今天小編分享的科技經驗：4500噸太空垃圾，有多大的危害？，歡迎閲讀。
最有名的美國先鋒 1 号衞星，已是半個世紀之久的太空垃圾。在地球運行軌道上有一億塊微碎片，相當于一億顆蓄勢待發的隐形子彈
文｜李皙寅
編輯｜施智梁
在《機器人總動員》中，瓦力和伊娃乘坐飛船衝出地球時，必須鑽出一層厚厚的太空垃圾。這樣的景象距離我們不太遙遠。
8 月 24 日，國際空間站俄羅斯艙段 " 星辰 " 号服務艙于莫斯科時間當日 18 時推動了國際空間站變軌，避免了國際空間站與太空垃圾的碰撞。
無獨有偶，本月初，一個具有抓取功能的航天器正打算靠近垃圾，将其扔到大氣層中燒毀時，原本作為目标的太空垃圾被另一塊太空垃圾擊中。垃圾 " 殺死 " 了垃圾，有些黑色幽默。
太空垃圾又稱空間垃圾、空間碎片，是指太空中所有在軌的、廢棄的人造物體。大至衞星解體造成的碎片，也包括火箭末級、棄置衞星等廢棄的航天器；小到飛行器掉落的塗層、飛行器排出的液體固化形成的顆粒、固體火箭發動機未燃燒的固體顆粒等。
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據統計，在地球運行軌道上大約有一億塊微碎片，這些太空垃圾相當于一億顆蓄勢待發的隐形子彈。
當太空垃圾存到了一定數量時，将鎖死人們探索太空的可能。太空垃圾從何而來？危害有多大？如何清理？
太空垃圾主要是碰撞風險，高速運行的太空碎片與衞星碰撞，會導致衞星不同程度損傷，并大概率會導致衞星喪失功能。中國高端衞星制造商微納星空科技有限公司科研質量部部長張又升告訴出行一客（ID：carcaijing），這對衞星所有方是巨大損失，如果同空間站等載人航天器碰撞也會對航天員生命產生巨大威脅，此外，太空垃圾還會對導航系統、通信網絡等基礎設施造成破壞，影響人類的太空探索和利用。
01
太空垃圾從何而來？
自 1957 年 10 月第一顆人造衞星進入天空開始，人造的太空垃圾已經同步產生。
太空垃圾包括報廢、失控的人造衞星，使用過的火箭本身及其零件。還有多級火箭分離時產生的碎片、大塊碎片相互碰撞後產生的小碎片，甚至還有宇航員在太空作業時遺失的手套和工具等物品。
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有公開報道稱，仍有超過 4500 噸重的垃圾留在繞地軌道上。其中最有名的是已報廢的美國先鋒 1 号衞星，該衞星于 1958 年發射，現已成為在太空中停留時間最長的垃圾。
理論上，衞星達到使用壽命後，會通過變軌通過大氣燃燒來自毀。不過仍存在衞星失控及高軌道衞星因動能較大，難以如期減速墜毀的情況。
其間，還有一些意料之外的情況。比如，美國在 20 世紀 60 年代，執行過西福特計劃，将 4 億 3000 萬根微小的銅針，散布在軌道上，作為天線，從而幫助提高與駐外海軍的通訊能力。
當時，美國相關當局公開表示，這些全長 1.78 厘米、直徑約 20 微米的銅針會在 3 年内陸續離開軌道。事實上，仍有相當數量的銅針殘留在軌道上。
宇航員儲藏作業時，不小心遺失的物品，也一直在太空中遊蕩，其中有扳手、鉗子、整套工具包，也有手套、牙刷，還有至少兩部攝影機，他們大概率一直漂浮在太空中。
20 世紀 60 至 70 年代，美蘇在星球大戰時，雙方的反衞星武器實驗也制造了大量的太空垃圾。
1985 年，美國國會意識到了反衞星試驗的潛在風險，準備頒布禁令。聽到風聲的美軍，抓緊重啓了反衞星武器實驗，特地趕在禁令前擊毀了一顆在近地軌道上的退役太陽觀測衞星。據稱，最後一塊碎片，直至 2004 年才墜入大氣層燒毀。
令人遺憾的是，類似的事件仍有發生。俄羅斯在 2021 年 11 月也用一枚導彈，摧毀了一顆廢棄軍事偵察衞星。這產生了上千顆可追蹤的碎片，并可能會產生數十萬塊較小的碎片。
首次有記載的衞星發生相撞發生在 1991 年。退役的俄羅斯導航衞星 Cosmos 1934 被其姊妹衞星 Cosmos 926 的一塊碎片撞成兩半——這屬于碰撞事件中的 " 安靜 " 版本了。更激烈的一次發生在 2009 年，美國通信衞星銥星 33（Iridium 33）與退役的俄羅斯衞星 Cosmos 2251 相撞，一年之内識别出來的碎片數就多達 1740 ——這是人造衞星間首次超高速碰撞，碰撞速度達到 11.7 千米 / 秒。
