我們發射出去的8400噸太空垃圾，該怎么“掃”？

▲ 1969年7月16日，土星五號火箭運載著阿波羅11號的升空剎時，每一次太空勾當，城市在太空中留下些垃圾。圖/NASA

中國第一個進入太空的航天員楊利偉曾經回憶說，他在太空里聽到了很多“咚、咚、咚”的響聲，但他不知道這是為什么。

這種聲音來自何處？甚至有傳說風聞說這是外星人在敲擊飛船......靠譜的詮釋是，這是由艙內溫度轉變導致的氣體熱脹冷縮，擠得艙體變形時的聲響。

其實，這還有可能是太空垃圾撞擊飛船時發出的聲音。我們頭頂上上億塊的、總量量跨越8400噸的太空垃圾，從人類踏入太空的那一刻起，就從未被清理過。

▲太空垃圾摧毀衛星模擬。圖/ESA

01.發射出去的，不只有衛星和飛船

想象一下，若是汗青上所有的報廢船只都還漂浮在海面上，在大洋中航行將會是何等危險。現在，我們頭頂的太空就面對著同樣的困境。每次我們飛標的目的太空，都可能對下一次的觀光發生威脅：火箭殘留的碎片，燒毀的衛星、甚至是空間站上失慎失落落在艙外的物品，都充溢在太空里，它們被形象地稱為——太空垃圾。

▲阿波羅6號使命時代火箭脫落的剎時。圖/NASA

據歐航局統計，在我們頭頂上，有34000塊比蘋果（直徑10厘米）還大的垃圾，以及90萬塊介于豌豆（直徑1厘米）和蘋果之間巨細的垃圾，別的，至少還有1.28億更小的以至于無法探測到的垃圾，總重量跨越8400噸。

▲ 地球四周的太空垃圾模擬圖。圖/ESA

報廢的人造衛星，是太空垃圾中的大個子。直到2019年年頭，人們已經當作功將約8950顆衛星奉上了太空，現在，已經報廢但依然漂浮在太空中的衛星，總數跨越了3000顆。火箭的第一級，一般城市天然地落入大氣層銷毀，而火箭的其它部門，就當作為了太空垃圾的主要來歷。早期火箭的二、三級，不具備反推進收受接管功能，所以在發射當作功后就被留在了太空里。好比發射阿波羅12號的土星5號的第三級（已經主要到被定名為J002E3號天體），要再過幾十年才能慢慢落回地球。在某些環境下，火箭在太空中會失落落零件或涂料碎片，甚至是發生引擎爆炸，從而形當作更多的小塊垃圾。

▲ 輸送阿波羅17號的土星五號火箭第三級，與輸送阿波羅12號的火箭第三級同條目。圖/NASA

人類在太空站出艙行走時，有時會不小心丟下一些工具。“愛德華·懷特丟掉的手套，邁克爾·科林斯丟失落的一個扳手和一支牙刷，蘇尼特·威廉斯失落落的開麥拉......”這些都是被確實記實在案的遺掉物品。

▲ 1998年拍攝到的一條在軌道中飛翔的太空站的毯子。圖/NASA

太空中的撞擊或爆炸，將會極大水平地增添太空垃圾的數目。2009年，美國的通信衛星銥-33與俄羅斯的報廢衛星宇宙2251以4.2萬千米的相對時速發生了碰撞，兩顆衛星隨即從兩塊垃圾，變為了兩團由碎片構成的“垃圾云”。別的，良多國度都曾開展過反衛星嘗試，固然有證據表白，衛星被導彈炸毀后，大部門的碎片城市很快墜落回地球，但究竟結果仍是有小部門留在了太空之中。

02.“炮彈”呼嘯而過

我們一向有一種錯覺，那就是太空是如斯之大，不管我們“扔”幾多工具上去，和它的廣袤比擬，都何足道哉。然而，地球四周的空間，遠非我們想象的那樣“豐裕”。因為，我們發射上去的工具，只集中在幾個特定的區域。人類近2/3的衛星，以及我們熟悉的國際空間站，都在一個叫做低地軌道的空間規模內運行。低地軌道，一般指的是距離地面2000千米以內的空間，好比，國際空間站的飛翔高度就在390千米擺布。

▲ 低地軌道固然只占到了地球軌道的一小部門（藍色），但它的操縱率遠高于其它軌道。我們熟知的GPS系統位于距離地面20200千米的中軌道上（綠色），在這里，可以用更少的衛星籠蓋全球。別的，電視通信衛星大都集中在高度為35786千米的地球靜止軌道上（紅色），與地面上的一個點連結相對靜止。圖/Rrakanishu，CC BY-SA 4.0

