太空垃圾：谁来制止这“行走的炮弹”

科普中国-科普融合创作 2016-11-04

　　出品:科普中国

　　制作:翱翔者联盟

　　监制:中国科学院计算机网络信息中心

　　“行走的炮弹”

　　根据美国航空航天局ODPO统计，截止到2016年10月4日，地球近地轨道范围内共有被监测的人造天体17817个，而最近的三个月就增长了88个，碎片增长的速度也越来越快，这导致地球看上去就像被垃圾场包围了一样。

　　如果你在电影院看过3D版的《地心引力》，你也许可以体会那些四处乱飞的碎片垃圾有多么危险。空间碎片绝大多数分布在距地面2000km，这是人类使用最频繁的低地球轨道（LEO），其运行速度为7.8公里每秒，而它们与航天器如果发生超高速撞击，其相对撞击速度在0到15公里每秒，平均撞击速度为10公里每秒，要知道地面上炮弹的速度最高也不到2公里每秒，所以这也对航天器安全和航天员生命也构成了巨大的潜在威胁。

　　举一个例子，直径1cm的铝球以10公里每秒的速度撞击所产生的能量与地面上速度为120公里每秒的小汽车撞击相当。一块微小的油漆斑点，在太空高速环境下撞击卫星，就可能引爆一场航天大国间的外交甚至军事冲突。10厘米的碎片碰撞将彻底摧毁一颗航天器。

　　实际上，因为太空碎片的碰撞导致破坏的例子也不胜枚举，在1983年，“挑战者号”航天飞机与一块直径0.2毫米的涂料碎片相撞，导致舷窗被损，只得提前返航。而在1986年，“阿丽亚娜号”火箭进入轨道后发生爆炸，形成564块残骸和2300块小碎片，而这些密集的“弹丸”直接导致了两颗日本卫星失灵，其后续也造成了其它不小的破坏，而这些也仅仅在太空中，如果大型残骸由于速度降低而进入大气层，一旦落到人口稠密区，那将是一场灾难，那时，估计也只有复仇者联盟的英雄们可以解救我们了。

　　空间清理技术

　　在很长的一段时间内，面对空间碎片对在轨航天器的威胁，各国更多的是采用被动措施防护、规避空间碎片或者通过减缓措施预防新空间碎片的产生。其中，对于微小空间碎片主要是通过增强防护措施来增强其防护能力，对于较大的碎片主要采取碰撞预警进而对航天器实施机动规避。然而，随着碎片的持续增加，越来越多的问题暴露出来，开展空间碎片清除技术也势在必行。

　　科学家们恨不得上帝可以造出一辆太空垃圾清理车，一并把那些可恨的垃圾给清理走，然后驶向黑洞，永久地消失……...

　　然而，上帝好像并没有听到科学家们的愿望。各国科学家也只能脑洞大开着手去解决这个难题了。目前，已经提出的空间碎片主动移除技术主要有推移离轨清除技术、增阻离轨清除技术、捕获离轨清除技术、服务后重用清除技术以及自主离轨清除技术。

　　推移离轨是一类重要的空间碎片清除方式，其利用激光、离子束、太阳辐射等能量束对空间碎片产生特定的作用力，使其离开原有的运行轨道，从而达到清除的目的，目前典型的推移离轨就有激光推移、离子束推移和太阳帆推移。激光清除空间碎片的模式主要有直接烧蚀模式和烧蚀反喷模式。前一种主要针对微小空间碎片，利用强大的连续波激光照射碎片，使其温度升高至碎片的熔点甚至沸点，融化或者气化。而后一种烧蚀反喷模式主要是针对较大的空间碎片，利用高能脉冲激光束照射碎片表面，产生类似于火箭推进的“热物质射流”，使碎片产生一定的速度增量，进入大气层烧蚀，从而达到清除的目的。而其余的推移离轨清除技术与此原理类似，只不过发射的粒子不同，例如太阳帆推离离轨则是利用太阳光压，推移碎片或者残骸进入坟墓轨道。

　　随着推移离轨技术的深入探讨，科学家发现增阻离轨清除技术也是一种非常不错的选择：通过碎片的飞行阻力，降低碎片的速度，进而缩短碎片的轨道寿命，使其在规定的时间内离轨进入大气层。而各国也准备利用此种方法来对空间碎片进行清理。日本宇宙航空研究开发机构就计划以此方案开展清除实验，其想法是利用磁场中电流生力的原理，通过一根长700米的电线给碎片通电，对碎片产生作用力，其速度减小后自动进入大气层销毁。

　　但是利用大气层对碎片进行销毁同时存在一定的风险。在清除系统方案选择上，当前各国一致倾向于“捕获+离轨”式清除方案，其工作过程是：碎片清除器首先依靠跟踪定位系统逐渐逼近失去姿控能力的目标碎片（非合作目标）并进行捕获，依靠轨道转移（离轨）系统将目标拖入大气层烧毁，或降低其轨道，待其日后自行衰减，而各国也在尝试去开发并且试验此种项目。美国在MXER项目中就想利用在轨道上的主航天器，通过系绳对目标载荷进行捕获，然后进行旋转投放载荷至较高轨道，并且在投放分离时完成系统的动量交换，节省能量的损失。欧洲的ROGER项目中研究员想利用飞网或者飞爪对空间碎片进行捕获后进行离轨操作来清理垃圾。

　　然而，关于空间碎片清除的迫切性到底有多大，尚缺乏统一的认识，各国对空间碎片环境“先污染后治理”还是“可持续发展”的态度并没有达成一致。但值得庆幸的是，世界各国已经对此领域进行关注，并且空间碎片的减缓措施已经广泛被世界各国采用。各种空间碎片清理的工作和项目也逐渐的被提上日程，我们也真的希望在利用宇宙资源的同时，地球处于在相对洁净平和的环境下。