到休斯敦美国航空航天局约翰逊航天中心环境影响项目办公室的凯斯勒，对人类在茫茫太空制造的垃圾产生了兴趣。
　　唐纳德凯斯勒（DonaldKessler）和他的望远镜照片拍摄：AnnaKnott
　　说起太空垃圾，人们可能首先会想起那些从太空坠落的人造飞行物残骸。事实上，几乎每周都有航天器残骸落入大气层，其中大部分都会在空中燃尽，基本不会对人类构成威胁。真正危害巨大的太空垃圾，是那些在地球轨道中掉不下来的废弃物。火箭科学家称之为空间碎片或轨道碎片，指宇宙空间中除正在工作着的航天器以外的人造物体，包括航天器发射过程中产生的碎片、航天器表面脱落的太阳能面板和油漆、火箭和航天器爆炸碰撞产生的碎片，甚至是宇航员在太空行走时失手落下的手套。这些碎片在地球轨道上以38公里每秒的速度高速运动，碰撞时相对速度可达每秒10公里以上。一块直径10厘米的太空垃圾就可以将航天器完全摧毁，几毫米大小的碎片就有可能使它们无法继续工作。
　　通过对轨道碎片的研究，凯斯勒写出了开创性论文《人造卫星的碰撞频率：碎片带的产生》。在论文中，他描绘了一个噩梦般的情景：废弃的卫星和其他轨道碎片将不断积聚，直到不可避免地发生碰撞，相撞的物体会粉碎成无数同样危险的碎片，引发连锁反应式的系列碰撞，“结果就是，随着时间的推移，碎片数量呈指数级增长，在地球周围形成碎片带”。这种现象，后来被称为“凯斯勒综合征”。凯斯勒预测，这样的碰撞将发生在未来3040年之间。
　　论文发表后，美国航空航天局（NASA）设立了轨道碎片办公室（OrbitalDebrisProgramOffice），由凯斯勒负责，但并没有拿出什么实际措施来应对太空垃圾问题。“他们（上司）不喜欢我发现的东西，”凯斯勒回忆道。毕竟，那时距人类开始制造太空垃圾只有20年。而且，在斯普特尼克1号上天后一直持续了近20年的美苏太空竞赛中，如何处理太空垃圾也远远不是个值得优先考虑的问题。
　　一段时间内，美国航空航天局都在“大天空理论”（thebigskytheory）指导下运作。这一理论认为，鉴于太空无比辽阔，任何废弃物或火箭丢在那里是完全ok的，这些物体重新掉入地球大气层时，它们就差不多烧完了。唯一问题是，这些太空垃圾什么时候能掉下来？有些可能只需要几年，而那些处于较高轨道的可能几十年也不会下降。当时的人们似乎没有好好思考过这个问题。其他国家也在相同的理论下开展了太空事业。哪怕一个巨大的太阳能电池板碰巧脱落在太空，你能做的也只是祝它一路顺风。
　　实际上，看似波澜不惊的太空中一直麻烦不断。1983年，美国航天飞机“挑战者号”与一块直径0。2毫米的涂料块相撞，导致舷窗被损，只好停止飞行。前苏联的“礼炮7”号轨道站也多次被此类碎片损坏。1986年，“阿丽亚娜”号火箭进入轨道之后不久便爆炸，爆炸残骸使两颗日本通信卫星“命赴黄泉”。1991年，美国“发现者”号航天飞机差一点与前苏联的火箭残骸相撞，仅仅相距2。74公里，幸亏地球上的指挥系统及时发来警告信号，它才免于损毁。
　　终于，在2009年，太空中宿命般的一次撞击来临了。2月10日，西伯利亚苔原高空约500英里的地方，两颗卫星在太空中飞行，一颗是美国铱星公司委托摩托罗拉公司设计的通信卫星“铱星33”，另一颗是1995年报废的俄罗斯军用卫星“宇宙2251”。前者向北飞，后者在一个不受控制的轨道上向东翻滚。两颗卫星毫无预兆地撞在一起，猛烈的碰撞让卫星分裂成2000多片碎片。就像电影《地心引力》开头的一幕，撞击产生的卫星残骸迅速扩张成碎片云，每个碎片都如同一发炮弹，能够轻易摧毁任何昂贵设备。
　　《地心引力》中的一次撞击引发了一系列连锁效应，女主角最后通过天宫一号和神舟飞船返回了地球
　　凯斯勒预言成真了。如同战争中打响的第一枪，撞击事件表明凯斯勒综合征正在从理论走向现实。受这次卫星相撞事件刺激，美国军方运行的空间监视网（SpaceSurveillanceNetwork，SSN），升级了计算机设备、加大监测力度。到2017年，它已经跟踪了约2。4万个大型物体，大部分物体的行踪在SpaceTrack上公开，更多碎片由于尺寸太小无法跟踪。据欧洲宇航局2017年的数据显示，在地球轨道中超过10厘米大小的碎片约有2。9万个，介于1厘米至10厘米的碎片达75万个，1毫米至1厘米的碎片已达1。66亿个。