低地軌道有良多益處。因為離地面近，不雅測衛星就看得更清晰，通信衛星的延遲也更短。更為主要的是，離地面越近，發射當作本就越低：人類最壯大的火箭土星五號，若是是發射到低地軌道，可以或許載重119噸，但若是是發射到月球軌道，就只能裝45噸了，花同樣的錢，干更多的事兒，這個賬，誰城市算。

▲美國的一枚極高頻通信衛星。圖/USAF

低地軌道的優勢較著，但在這個區域運行，也會有良多麻煩。離地球近，意味著地球引力還能闡揚很強的感化，所以在這里飛翔的物體，需要連結高速才能維持軌道。低地軌道上的衛星因為速度太快，在某一片區域上空籠蓋的時候只能有短短幾十分鐘，為了保障不間斷的通信辦事，人們必需打造由多顆衛星組建的收集，這就加倍加劇了低地軌道的擁擠水平。Space X公司前幾年提出的星鏈打算，一啟齒就要在低地軌道上擺設多達1584顆衛星，數目之大甚至激發了人們對于“衛星密度太大，會影響天文不雅測”的擔憂。

▲ 2014年7月14日發射的Space X獵鷹9號火箭。圖/Wikipedia

如斯密集的太空勾當，讓低地軌道，當作為了太空垃圾的重災區。這些太空垃圾同軌道上的衛星一樣，都在高速飛翔，這讓它們擁有了驚人的粉碎力。當13毫米直徑的鋁制彈丸，以每秒7千米的速度（與太空垃圾的速度近似）撞擊13厘米厚的鋁板時，會留下7、8厘米深的彈坑。數以億計的太空垃圾，在以最高3萬千米的時速縱橫交織環抱著地球，這些“炮彈”和“槍彈”，可以等閑地摧毀我們價值數萬億美元的衛星系統。

▲ 美國國度航空航天局艾姆斯研究中間的超高速彈道靶場，以每小時17000英里的速度發射的彈丸撞擊固體概況時發生的“能量閃光”。這個試驗是用來模擬軌道碎片撞擊軌道上的航天器時所發生的環境。圖/NASA

國際空間站前站長克里斯·哈菲爾德已經將太空垃圾的撞擊視為屢見不鮮：“若是您在空間站墻邊靜靜地坐著，過一會兒就能聽到有工具像是撞擊了飛船，固然大部門環境是航天器外殼因為熱脹冷縮而發出的聲音，但也有的是小物體在撞擊鋁制薄殼。”太空垃圾最恐怖的處所還不是垃圾自己，而是它們可能激發的鏈式反映：當太空垃圾與其它物體相撞后，會發生更多的碎片，這將導致相撞事務的發生幾率呈指數級增加。

▲ 歐洲航天局建造的衛星被太空垃圾碎片摧毀的動圖。圖/ESA

歐洲航天局的太空垃圾專家本杰明·巴斯提達對于太空垃圾可能發生的鏈式反映布滿了擔憂：“即使我們此刻不再標的目的太空發射任何工具，在200年內，大塊垃圾會破裂當作為小塊垃圾，從而讓太空無法利用。”

03.清掃收受接管？沒那么輕易！

本月初，歐洲航天局頒布發表，他們委托了一家名為Clearspace的公司，打算在2025年時開展人類第一個太空垃圾清理使命。Clearspace是由一群經驗豐碩的太空垃圾專家構成的瑞士草創公司，它的當作登時點在瑞士的洛桑理工學院。即將在2025年發射的清理衛星Clearspace-1，既不像一臺吸塵器，也不是一輛太空垃圾車，它的造型是一只蜘蛛，因為它的獨一方針，是一塊重量達到100千克的電子設備。

▲ Clearspace-1模擬圖。圖/ESA

NASA和歐航局的研究表白，要阻止太空垃圾發生鏈式反映、不變軌道情況的獨一本家兒動方式，是斷根大碎片。所以，人類太空垃圾清理的第一步，就選擇了這塊100千克重的大師伙。這塊電子設備，來歷于2013年歐洲發射的織女星火箭（Vaga），它是火箭二級推進器上利用的載荷適配器。這枚適配器外形簡單、布局堅忍，很是適合作為第一次太空垃圾收受接管的試驗品。說白了，就是不僅好抓，也不輕易被撞得稀碎。

▲ 織女星火箭，載荷適配器位于頂部衛星的下方，據ESA介紹，織女星火箭會完全墜回大氣層，并燃燒殆盡，所以這枚適配器留在天上的原因，或許是一次掉誤。圖/ESA_Event，CC BY-SA 2.0

