http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2011-10-17
太空垃圾：高悬的达摩克利斯剑
UARS坠入地球的模拟图。
“宇宙-954”号的残骸。
“哥伦比亚”号的残骸。
在刚刚过去不久的9月，一颗与大巴大小相似的美国失控卫星坠落地球，引发人们担忧；本月底，又将有一架废弃的太空望远镜“ROSAT”号“重返”地球；2009年2月，俄罗斯已报废的“宇宙-2251”号和美国的“铱33”卫星发生了史上首次卫星碰撞事件，之后产生了大量太空碎片。这些已废弃的卫星和太空碎片都有一个共同的名字：太空垃圾。
近日，一则同样来自美国的消息引发关注，该消息称，目前绕着地球跑的太空垃圾已满到“临界点”，随时会相撞，而一旦互撞又会制造更多碎片。体积较大的太空碎片坠入大气层，如果不幸地落在人口密度较高的地区，很可能造成重大伤亡。对此，航空专家表示，虽然太空垃圾越来越多，但是地面上的人被太空碎片砸中是“高危险、低概率”的事，不需太过担心，我国的航天器对太空垃圾采取了多种防范措施，也正在用先进技术和手段避免制造新的太空垃圾。
专题文字：彭玉磊
太空垃圾已满到“临界点”
美国的《时代》周刊在日前的一篇文章中说，如果你得知头上飞着那么多的太空垃圾，很可能会晚上睡不着觉。54年前，全球第一颗人造卫星、俄罗斯的Sputnik成功发射至太空之后，地球各国先后发射了许多航天飞行器。对于每个航天飞行器来说，都会留下各种各样的垃圾：螺栓、升压器、连接环、隔热材料，甚至油漆碎片。
记者就此采访了我国著名航天专家庞之浩。他介绍说，太空垃圾是围绕地球轨道的无用人造物体，是在人类探索宇宙的过程中，被有意无意地遗弃在宇宙空间的各种残骸和废物，其主要有四种来源：一是航天器在使用寿命期间出现故障或者是“寿终正寝”之后继续在轨道中运行，如前苏联“礼炮-7”号空间站解体后就形成了200多块大碎片；二是火箭残骸，如已完成任务的火箭箭体、卫星本体和火箭喷射物等，尤其是第三级火箭，如果是在轨道较高的地方星箭分离的话，就会成为太空垃圾；三是航天员出舱进行太空行走时不小心掉在了舱外的工具、螺母等物体；四是在过去，航天员直接扔到太空里的生活垃圾。
庞之浩说，根据太空垃圾尺寸的大小，国际上把太空垃圾分为三类：尺寸大于10厘米的为大碎片，现被监测到大概有1.8万个；尺寸介于1至10厘米之间的为小碎片，现大概有10万个；尺寸不大于1厘米的为微小碎片， 现大概有几千万个。
《时代》周刊报道称，在直径大于10厘米的太空碎片中，大部分的直径都远不止10厘米，很多是尚算完整的飞行器。一些已经退役的卫星的体型相当于一辆中巴甚至大巴，重量也达到好几吨，它们就像被遗弃的驳船一样在太空中漂浮游荡。庞之浩表示，从理论上说，在低轨道运行的太空垃圾最终都会坠入大气层，而在高轨道(即3.6万千米以上高空)运行的太空垃圾则会在未采取任何措施的情况下绕着地球飞几千年。
就在上个月月底，美国国家航空航天局(NASA)的一颗6.5吨重的“高层大气研究卫星”(UARS)失去控制坠落地球，共有26块碎片坠落地球。虽然最终其安全地坠入了南太平洋，可是之前却让科学家和普通人都紧张不已。很快，本月底又将有一架太空望远镜“ROSAT”号“重返”地球，人们仍是难以测算出其精确的坠落地点。
高速太空垃圾危害大
据美国媒体介绍，如果所有的太空垃圾都是以同高度、同方向、同速度的状态来运行的话，那么它们就会处于相对静止的状态，互不干扰。但目前太空垃圾的状态并非如此，而是有的快、有的慢、有的轨道离地面较远、有的轨道离地面较近，当相近的两个物体像开车一样“变道”时，就如同高速公路上乱开乱撞一样。例如，美国发射的飞行器大多都是倾斜28.5度角绕地球运行，如此美国本土才会处于飞行器的“势力范围”；出于同样的原因，俄罗斯发射的飞行器则大多沿倾斜51.6度角的轨道运行，这样，两个轨道就出现了交汇的可能，2009年的美俄卫星碰撞事故就是证明。
太空垃圾的飞行速度很高，如果撞击到航天器表面，轻者会留下凹坑，重者会穿透航天器造成部分系统功能失效，甚至会产生灾难性的后果。一个仅10克重的太空碎片的太空撞击能量，不亚于一辆以每小时100千米速度行驶的小汽车所产生的撞击能量； 一颗迎面而来的直径为0.5毫米的金属微粒，足以戳穿舱外航天服。
