摘要：國(guó)際空間站20天內(nèi)“挪窩”兩次，只為降低軌道高度躲避太空垃圾；一塊微小的油漆斑點(diǎn)，在太空高速飛行中撞擊衛(wèi)星，可能引爆一場(chǎng)航天大國(guó)間的外交甚至軍事 沖突……為應(yīng)對(duì)太空垃圾帶來(lái)的重重問(wèn)題，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)計(jì)劃今年秋天起開展相關(guān)清除實(shí)驗(yàn)。其核心方案是，利用磁場(chǎng)中有電流經(jīng)過(guò)會(huì)使物體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原理，通過(guò)一條700米長(zhǎng)的電線，給高速飛行的太空垃圾通電，使其減速后墜落于大氣層燃燒殆盡。
太空本是廣袤無(wú)垠的空間，卻由于人類活動(dòng)而日益擁擠。規(guī)避空間碎片幾乎成了各種航天器、衛(wèi)星和國(guó)際空間站的“規(guī)定動(dòng)作”。這些太空垃圾是如何產(chǎn)生的?其嚴(yán)重性是否被擴(kuò)大了？相關(guān)清理技術(shù)真的有效嗎？
一塊“阿司匹林”就能把衛(wèi)星撞殘廢
1965年，美國(guó)宇航員愛(ài)德華遺失的手套，以時(shí)速近2.8萬(wàn)千米的速度在太空飛行。好在，這只殺傷力大的手套，最終在大氣層被燒毀。
2007年，國(guó)際空間站宇航員安德森在太空行走期間，將一個(gè)635千克重的有毒氨水罐拋入太空。16個(gè)月后，這個(gè)電冰箱大小的太空垃圾墜入澳大利亞和新西蘭之間的茫茫大海，沒(méi)有擊中過(guò)往船只。
但在人類航天史上，太空垃圾造成的事故也并不少。1983年，“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)與一塊直徑0.2毫米的涂料碎片相撞，導(dǎo)致舷窗被損，只得提前返回地球。1986年，“阿麗亞娜號(hào)”火箭進(jìn)入軌道后不久便發(fā)生爆炸，形成了564塊10厘米大小的殘骸和2300塊小碎片。這些密集的“彈丸”，后來(lái)直接造成兩顆日本衛(wèi)星失靈。
太空垃圾，又可稱為軌道碎片，特指宇宙空間中除正在工作著的航天器以外的人造物體。它的來(lái)源非常廣泛，如“退休”的衛(wèi)星；報(bào)廢的火箭助推器； 宇航員作業(yè)時(shí)留下的航天服、工具鏟、老虎鉗、相機(jī)、牙刷；航天器漏出的固體、液體，以及航天器碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的碎片，等等。
目前，地球軌道中飄浮著難以計(jì)數(shù)的太空垃圾，其中至少有2萬(wàn)塊大尺寸碎片可在地面進(jìn)行追蹤。最大碎片相當(dāng)于一輛公共汽車，可觀測(cè)到的最小碎片與壘球相當(dāng)。科學(xué)家指出，一塊阿司匹林藥片大小的碎片就能把人造衛(wèi)星撞成殘廢，大于10厘米一個(gè)棒球大小的垃圾則可能直接撞碎航天器。
中國(guó)國(guó)家航天局秘書長(zhǎng)田玉龍介紹，太空中毫米級(jí)以上的空間碎片數(shù)以億計(jì)，總數(shù)量達(dá)幾千噸。同時(shí)，世界各國(guó)發(fā)射了6500多艘航天器，廢棄衛(wèi)星有5000多顆，它們隨時(shí)有可能墜入地球。更嚴(yán)重的是，環(huán)繞地球軌道的碎片數(shù)量，以每年2%~5%的速度遞增。按照這個(gè)速度計(jì)算，如果不加以清理，那么近地軌道在300年后就可能被垃圾填滿。
雷達(dá)筑成“監(jiān)視籬笆”激光脈沖射殺軌道碎片
太空垃圾隱患巨大，各國(guó)、各地區(qū)的科研機(jī)構(gòu)都在積極嘗試破解。
目前，國(guó)際空間站專門加設(shè)防護(hù)層以應(yīng)對(duì)小碎片。歐洲航天局規(guī)定，衛(wèi)星應(yīng)作鈍化處理，即衛(wèi)星被撞后也不會(huì)發(fā)生爆炸，從而避免產(chǎn)生更多的碎片。
美國(guó)曾啟用9個(gè)陸基雷達(dá)陣組成“太空籬笆”，系統(tǒng)監(jiān)視空間碎片。目前，這一系統(tǒng)正升級(jí)到第二代。有報(bào)道稱，它將能追蹤超過(guò)20萬(wàn)個(gè)直徑大于2厘米的太空垃圾。