為了完當作這項使命，Clearspace-1衛星會慢慢接近這塊垃圾，然后抓住它，再開啟返回推進器，與它一路墜回地球，整個過程堪稱一次“滅亡擁抱”。除了“滅亡擁抱”的方式外，科學家們為清理太空垃圾，還開過不少腦洞。他們曾經設想設計出一個帶有捕獲網的清理衛星，將軌道中的大碎片都“撈”回地球，對于那些因為太大而無法“撈”住的物體，則從衛星上發射一枚魚叉叉住，然后再打開下降傘返回地球。可是，在太空中與這些高速飛翔的垃圾接觸，十分考驗手藝，若是操作掉敗發生碰撞，很可能會制造更多的垃圾。

▲ 用網清理太空垃圾的模擬圖。圖/Real Engineering GSUI5051

為了做到不接觸，也能清理垃圾，有的科學家還有提出了一些加倍瘋狂的設法，好比在軌道上放上一塊巨型磁鐵，把飛過來的太空垃圾都......擠下去或擠得更遠......高能量的激光長短接觸型垃圾“清掃”中一種可行性很高的選擇：激光足以使垃圾概況的材料融化，發生的推力可以使它的速度變慢，或加速軌道降低的速度。可是這種激光因為不僅能打垃圾，還能打此外國度的衛星，所以當一個國度研發這種手藝的時辰，其它的航天堂家城市感受芒刺在背。或許，此次Clearspace-1的使命經驗，能為我們帶來更多的“清掃”靈感。

04.硬抗？遁藏？無奈的選擇

2000年起頭運營的國際空間站，是人類汗青上最大的航天工程。它的巨細，半斤八兩于兩個足球場，在垃圾遍布的低地軌道，國際空間站的確就是一個活靶子。

▲ 國際空間站。圖/NASA

“當您在飛船上的時辰，您需要意識到，有一些工具會與飛船發生碰撞，”國際空間站前站長克里斯·哈菲爾德曾標的目的采訪者坦言，“所以需要尋找一種與它共存的方式，我們的方式是，盡可能切確地去領會這件事，闡發統計數據，知晨風險，我們熟悉國際空間站的設計，也有應急預案。”

▲ 國際空間站的防護分布設計，紅色區域為焦點區域，防護力度最強，焦點區域指的是：若是這些處所發生破損，有可能會危機到宇航員的生命平安。圖/NASA

為了應對潛在的撞擊，人類研發出了惠普爾護盾。這種護盾操縱了“物體在高速撞擊時，會爆發出極高的能量，從而使物體自己破裂、蒸發”這一事實，采用了雙層設計。小塊的太空垃圾，在擊穿第一層護盾時，就碎當作了粉末，粉末對第二層的威脅就很小了。在測試嘗試中，歐航局用7.5毫米直徑的鋁制彈丸，以每秒7千米的速度（與太空垃圾的速度相似）射標的目的惠普爾護盾，固然護盾被直接射穿了，但內側僅有3毫米厚的鋁制裝甲上，只留下了細小的灼燒陳跡。不外，惠普爾護盾再壯大，也只能承受小于1厘米碎片的撞擊，當大碎片襲來的時辰，空間站會按照地面雷達站的警告采納變軌辦法，當然，每次的變軌都需要必然的當作本。

▲ 位于美國馬薩諸塞州的，為國際空間站供給預警的地面“干草堆”型雷達站。圖/COO

地面批示站為國際空間站畫出了一個長寬都是50千米、高度是0.75千米的虛擬平安盒子，在人類監測的22300塊太空垃圾中，若是此中的任何一個將穿過這個區域，就會激發警報。假如碰撞概率大于萬分之一，國際空間站就必需變軌。

▲國際空間站的“平安盒子”。圖/Real Engineering GSUI5051

對于國際空間站來說，變軌的損掉可不只是耗損一些燃料，對空間站的加快會影響微重力嘗試的結果，甚至是讓補給飛船錯過發射窗口。

▲ 為國際空間站補給的俄羅斯聯盟號飛船。圖/Thegreenj

不但是國際空間站，人類為每一顆在軌衛星都賜與了充實的監測，若是它們即將發生碰撞，就會焚燒變軌。可是，衛星與國際空間站分歧，它們不克不及彌補燃料，若是因為變軌耗損過多的燃料，很可能導致在報廢時無法返回地球，當作為一塊巨型的太空垃圾。太空垃圾數目大、速度快、處置難，威脅大，可是它們并不會永遠留在太空。一個好的動靜是，那些藐小的、人類臨時無法處置的碎片，因為有更大的概況積質量比，所以更輕易受到大氣阻力的影響，墜落得也就更快。