庞之浩表示，小小的太空碎片会给航天器带来巨大危险的原因主要在于它的速度。如果一个太空碎片与航天器是相向速度(即朝同一个方向运行)，而碎片又不大的话，问题就不是太大。如果是相迎速度即迎头撞上的话，那就比较危险了，尤其是在宇航员出舱太空行走时，如果被相迎速度的碎片打在宇航服上，就会带来很大问题。
被太空垃圾砸中可索赔
对于地球上的居民来说，太空小碎片甚至是大部分大碎片都是可以被置诸脑后的，因为就算它们朝地球表面冲过来，进入大气层后也会被高温熔解蒸发。但是如果掉下来的碎片体积太大，大气层就无法“吃掉”整个碎片。另外，某些航天器的部件可能还是由耐热材料制成，高温也无法熔解，就像即将掉下来的“ROSAT”望远镜一样，其包含有一些较重的耐热镜片和陶瓷部件，这就对地面造成了威胁。
被太空垃圾砸中
“小概率高危险”
美国“保卫世界基金会”的技术顾问布莱恩·威登表示，仅在去年一年，就有将近400块直径超过10厘米的太空碎片坠入大气层，不过其中仅有十三四块碎片是失去控制的。NASA的太空垃圾专家表示，每年平均都有一个“大块头”的太空碎片坠入大气层，这些大碎片通常是废弃的某一级火箭。
据英国宇航员伊恩·格里芬博士介绍，由于大气密度纷繁复杂等情况，因此科学家难以估算卫星碎片的具体坠毁地点。即便是作出了预测，这个数据在数分钟后也会因为卫星的高速和环境变化而产生巨大偏差。
对于太空垃圾重返地球，庞之浩的意见是人们不需要太过恐惧，因为被太空垃圾砸中是个“高危险”但是“小概率”的事件。
根据NASA的估算，UARS卫星坠入海洋的概率是71%，击中地球上某个人的概率为二千三百分之一，对于每个人来说，被击中的可能性则低到二十一万亿分之一。而相比之下，一个人被闪电击中的概率为二十八万分之一。欧洲空间局负责追踪太空垃圾的海纳·科林拉德教授也表示：“在人类进军太空的50多年来，地球上至今还没有一个人因卫星碎片落入地球而受到伤害。”
不过，之前的坠毁虽然没有伤人，但威胁仍然不可小觑，以后这样的情况可能会越来越多。NASA科研人员称，太空垃圾的临界引爆点正在来临。即使不再发射太空飞船，到2055年，由碰撞所产生的新碎片数量将超过落回地球和燃烧掉的碎片总数。
如果太空垃圾与正在使用的航天器产生了碰撞，或者太空垃圾之间的碰撞产生了不良影响，责任应当如何归属？对此，庞之浩表示，目前来说责任归属还没有明确，“这是因为产生太空垃圾是不可控的，只要不是人为有意识的碰撞就属于无责任。如果伤害到地面的人或物的话，情况就不一样了，被伤害者可以根据相应的空间法让你赔偿”。
庞之浩介绍说，1978年，前苏联的核动力卫星“宇宙-954”号在加拿大领土坠毁，产生了核污染，被加方根据空间法索赔600万加元，前苏联政府最终赔了300万加元。1979年，美国的“太空实验室计划”(Skylab)空间站坠入印度洋和澳大利亚西部海域，过程中曾导致澳大利亚珀斯附近亚埃斯佩兰镇的楼房玻璃被砸碎，为此，美国象征性地赔偿了该镇400美元。
2009年2月10日，俄罗斯已报废的“宇宙-2251”号和美国的“铱33”卫星在西伯利亚上空约805千米处发生碰撞，撞击让“铱33”卫星受损，大约一个月后坠入地球。对于这次卫星碰撞事件，美俄两国最终不了了之，没有明确责任归属。
导弹“扫垃圾”可不简单
如何解决或者说缓和太空垃圾的问题？《时代》杂志称，几乎没有什么办法。设计者在设计制造太空飞行器时应尽量避免用太多可分离的组件，但现在的飞行器实际上都由很多可拆解的部件构成。良好的追踪技术可以提前预测废弃卫星的坠入地点，只要卫星尚余些许燃料，地面就可以控制其坠入海洋，但事实上大多数废弃卫星都不再有燃料。
庞之浩表示，目前太空垃圾清理问题已引起国际社会关注，国际航天安全促进协会呼吁有关国家共同参与制定太空交通规则。
庞之浩介绍说，使用反卫星导弹摧毁失效卫星同样可能会导致太空碎片的产生。1985年9月13日，美国一架“F-15”战机携带着反卫星导弹升空，首次成功地击毁一颗在500千米高轨道上的失效卫星。2008年2月，美国故技重施，用“宙斯盾”导弹防御系统击毁一颗失效的间谍卫星，当时美国方面宣称这颗卫星携带有大量有毒燃料，且有坠入人口密集的大城市的威胁。庞之浩分析说，这是颗军用卫星，美国在使用导弹摧毁其时也抱有不愿泄密的考虑。
