4500吨太空垃圾，有多大的危害？
最有名的美国先锋1号卫星，已是半个世纪之久的太空垃圾。在地球运行轨道上有一亿块微碎片，相当于一亿颗蓄势待发的隐形子弹
文｜李皙寅
编辑｜施智梁
在《机器人总动员》中，瓦力和伊娃乘坐飞船冲出地球时，必须钻出一层厚厚的太空垃圾。这样的景象距离我们不太遥远。
8月24日，国际空间站俄罗斯舱段“星辰”号服务舱于莫斯科时间当日18时推动了国际空间站变轨，避免了国际空间站与太空垃圾的碰撞。
无独有偶，本月初，一个具有抓取功能的航天器正打算靠近垃圾，将其扔到大气层中烧毁时，原本作为目标的太空垃圾被另一块太空垃圾击中。垃圾“杀死”了垃圾，有些黑色幽默。
太空垃圾又称空间垃圾、空间碎片，是指太空中所有在轨的、废弃的人造物体。大至卫星解体造成的碎片，也包括火箭末级、弃置卫星等废弃的航天器；小到飞行器掉落的涂层、飞行器排出的液体固化形成的颗粒、固体火箭发动机未燃烧的固体颗粒等。
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据统计，在地球运行轨道上大约有一亿块微碎片，这些太空垃圾相当于一亿颗蓄势待发的隐形子弹。
当太空垃圾存到了一定数量时，将锁死人们探索太空的可能。太空垃圾从何而来？危害有多大？如何清理？
太空垃圾主要是碰撞风险，高速运行的太空碎片与卫星碰撞，会导致卫星不同程度损伤，并大概率会导致卫星丧失功能。中国高端卫星制造商微纳星空科技有限公司科研质量部部长张又升告诉出行一客（ID：carcaijing），这对卫星所有方是巨大损失，如果同空间站等载人航天器碰撞也会对航天员生命产生巨大威胁，此外，太空垃圾还会对导航系统、通信网络等基础设施造成破坏，影响人类的太空探索和利用。
“业内对航天垃圾的关注度在逐渐升温，”维洲科技创始人 ，中国宇航学会会员姚明华对出行一客（ID：carcaijing）表示，最近两年，在业内相关的研讨会上，航天垃圾的出现频率在增高，甚至越来越多地出现相关分论坛。在这背后，是业内对其危害性的认知越来越深，毕竟一块拳头大小的、高速运动中的垃圾，就能损毁整个空间站，危害不可谓不大。
01
太空垃圾从何而来？
自1957年10月第一颗人造卫星进入天空开始，人造的太空垃圾已经同步产生。
太空垃圾包括报废、失控的人造卫星，使用过的火箭本身及其零件。还有多级火箭分离时产生的碎片、大块碎片相互碰撞后产生的小碎片，甚至还有宇航员在太空作业时遗失的手套和工具等物品。
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有公开报道称，仍有超过4500吨重的垃圾留在绕地轨道上。其中最有名的是已报废的美国先锋1号卫星，该卫星于1958年发射，现已成为在太空中停留时间最长的垃圾。
理论上，卫星达到使用寿命后，会通过变轨通过大气燃烧来自毁。不过仍存在卫星失控及高轨道卫星因动能较大，难以如期减速坠毁的情况。
其间，还有一些意料之外的情况。比如，美国在20世纪60年代，执行过西福特计划，将4亿3000万根微小的铜针，散布在轨道上，作为天线，从而帮助提高与驻外海军的通讯能力。
当时，美国相关当局公开表示，这些全长1.78厘米、直径约20微米的铜针会在3年内陆续离开轨道。事实上，仍有相当数量的铜针残留在轨道上。
宇航员储藏作业时，不小心遗失的物品，也一直在太空中游荡，其中有扳手、钳子、整套工具包，也有手套、牙刷，还有至少两部摄影机，他们大概率一直漂浮在太空中。
20世纪60至70年代，美苏在星球大战时，双方的反卫星武器实验也制造了大量的太空垃圾。
1985年，美国国会意识到了反卫星试验的潜在风险，准备颁布禁令。听到风声的美军，抓紧重启了反卫星武器实验，特地赶在禁令前击毁了一颗在近地轨道上的退役太阳观测卫星。据称，最后一块碎片，直至2004年才坠入大气层烧毁。
令人遗憾的是，类似的事件仍有发生。俄罗斯在2021年11月也用一枚导弹，摧毁了一颗废弃军事侦察卫星。这产生了上千颗可追踪的碎片，并可能会产生数十万块较小的碎片。
首次有记载的卫星发生相撞发生在1991年。退役的俄罗斯导航卫星Cosmos 1934被其姊妹卫星 Cosmos 926的一块碎片撞成两半——这属于碰撞事件中的“安静”版本了。更激烈的一次发生在2009年，美国通信卫星铱星33（Iridium 33）与退役的俄罗斯卫星Cosmos 2251相撞，一年之内识别出来的碎片数就多达1740——这是人造卫星间首次超高速碰撞，碰撞速度达到11.7千米/秒。
