地球軌道上的太空垃圾碎片從何掃起

地球軌道上的太空垃圾碎片 圖片來源：ESA

7月2日，CryoSat-2衛星正像往常一樣，在地球表面上空700多公里處的軌道上運行，監測著地球上的冰層。但這一天，歐洲空間局（ESA）的工作人員們發現，一塊太空碎片正不受控制地飛向這顆價值1.4億歐元（1.62億美元）的衛星。

工程師們通過追蹤這兩個物體的運動路徑，發現它們碰撞的可能性越來越大。于是，為防止碰撞的發生，7月9日，ESA啟動了CryoSat-2上的推進器，將其送入更高的軌道。就在啟動推進器的50分鐘后，那塊太空碎片以4.1km/s的速度飛馳而過。

近地軌道上存在大量的廢舊衛星、火箭碎片和碰撞碎片，如何降低這20000多個物體對太空交通帶來的威脅，是困擾研究人員的一個難題。

2017年，全球共發射了400多顆衛星，是2000~2010年年均水平的4倍多。未來幾年，如果波音、OneWeb等公司繼續向太空部署數百至數千顆通信衛星，那么這些擬發射的“巨型衛星”還會繼續增多，勢必會給太空交通帶來災難。

太空垃圾變軌需要額外耗能

南京航空航天大學航天學院教授聞新告訴《中國科學報》記者，按國際要求，一般情況下，航天器在壽命結束后，需要進行變軌進入南太平洋的“太空垃圾場”，而火箭殘骸或其他較大的衛星碎片，會因技術無法規避而形成太空垃圾。

自2000年以來，諸如太空垃圾協調委員會等國際組織制定了實現空間可持續性的準則。其中包括在衛星使用壽命結束后，通過排放剩余的燃料或其他可能導致爆炸的壓力使衛星失活。有的組織機構還建議將衛星降到足夠深的大氣層中，使它們燃燒或解體。

以火箭碎片為例，中國空間技術研究院總體設計部研究員尤睿認為，由于改變火箭的運動軌道需要消耗燃料，火箭可以犧牲運載效率為基礎，攜帶一定的動力學燃料，在結束任務后自動離軌。

“但是到目前為止，只有約一半的太空任務遵守了這個指導方針。”ESA太空垃圾辦公室主任Holger Krag說，“畢竟它們可能不會花錢從太空中移除所發射的衛星。”因為每一次衛星的移動都會消耗時間和燃料。

隨著軌道上運行物體數量的快速增長，這些潛在的碰撞風險越來越高，人們正試圖研究解決這個問題的新方法。

指揮交通避免事故

從理論上講，衛星操縱者可以讓這些衛星在一定的空間內安全飛行，而不會接近其他物體。因此，一些科學家正試圖明確這些垃圾的位置，通過避免可能的碰撞解決太空垃圾的問題。“如果你知道它們在哪里，那么你幾乎永遠不會有碰撞的危險。”美國某航空航天公司太空垃圾專家Marlon Sorge說。

這類似于道路或空中的交通管理，因此，這個領域可以稱為太空交通管理。得克薩斯大學天體動力學家Moriba Jah說：“就像在機場，飛機像一串珍珠一樣在天空中排成一排，以精心規劃的路線安全降落、起飛。這是因為空中交通管理員能夠精確掌握飛機的位置，精確到1米。”

而對于太空垃圾來說，情況就不同了。因為并非所有的在軌物體都是已知的，甚至那些在數據庫中的物體也是在以不同的精度追蹤。最重要的是，目前沒有可以準確列出所有已知太空垃圾的目錄。

“這是因為目前地面的望遠鏡或雷達僅可以觀測到10cm以上大小的太空垃圾。”聞新說。據聞新介紹，美國宇航局將觀測到的10cm以上的太空垃圾整理在數據庫中，信息對世界公開共享。1cm以下的太空垃圾造成的危害不大，僅有磨損危險，但是，1~10cm中等大小的太空垃圾的危害卻非常大，存在擊碎航天器的危險。然而目前卻無法觀測到這些中等大小太空垃圾的信息。

“因此，如果10cm以上的太空垃圾接近運行軌道時，我們可以提前收到預警信息，‘惹’不起還‘躲’不起嗎？我們可以自己主動變軌，躲避碰撞。”北京大學地球與空間科學學院教授焦維新說。

清除垃圾 實驗為本

當收到碎片撞擊的警報，為評估即將發生碰撞的風險，人們需要知道所要撞擊的物體是什么。

普渡大學天體動力學研究員Carolin Frueh團隊與美國空軍合作，正在嘗試開發可快速破譯軌道物體細節的方法。例如，通過研究物體如何反射光，可以推斷出物體是搖晃的還是穩定的。

一旦研究人員知道軌道物體是由什么組成的，他們就有許多方法減少它的威脅。一些帶有科幻色彩的提議包括，使用磁鐵掃除太空垃圾，或者通過發射激光消滅/轉移軌道上的碎片。據了解，未來幾周，英國薩里大學的研究人員將用“網”誘捕一顆測試衛星，被束縛住的衛星將被拖拽出運行軌道，在地球大氣中燒毀。

但是，考慮到軌道上有大量的碎片，長遠來看，這種清理太空垃圾的方法并不太實用。有科學家認為，從根源上說，發射方要最終負責，才是一種良性的解決辦法。

比如，亞利桑那大學天體動力學家Aaron Rosengren正在研究新的方法，試圖利用太陽和月球的引力，也就是所謂的共振原理，使廢舊衛星進入某個軌道，最后加以摧毀。

7月，在加州帕薩迪納舉行的一次太空會議上，Rosengren報告了20世紀60年代以來，美國軌道地球物理觀測衛星的情況。科學家發現，將發射日期或時間改變哪怕是15分鐘，也可能導致衛星在軌道上停留的時間大有不同。這些信息可以用來幫助計算衛星離開發射臺的最佳時間。

尤睿對此表示質疑，他認為，衛星、火箭的發射時間以及進入運轉軌道的時間受很多因素影響（如復雜的環境因素），是通過精密的設計規劃得出，不能輕易改變時間。

尤睿說：“激光消除碎片、‘網’誘捕衛星、太陽能改變衛星軌道等這些清除太空垃圾的臆想有很多，但是最終結果還是要以實驗為基礎，扛得住嚴謹的計算驗證，才可站住腳。”