瑞士航天中心正在研發(fā)一種超快仿生手臂，將其安裝在“清潔空間一號(hào)”衛(wèi)星上，捕捉并回收太空垃圾。這個(gè)機(jī)械手臂的特點(diǎn)是“超快”——能在0.05秒內(nèi)抓住各種不規(guī)則形狀的拋擲物。按照計(jì)劃，“清潔空間一號(hào)”的發(fā)射時(shí)間定在2018年。
日本理化學(xué)研究所的科學(xué)家們則提議為國(guó)際空間站安裝一個(gè)激光系統(tǒng)，用于“射殺”太空垃圾。這個(gè)激光系統(tǒng)可利用空間站上的望遠(yuǎn)鏡，搜尋和鎖定約100千米外的太空垃圾，而后發(fā)射激光。強(qiáng)大的激光脈沖能夠?qū)⑻绽迫氲厍虼髿鈱?，最后迫使其在大氣層中燃燒殆盡。研究小組認(rèn)為，這個(gè)激光系統(tǒng)能夠在5年內(nèi)清除大多數(shù)太空垃圾。
更具環(huán)保意義的嘗試則是“二維宇宙飛船”。這種航天器使用特殊的二維薄膜材料制成，可以包裹住太空垃圾并使其離開軌道。據(jù)美國(guó)宇航局介紹，“二維宇宙飛船”面積大小為1平方米、重量約為35克，發(fā)射成本大為減少。
中國(guó)政府也注重從源頭上減少空間碎片的產(chǎn)生。記者了解到，我國(guó)的航天科研人員已對(duì)在役長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭實(shí)施了末級(jí)鈍化處理，并多次就廢棄衛(wèi)星實(shí)施了離軌處置。
既要發(fā)展技術(shù)手段還需制定太空“交規(guī)”
從現(xiàn)有技術(shù)角度來(lái)看，諸如激光燒、機(jī)械手抓取等清理太空垃圾的設(shè)想，都面臨一些難題。
以“清潔空間一號(hào)”為例，機(jī)械手臂捕捉太空垃圾時(shí)，容易受到陽(yáng)光的干擾。陽(yáng)光反射會(huì)擾亂視覺(jué)處理系統(tǒng)，影響速度和距離的估計(jì)。這就對(duì)任務(wù)操作的精密性提出了極高的要求，研究人員必須考慮各種參數(shù)，如太陽(yáng)的光照角度、立方體衛(wèi)星物理數(shù)據(jù)、移動(dòng)的相對(duì)速度和所有與測(cè)量有關(guān)的不確定性，以及衛(wèi)星自身旋轉(zhuǎn)速度等。同時(shí)，還要努力完善視覺(jué)信號(hào)處理的項(xiàng)目，確保太空操作處理器的高性能。
使用激光粉碎太空垃圾的方法，也有一個(gè)“先天不足”，即無(wú)法處理直徑小于10厘米的太空垃圾。而為了消除這些較小的太空垃圾，科學(xué)家設(shè)想在太空飛船上裝配網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行篩選。但這種太空飛船的動(dòng)力，從何而來(lái)？
清華大學(xué)研究人員有針對(duì)性地提出了一種解決措施：首先，太空飛船使用網(wǎng)狀裝置捕獲太空垃圾，收集的太空垃圾通過(guò)激光進(jìn)行消化處理，或者使用特殊研磨球處理成粉末。之后，將這些粉末狀太空垃圾放置在極端溫度條件下，使其轉(zhuǎn)變成可作為火箭燃料的等離子體。然而，有批判人士認(rèn)為，這一設(shè)想過(guò)于完美、難以實(shí)現(xiàn)。
事實(shí)上，要真正解決太空垃圾難題，不僅要借助于技術(shù)手段，還需要國(guó)際社會(huì)協(xié)同合作，制定統(tǒng)一太空“交規(guī)”。航天專家葉培建認(rèn)為，除了進(jìn)行碎片防護(hù)、防止太空垃圾導(dǎo)致的碰撞，還應(yīng)協(xié)同各國(guó)進(jìn)行軌道位置的合理有效分配。
“隨著空間飛行器的增多，軌道位置的分配問(wèn)題日漸受人關(guān)注。一個(gè)空間的軌道位置，尤其是地球同步衛(wèi)星軌道，其實(shí)非常有限，需要國(guó)際上進(jìn)行合作，按需求和可能予以優(yōu)化。”葉培建呼吁，還有必要考慮用好當(dāng)前看來(lái)“不太好的軌道位置”，做到開源節(jié)流。
在這方面，目前國(guó)際組織初步訂立了幾項(xiàng)原則。具體包括：飛行器壽終正寢后，有能力離軌即離開有用軌道；對(duì)已編號(hào)的全部碎片，要進(jìn)行全程跟蹤，目的是讓航天飛機(jī)、空間站、衛(wèi)星對(duì)較大碎片進(jìn)行避讓；在飛行器設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)考慮如何針對(duì)小碎片碰撞進(jìn)行有效防護(hù)等。
此外，有能力移除空間碎片的國(guó)家，就有可能摘除別國(guó)的航天器，從而威脅太空安全秩序。這在一定程度上制約著太空垃圾的清理。