在此次卫星相撞之后，太空垃圾数量也迎来一次“高峰”。紧接着，由联合国外空委通过的《空间碎片减缓指南》强调了几点履行原则：入轨的航天器在任务完成之后不能在LEO（近地轨道）长期停留，离轨坠落大气层时也得避免伤到人；以及如果航天器在GEO（地球同步轨道）附近，防止未来爆炸产生影响的方式是在退役之后把它推入更高的“墓地轨道（Graveyard Orbit）”。
02
不易发现的高速冷枪
太空垃圾的运动速度极快，一个小小的碎片都恰如一颗颗冷不丁射出的子弹，威胁着太空中设备安全和宇航员的生命。
太空垃圾一般在高度300-450公里的近地轨道上以每秒7-8公里高速运动，在36000公里高度的地球静止轨道上以每秒3公里的速度运动。
根据轨道倾角碰撞时的相对速度可以达到每秒10公里以上，因此具有巨大的破坏力。
据计算，一块直径为10厘米的太空垃圾就可以将航天器完全摧毁，数毫米大小的太空垃圾就有可能使它们无法继续工作。
更可怕的是大量尺寸极小、难以被观测到的太空垃圾碎片。有资料称，已经被记录在案的直径大于10cm的太空垃圾有27000个；预估1—10cm之间的垃圾数量约为50万个；1mm—1cm超过1亿。10cm是一个分界值，大于此的太空垃圾，做汇合和碰撞评估才是有效的。
无法被追踪的“小垃圾”有更大的潜在风险。六十年代，科学家们发明了“轻气枪”（Light-Gas Gun）——一种模拟轨道速度的装置。当一个重量只有7克，由聚碳酸酯制成的抛射物，以7公里/秒与铝块相撞时，立即“炸”出一个比自身尺寸宽五倍、深五倍的坑。
因为那些根本躲不开的太空垃圾，国际空间站套上了一层惠普尔防护罩（Whipple Shield）——天文学家Fred Lawrence Whipple在20世纪40年代发明了这种航天器超高速撞击防护结构。
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太空垃圾不仅是躲在角落里开冷枪的潜在杀手，更有可能阻碍地球人飞往太空的计划。
1978年，美国NASA科学家唐纳德·凯斯勒（Donald Kessler）提出，太空中垃圾太多，相互间会发生碰撞，形成更多的碎片，这些碎片之间再次碰撞，引发一系列的次级碰撞，如同原子裂变反应，产生指数级增长的碎片。于是碎片撞击的概率越来越大，时间越来越短，如此恶性循环，直至将所有航天器损毁。
根据凯斯勒的假说，随着地球低轨道卫星数量的不断增多，总会在某一刻时刻达到某一个阈值，让级联效应的发生成为必然。
03
太空垃圾如何处理？
综合来看，人类对付天空垃圾主要靠三招。
俗话说，惹不起躲得起。2015年，国家航天局空间碎片监测与应用中心就在紫金山天文台挂牌成立，依托全国多地的观测站以及目前已具备的数据库，对近20000块在太空中散落的空间碎片进行跟踪。借助雷达和望远镜来观测，预判遭遇轨迹，提前采取措施应对碰撞。
此外，美国全球空间监视网（SSN）、俄罗斯空间监视系统（SSS）、日本美星太空护卫中心（BSGC）等都在实时监测太空中的垃圾。
根本办法在于从源头减量，想办法让航天器离轨并重返大气层销毁。
具体办法有两种，其一是指在航天器生命末期，利用自带的动力装置，降低飞行速度脱离轨道，逐渐坠入大气层。其二是借助薄膜帆、充气球等外部力量降低飞行轨道。
除了被动等待，也可主动出击。
2016年6月25日，中国将“遨龙一号”空间碎片主动清理飞行器送入太空，其装载了一台机械臂，模拟抓取废弃卫星和太空垃圾，并将它们带到大气层销毁。
遨龙一号 来源：网络
对此颇有争议，保守派人士认为，如果为了清理垃圾而发卫星，结果可能造成更多额外的垃圾。
对于发射卫星有可能造成的太空垃圾问题，中国已经制定了相关规定。2021年5月7日，国防科工局发布《关于促进微小卫星有序发展和加强安全管理的通知》，其中第七、八条明确规定微小卫星应具备一定避碰轨控能力，应具备必要能力以利于实施离轨。
目前卫星设计强制具备主动离轨功能。张又声介绍，在卫星寿命末期，通过离轨装置主要包括离轨帆、推进系统等进行主动降轨，到达一定高度后经过一段时间可完成陨落烧毁。
同时，卫星要具备在轨主动避让的能力，如果风险较大，需要卫星结合自身轨控能力采取避让措施。这种能力要求会越来越高，也是行业发展重要技术方向，从而保证卫星在轨秩序。
不过，目前围绕航天垃圾的处理，整体仍处于初期阶段。
姚明华表示，其一，太空本质上没有明确的权属关系，目前倡导的是谁发射、谁负责，但这是倡议，没有明确的监管和惩治措施；其二，太空垃圾处理回收的技术虽然多元，但是商业化的路径没有跑通。不过，也有一些新的可能，比如中国空间站如今有了在太空中发射卫星的能力，这就打开了一个脑洞——未来能否由空间站发射航天器，后者去抓取太空垃圾，再送回空间站，这样往复的抓取方式，相对成本更低，也避免了抓垃圾的航天器再度变成垃圾的可能。