　　主动出击
　　科幻大师阿瑟克拉克1979年出版了小说《天堂的喷泉》。在书中，他语重心长地告诫人们：所有太空垃圾都“必须被定位，并加以处理”。克拉克想象了一种“清理行动”，拥有大功率激光发射装置的太空堡垒像扫地车一样在太空中巡驶，将垃圾气化，把太空打扫得干干净净。克拉克警告，如果不采取行动，地球与太空的联系终会切断，人类无法通过卫星通信，丧失探索太空的能力。“我们会重回黑暗时代。混乱随之而来，疾病和饥饿会毁灭大部分人类。”鉴于克拉克早在20世纪40年代就构想出了卫星通信系统，他这种对太空垃圾可能导致恶果的悲观预测还真未必是危言耸听。
　　面对未来共同的威胁，人类也确实拿出了一定的行动。1993年10月26日，由美国航空航天局、欧洲宇航局、日本宇宙开发事业团和俄罗斯航天局联合发起的机构间空间碎片协调委员会（InterAgencySpaceDebrisCoordinationCommittee，IADC）成立，1995年中国国家航天局也正式加入该组织。2007年，IADC推出了《IADC空间碎片减缓指南》，要求防止航天器在轨期间解体、正常运行期间限制释放物体，已到飞行寿命末期的航天器应当从密集轨道区域移除等。《指南》是非强制性的，但得到国际社会的广泛认可。美国航空航天局的轨道碎片办公室也设定了一系列规则，包括限制可丢弃的垃圾类型，要求卫星运营商将退役的飞行器升入“坟场轨道”（地球同步轨道上空300公里处），以及在卫星寿命结束25年之后，使其在大气层中燃尽自毁。（未燃尽的航天器一般被设计坠入被称为“航天器坟场”的南太平洋深海无人区。）
　　天宫一号此次正是落在南太平洋海域，这里有一片“航天器坟场”
　　不过，人类对太空的利用需求日益增长，缩短在轨空间物体寿命和减少发射量依然不是最终解决之道，空间碎片主动清除成为各国关注的焦点。2009年，美国国防部先进研究计划署召开了第一次轨道碎片清除国际会议，征集清除太空垃圾的方案和计划。2016年，美国国家航空航天局宣布将投资研发二维宇宙飞船，这种航天器使用特殊的二维薄膜材料制成，可以包裹住太空垃圾并使其离开轨道。
　　欧洲的航天界也在积极行动。2017年召开的第七届欧洲空间碎片会议上，许多轨道碎片清理方案让人眼前一亮。比如，英国航宇公司提出了“大墓地”系统，用于采集报废的近地轨道卫星，并将其送入“轨道坟场”。计划于2018年4月发射的欧洲主动清除碎片（EuropeanActiveDebrisRemoval）任务，目标是较小碎片和立方星。执行任务的REMOVEdebris卫星将释放仿真太空碎片，利用视觉导航系统，用于“渔网”和叉子捕捉碎片，并令其脱离轨道装置。欧洲宇航局还计划在2023年发射e。Deorbit航天器，验证大型报废卫星清除任务，e。Deorbit将使用“渔网”或配备抓爪的机械臂来捕获卫星。
　　科学家设计用“渔网”、机械臂等来捕获卫星
　　中国在太空垃圾监控和主动处理上起步并不算晚2000年就启动了“空间碎片行动计划”。随着航空航天事业的突飞猛进，2015年，中国国家航天局空间碎片监测与应用中心正式成立。它具备航天器发射预警、空间物体安全再入、航天器解体分析、空间碎片环境评估等能力。2016年6月25日，“长征七号”运载火箭携带“遨龙一号”空间碎片主动清理飞行器发射成功。“遨龙一号”是世界上首个主动的轨道碎片离轨清除实验项目，它装载了一台机械臂，模拟抓取废弃卫星和太空碎片，并将它们带到大气层烧毁的能力。这可以说是中国在世界航天领域独领风骚的杰作。
　　大多数太空垃圾清理计划听起来就像科幻小说中的情节，因为它们差不多都停留在设想和研究阶段，真正着手进行的凤毛麟角。事实上，航空航天事业从肇始起，就是国际政治角力的赛场，太空垃圾清理也面临着国际政治关系的制约。耗资不菲的空间碎片主动清除项目，目前基本上是由国家或政府支持完成的。这势必带来他国对这种技术武器化的猜忌，有可能在大国间引发太空竞赛，使国际政治环境复杂化。例如，中国“遨龙一号”就受到了美国战略武器专家的质疑，他们认为“遨龙一号”的机动性与灵敏性已经大大超出原有的功能，虽然现在还没有攻击或者抓获其他卫星的恶意，但是隐藏着巨大可能性。
