近日，繞地球飛行6年半的“天宮一號”從南太平洋中部區(qū)域再入大氣層，絕大部分器件在空中分解并燒蝕銷毀。社交網(wǎng)絡(luò)上有外國網(wǎng)友曬出“天宮一號”殘骸進(jìn)入大氣層燃燒的影像：先是有幾塊閃亮的碎片在空中快速滑行，不久后碎片燃燒起來，在天空拖拽出數(shù)道耀眼的光軌。
與之前一些外國媒體所擔(dān)心的完全不同，天宮一號完美謝幕，既沒有對地面造成任何威脅，也沒有制造太空垃圾。實際上，作為負(fù)責(zé)任的航天大國，中國一直致力于“太空環(huán)保”，不僅盡力呵護(hù)太空環(huán)境，而且盡其所能參與太空碎片和太空垃圾的清理行動，為營造安寧有序的太空環(huán)境做出自己的貢獻(xiàn)。
約7500噸太空垃圾高速飛行
說起太空垃圾，人們可能首先會想起那些從太空墜落的人造飛行物殘骸。事實上，幾乎每周都有航天器殘骸落入大氣層，其中大部分都會在再入大氣層時燃盡，基本不會對人類構(gòu)成威脅。真正危害巨大的太空垃圾是那些在地球軌道中掉不下來的廢棄物。火箭科學(xué)家稱之為空間碎片或軌道碎片，指宇宙空間中除正在工作著的航天器以外的人造物體，包括航天器發(fā)射過程中產(chǎn)生的碎片、航天器表面脫落的太陽能面板和油漆、火箭和航天器爆炸碰撞產(chǎn)生的碎片，甚至是宇航員在太空行走時失手落下的手套。這些碎片在地球軌道上以3-8公里每秒的速度高速運(yùn)動，碰撞時相對速度可達(dá)每秒10公里以上。一塊直徑10厘米的太空垃圾就可以將航天器完全摧毀，幾毫米大小的碎片就有可能使它們無法繼續(xù)工作。
自蘇聯(lián)研制發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星斯普特尼克一號上天至今的60多年間，人類已先后將7500余顆衛(wèi)星送入太空。它們一方面給人類生活方式帶來革命性變化，另一方面也產(chǎn)生了太空垃圾。目前，人類發(fā)射的衛(wèi)星中有4300顆依然在太空漫游，只有約1200顆依然在運(yùn)作，約有7500噸太空垃圾在繞地球飛奔，且數(shù)量正以每年2%-5%的速度增加。這些不受控制的太空垃圾無時無刻不對衛(wèi)星、航天飛機(jī)以及國際空間站的安全構(gòu)成威脅。
太空垃圾頻頻“交通肇事”
曾經(jīng)相當(dāng)長一段時間，美蘇等航天大國根據(jù)當(dāng)時流行的“大天空理論”，并沒有認(rèn)識到太空碎片的危害。該理論認(rèn)為，鑒于太空無比遼闊，它們與航天器相遇的概率極低，再則，太空碎片最終都會再入地球大氣層自行燒毀。因而，產(chǎn)生任何廢棄物或火箭碎片等太空垃圾都不會有什么危害，哪怕一個巨大的太陽能電池板碰巧脫落在太空，人們能做的也只是祝它“一路順風(fēng)”。然而，該理論面臨的問題是隨著人類航天活動逐漸變得密集和空間碎片的持續(xù)增多，太空已經(jīng)不再顯得那樣“遼闊”，相反，逐漸變得“擁擠”起來，航天器與太空碎片相撞的概率大大增加。另一方面，太空碎片雖然會再入自行燒毀，但是問題是需要多久，有些可能只需要幾年，而那些處于較高軌道的可能幾十年也不會進(jìn)入地球大氣層。
太空碎片的危害早已不再只是一種“擔(dān)心”而是活生生的“現(xiàn)實”，給世界航天事業(yè)發(fā)展造成了嚴(yán)重?fù)p害。1983年，美國航天飛機(jī)“挑戰(zhàn)者號”與一塊直徑0.2毫米的涂料塊相撞，導(dǎo)致舷窗被損，只好停止飛行。1986年，歐洲空間局的“阿麗亞娜”號火箭進(jìn)入軌道之后不久便爆炸，爆炸殘骸成為太空垃圾，致使兩顆日本通信衛(wèi)星遭到毀壞。1991年9月15日，美國發(fā)射的“發(fā)現(xiàn)者”號航天飛機(jī)差一點(diǎn)與蘇聯(lián)的火箭殘骸相撞，當(dāng)時兩者僅僅相距2.74千米，幸虧地球上的指揮系統(tǒng)及時發(fā)來警告信號，否則后果不堪設(shè)想。2009年2月10日，美國銥星公司的通信衛(wèi)星“銥星33”與一顆報廢的俄羅斯軍用衛(wèi)星相撞，產(chