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太空垃圾的起源、现状和未来

已有 7134 次阅读 2011-12-16 10:19 |个人分类:航天|系统分类:海外观察| 航天, 太空垃圾

作者:蒋迅


环绕地球的太空垃圾

2011年9月底美国的具有公共汽车大的“高层大气研究卫星”(UARS) 刚刚坠落,10月下旬,德国一座重约3吨的太空望远镜“伦琴伦琴卫星”失去控制又冲向地球11月9日发射并“卡”在地球轨道的俄罗斯星际站“火卫─·土壤”将在2012年1月9日进入大气层并坠落地球一时间,太空垃圾弄得人心慌张,好像哪一天就会砸在自己的头上。近地轨道区域的太空垃圾合成图片显示,地球已经被像是被蜂群围得密不透风的蜂巢。那张图上的太空垃圾是从 1957年10月4日到2008年1月1日期间,世界各国发射的大约4600枚火箭所携带的6000颗卫星产生的。美国战略司令部下属的空间监视网2006年监测到9949个 (直径大於10厘米的) 轨道碎片,2011年,这一数字已上升到16094个。太空科学家们惊呼:太空垃圾数量已达临界点。那么空间垃圾是怎么突然呈现出如此严峻的局面的?是不是人类发射的卫星太多了呢?

首先,低轨道太空中漂浮的物体并不都是人类的产物。所以在分类上首先有天然物体和人造物体之分。在天然物体中有慧星、近地小行星、宇宙尘埃等。事实上,真正可能给人类带来灾难性后果的是近地小行星可能对地球的冲撞。


低轨太空飞行物分类 (Source: Australian Space Academy)

当讨论太空垃圾的时候,人们不能只是把眼睛盯在那些在太空中漂浮的废弃了的人造物,而应该把眼睛盯在全部人造物上。上面的图是这些物品的一个分类。图片把人造太空器和太空垃圾分为两类。人造太空器里又包括正在正常运行的人造卫星和已经报废到仍然 在轨道上的人造卫星。而太空垃圾则主要分为四类:第一类是卫星任务本身带来的垃圾,第二类是火箭残骸,第三类是报废的卫星,第四类是各种碎片。显然,如果 我们想知道造成今天太空垃圾数量已达临界点的状况的原因,就必须知道太空垃圾的主要来源是什么。


太空垃圾的分类 (Source: Australian Space Academy)

下面的图显示了自从苏联发射第一颗人造卫星以来人类行为带来的太空飞行物的数量。它的好处是 按照飞行物的属性分别显示,因而我们可以知道到底是什么原因太空飞行物数量突然失控。最低的绿色曲线是火箭数量。这个数量一直是低速平稳增长的,而且在近 些年来,增长速度又下降的趋势。其次是代表卫星任务本身带来的垃圾,这条曲线几乎与绿色曲线重合,表明这类垃圾也得到了有效的控制。第三条蓝色的曲线是人造卫星的数量。这条曲线几乎是一条上升的直线,说明这个数量的增长既没有增加也没有减少。第四条紫色曲线,也就是复杂的一条代表着卫星碎裂碎片的数量。这条曲线增长速度最快,也就代表着造成太空垃圾数量已达临界点的真正原因。那条粗的曲线是这四条曲线的总和,它清晰地显示了目前太空中人造飞行物数量已经达到的危险程度。


太空飞行物数量 (Source: Australian Space Academy)

仔细观察第四条曲线,我们会发现,它在2007年初、2008年初和2009年初有过三次跳跃。这代表着太空三次碎片大量产生的事件。2009年俄美卫星相撞。关于这次事件有各种不同的分析和猜测。但由於是卫星相撞,还是造成了大量的碎片。2008年2月美军导弹成功击中失控间谍卫星。由於这次事件是美国主动行为,而且美国是在卫星到达很低的轨道时才发射导弹打的,所以相对碎片比较少,我们可以看到紫色曲线的跳跃也比较小。曲线跳跃最大的一次是2007年1月。那一次就是中国造成的了。中国为了试验反卫星,把自己的一颗报废的卫星打中了。不幸的是,这颗卫星的轨道很高,所以碎片将会在太空中漂浮很久。专家估计要漂浮一百年以上。航天科普作家赵洋写了一篇文章“垃圾充塞太空”,很详细。但他显然刻意回避了中国的那次行动。关于这次事件,官方从来没有正面承认过,但显然已经意识到了自己的莽撞之举。一方面政府取消了原计划那年四月在北京举行的11国空间碎片协调委员会会议,另一方面也开始采取一系列措施以减少太空中中国的火箭和卫星留下的太空垃圾