　　另一个案例是美国。出于对技术研发成本、“空间碎片主动清除”技术武器化等敏感政治问题的考虑，美国对“空间碎片主动清除”策略的推进一直处于理论发展阶段。
　　人造的星辰大海
　　目前，私营航天公司一派欣欣向荣，似乎有望成为航空航天事业未来发展的主要驱动力。2017年，全球火箭商业发射次数首次超过了政府赞助的发射次数，私营航天公司正前所未有地站在太空探索的最前沿。但是，在一片对私营航天公司的乐观想象和欢呼喝彩中，大家可能忽略了它们给太空垃圾清理带来的新难题。
　　名为stuffinspace的网站以视觉化形式呈现了地球轨道上的人造物
　　在美国私营航天巨头中，仅SpaceX就计划在2024年前发射约12000个小型卫星，以构筑卫星互联网，马斯克预计2019年会先送4425颗发射器上天。其竞争对手OneWeb计划在2018年发射近千颗卫星。另一家卫星企业Planet，2017年2月用一艘火箭发射了88个小型卫星，每个重量不到10千克。还有为数更多的小型轨道卫星，特别是立方星和纳米星（NanoSats）之类的微型卫星。突破摄星计划（BreakthroughStarshot）2017年发射了六颗世界上最小的卫星“精灵”，半径仅有3。5厘米。它的最终打算是将几千个邮票大小的纳米宇宙飞船发送到4。37光年外的半人马座阿尔法星系。
　　按照规定，所有私营航天公司都需确保它们的发射物及时回落。大型卫星可以利用最后的燃料掉入大海，但小型卫星和微型卫星没有推进系统，只能靠大气阻力将它快速拖离轨道。一些小型卫星运营商正计划为其搭载推进系统，问题随之而来有加压燃料就有爆炸可能，产生更多碎片。而且，大量生产的小型人造卫星规格相同，缺陷也相同。一颗卫星推进系统有问题，整个批次都会有问题。要知道，这种事发生在太空里，可不像跑车一样能够召回。
　　另外，NASA制定的25年方针不是强制执行的。2015年发射的卫星35都不合规定。2003年至2014年发射的立方星中，20不合标准。虽然私营航天公司巨头SpaceX和OneWeb都已经表态，它们的航天器将在结束使命后5年内自然衰退（远低于25年），但不受管束的发射者仍大有人在，太空垃圾大幅增长的阴影如同死神一般盘旋在太空中。
　　与此同时，现阶段指望私营航天公司进行太空垃圾清理也不切实际。此前，几乎所有商业太空收入都来自地球同步轨道，空间碎片堆积最多的近地轨道商业收入很少。SpaceX等公司构想的卫星互联网要在近地轨道部署上千颗卫星，这或许是未来私营航天巨头参与空间碎片主动清理的一个契机。但当前，清理空间碎片还是门既不赚钱也不赚吆喝的生意。追逐商业利润的私营航天公司，缺乏主动研发空间碎片主动清除技术的足够动力。
　　2008年，电影《机器人总动员》让全球观众为之感动。瓦力与伊娃乘坐飞船冲出地球时，地球轨道中密密麻麻的太空垃圾给人们留下了深刻的印象。细心的观众还会发现垃圾堆里有人类第一颗卫星斯普特尼克1号的身影。太空代表了自由、机会，象征着人类最后的希望。它是这样一个超出人类认知的无限空间，为人类无尽的探索和征服欲望提供了出路。
　　当下，太空旅游、太空“葬礼”和月球“房地产”等的出现，表明人类已将太空视作目前地球商业和政治环境的延伸。正如大航海时代的海洋一样，太空在人类乐观和自信的愿景中，是充满机遇的乐土。然而，我们在太空中应该做什么？不应该做什么？大到达成太空法和太空伦理守则的一致，小到太空垃圾处理技术的研发与包干，都面临着各种困难与局限。恐怕，在对太空环境造成更严重和不可弥补的损害之前，人类需要拿出与太空相匹配的魄力，打破自身那渺小的局限性，作出更多的团结和努力。
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　　天宫一号太空垃圾
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