在此次衞星相撞之後，太空垃圾數量也迎來一次 " 高峰 "。緊接着，由聯合國外空委通過的《空間碎片減緩指南》強調了幾點履行原則：入軌的航天器在任務完成之後不能在 LEO（近地軌道）長期停留，離軌墜落大氣層時也得避免傷到人；以及如果航天器在 GEO（地球同步軌道）附近，防止未來爆炸產生影響的方式是在退役之後把它推入更高的 " 墓地軌道（Graveyard Orbit）"。
02
不易發現的高速冷槍
太空垃圾的運動速度極快，一個小小的碎片都恰如一顆顆冷不丁射出的子彈，威脅着太空中設備安全和宇航員的生命。
太空垃圾一般在高度 300-450 公裏的近地軌道上以每秒 7-8 公裏高速運動，在 36000 公裏高度的地球靜止軌道上以每秒 3 公裏的速度運動。
根據軌道傾角碰撞時的相對速度可以達到每秒 10 公裏以上，因此具有巨大的破壞力。
據計算，一塊直徑為 10 厘米的太空垃圾就可以将航天器完全摧毀，數毫米大小的太空垃圾就有可能使它們無法繼續工作。
更可怕的是大量尺寸極小、難以被觀測到的太空垃圾碎片。有資料稱，已經被記錄在案的直徑大于 10cm 的太空垃圾有 27000 個；預估 1 — 10cm 之間的垃圾數量約為 50 萬個；1mm — 1cm 超過 1 億。10cm 是一個分界值，大于此的太空垃圾，做匯合和碰撞評估才是有效的。
無法被追蹤的 " 小垃圾 " 有更大的潛在風險。六十年代，科學家們發明了 " 輕氣槍 "（Light-Gas Gun）——一種模拟軌道速度的裝置。當一個重量只有 7 克，由聚碳酸酯制成的抛射物，以 7 公裏 / 秒與鋁塊相撞時，立即 " 炸 " 出一個比自身尺寸寬五倍、深五倍的坑。
因為那些根本躲不開的太空垃圾，國際空間站套上了一層惠普爾防護罩（Whipple Shield）——天文學家 Fred Lawrence Whipple 在 20 世紀 40 年代發明了這種航天器超高速撞擊防護結構。
太空垃圾不僅是躲在角落裏開冷槍的潛在殺手，更有可能阻礙地球人飛往太空的計劃。
1978 年，美國 NASA 科學家唐納德 · 凱斯勒（Donald Kessler）提出，太空中垃圾太多，相互間會發生碰撞，形成更多的碎片，這些碎片之間再次碰撞，引發一系列的次級碰撞，如同原子裂變反應，產生指數級增長的碎片。于是碎片撞擊的概率越來越大，時間越來越短，如此惡性循環，直至将所有航天器損毀。
根據凱斯勒的假説，随着地球低軌道衞星數量的不斷增多，總會在某一刻時刻達到某一個阈值，讓級聯效應的發生成為必然。
03
太空垃圾如何處理？
綜合來看，人類對付天空垃圾主要靠三招。
俗話説，惹不起躲得起。2015 年，國家航天局空間碎片監測與應用中心就在紫金山天文台挂牌成立，依托全國多地的觀測站以及目前已具備的數據庫，對近 20000 塊在太空中散落的空間碎片進行跟蹤。借助雷達和望遠鏡來觀測，預判遭遇軌迹，提前采取措施應對碰撞。
此外，美國全球空間監視網（SSN）、俄羅斯空間監視系統（SSS）、日本美星太空護衞中心（BSGC）等都在實時監測太空中的垃圾。
根本辦法在于從源頭減量，想辦法讓航天器離軌并重返大氣層銷毀。
具體辦法有兩種，其一是指在航天器生命末期，利用自帶的動力裝置，降低飛行速度脱離軌道，逐漸墜入大氣層。其二是借助薄膜帆、充氣球等外部力量降低飛行軌道。
除了被動等待，也可主動出擊。
2016 年 6 月 25 日，中國将 " 遨龍一号 " 空間碎片主動清理飛行器送入太空，其裝載了一台機械臂，模拟抓取廢棄衞星和太空垃圾，并将它們帶到大氣層銷毀。
遨龍一号 來源：網絡
對此頗有争議，保守派人士認為，如果為了清理垃圾而發衞星，結果可能造成更多額外的垃圾。
對于發射衞星有可能造成的太空垃圾問題，中國已經制定了相關規定。2021 年 5 月 7 日，國防科工局發布《關于促進微小衞星有序發展和加強安全管理的通知》，其中第七、八條明确規定微小衞星應具備一定避碰軌控能力，應具備必要能力以利于實施離軌。
目前衞星設計強制具備主動離軌功能。張又聲介紹，在衞星壽命末期，通過離軌裝置主要包括離軌帆、推進系統等進行主動降軌，到達一定高度後經過一段時間可完成隕落燒毀。
同時，衞星要具備在軌主動避讓的能力，如果風險較大，需要衞星結合自身軌控能力采取避讓措施。這種能力要求會越來越高，也是行業發展重要技術方向，從而保證衞星在軌秩序。