再来看下面右边的这张“低轨太空飞行物分属国家图”:俄国的太空飞行物占25.5%,美国的占27.5%,中国的占42%。如果有人惊讶中国的太空飞行物怎么会这么多,那其实很显然是自己打卫星后碎片的数量 (见2007年反卫星导弹试验截止到2011年5月的跟从数据 )。


低轨太空飞行物分属国家 (Source: Australian Space Academy)

低轨太空飞行物 (主要是太空垃圾) 中,中国占了42%,美国占了27.9%,俄国占了25.5%。中国的比例如此之高,也是由於同一个原因。

当然太空垃圾是否已经达到了最危险的时候并不是某个人物根据一张图表得出的论断。科学家们是有一个明确的计算公式的。有兴趣的读者可以参阅连线的文章:“Equation: How the FAA Estimates Space-Junk Risks”。

现在的问题是,太空垃圾数量已经达到了临界点,而各国对清扫太空垃圾有没有什么好办法。唯一快捷有效的办法就是跟踪和躲避。只要知道那些碎片在那里,而且卫星的燃料还有的话,我们总是能躲开它们的。但谁都知道这不是一件容易的事情。好消息是:美国建立了一个强大的太空碎片监测站网络 (The US Space Surveillance Network)。坏消息是:即使是这个监测站也不可能检测到所有的碎片。现在的技术只能检测到10厘米以上的太空碎片。而及其微小的碎片也可能对航天器 造成致命的伤害。下面的图显示了目前世界上的太空碎片检测网站分布。俄国也有自己的监测网,但不是那么有名气。欧洲的监测网就更有限了。


太空飞行物监测站 (Source: Australian Space Academy)

据外电报导,中国在巴基斯坦、智利、肯尼亚、纳米比亚各有一个检测站。现在在澳大利亚又新建立了一个检测站。这些检测站为神州飞船和嫦娥奔月做出了重大贡献。但这些监测站似乎都不是用於太空碎片的。从这张图看,中国可能还没有一个用于检测太空碎片的检测站。据新华社的报导,中国自2000年起启动了“空间碎片行动计划”,目前国内已确定了以数据库为载体的“空间碎片探测预警工程”、以防护设计专家系统为载体的“空间碎片防护工程”和以空间碎片减缓设计标准为载体的“空间环境保护工程”的三大主题工程。但空间碎片“监测系统待建”。

不过,跟踪躲避显然不是一个终极主动的办法。人类必须开发出一套经济有效的清扫垃圾办法。笔者在另一篇博文“空间垃圾的形成、危险和清除”中做过讨论,这里不再赘述。

笔者认为,中国在地球轨道上已经取得了举世瞩目的成就,在月球探索和星际探险方面也迈出了坚实的步伐。与此同时,中国也应该为检测和清理太空垃圾方面做出更大的贡献。第一,这样做对中国自己是必要的。中国不能依赖别国来避免太空垃圾对自己的卫星的危害。第二,这样做可以用世纪行动表明中国是一个负责任的航天大国。第三,也许这将是中国和美国在航天方面取得合作的突破口,因为,监视管理现在存在的太空垃圾、清扫太空垃圾、协调如何避免太空垃圾的产生是需要航天大国一起行动。美国人除了有一个庞大的检测系统外,在这个方面没有优势。第四,中国应该加强对发射失败的机率的分析以及失败可能造成影响的分析并与有关地区和人员分享,特别当影响涉及到其他国家和地区。



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