美国已经尝试了两次用导弹击毁废弃卫星，为何今年9月不在“高层大气研究卫星”(UARS)坠入地球之前用同样的方法将之摧毁呢？庞之浩表示，“高层大气研究卫星”并非军用卫星，不存在太多保密的考虑，而且使用导弹的费用也比较高昂。导弹打卫星也是存在风险的，打得好，卫星碎片往下掉入大气层并被高温烧毁就没问题，如果打得不好、不准，就会在上层空间制造大量太空碎片。
我国航天器有哪些防范措施？
庞之浩向本报记者表示，我国目前对于防范太空垃圾和避免制造新的太空垃圾都有相应的技术和措施。对于体积较大的太空垃圾，我们会进行地面监控追踪，及早预防，以“躲”为主；对于小的太空垃圾，我们的航天器有防护能力，以“抗”为主，可以吸收小碎片撞上来的能量或者将之反弹出去。
在避免制造新垃圾方面，会确保航天器到了寿命后期仍可以进行人工控制，让其坠落在相对安全的区域，如南太平洋。对于运载火箭，如“长征四号”火箭，会进行“钝化”处理(也称“消能”)，实行“三放光”政策，即把储箱里的液体放光，把气瓶里的气体放光，把电池的能量放光。这样，箭体就钝化了。除非与别的航天器相撞，火箭自身不会爆炸。另外，对于那些已经“寿终正寝”的卫星，则会将之转到无用轨道上去，避免与其他航天器发生碰撞，同时让出轨道资源。
庞之浩还介绍说，我国现在的出舱航天服也对太空碎片具有一定的防护能力，可以防辐射和对微小碎片进行防护。即便如此，宇航员在出舱前也需要对外部环境进行评估，选择合适的时间出舱。
另外，如今按照规定，宇航员在太空中产生的生活垃圾不能再随意扔在太空，必须要用货运飞船运回地球处理。
从天而降的6个失控“大块头”
1.美国“高层大气研究卫星”(UARS)
UARS重6.5吨，长10.7米，宽4.5米，造价7.5亿美元。1991年9月，美国“发现”号航天飞机上的宇航员用机械臂将UARS送入轨道。卫星连续14年向地面发回了宝贵数据。今年9月23日，它失去控制坠落地球，大部分在进入大气层时烧毁，经NASA确认，有26块碎片最终在一处远离大陆的南太平洋地区坠海，未造成人员和财产损失。
2.前苏联“宇宙-954”号卫星
重3.8吨的“宇宙-954”号于1977年9月发射升空，主要功能是监视美国核动力潜艇的去向。
“宇宙-954”号本身也是由核动力驱动，由于其内部的核反应堆出现问题，卫星于1978年1月24日坠入大气层，当时引起了全球的关注。“宇宙-954”号最终坠落在加拿大东北部，其放射性的残骸散布在加拿大的广大区域。
3.美国“哥伦比亚”号航天飞机
2003年2月1日，“哥伦比亚”号航天飞机在即将返回地面前的十几分钟与地面控制中心失去联系，在得克萨斯州东北部的高空中解体后坠毁。当时NASA在得克萨斯州和路易斯安那州划出了一块250多公里长、60多公里宽的禁飞区，以搜索航天飞机的残骸。
4.前苏联“礼炮-7”号空间
1982年4月19日，“礼炮-7”号发射升空，在太空呆了9年。“礼炮-7”号16米长，4.15米宽，重量为22吨。1991年2月7日，22吨的非载人飞船“宇宙-1686”号成功与“礼炮-7”号对接。前苏联工程师试图控制这两个连在一块的人造天体坠入大西洋，但却失败了，它们最终坠落在阿根廷，当地居民目睹了发光的碎片划过天际的景象，所幸无人受伤。
5.美国“飞马座2”号卫星
1965年，NASA发射重11.6吨的“飞马座2”号卫星，目的是观测在地球低轨道运行的众多微小流星。“飞马座2”号辛勤工作了3年后退役，11年后，它的运行轨道越来越低，最后在失控的状态下于1979年11月3日坠入大西洋中部。
6.美国“太空实验室计划”(Skylab)空间站
1973年由NASA发射升空，这是一个85吨重的空间站。1979年7月12日，Skylab提前“寿终正寝”，在南印度洋上空坠入大气层。当时，NASA已经无法控制整个Skylab的下坠。Skylab的残骸遍布澳大利亚西部方圆280英里的地区和海域。
[广州日报]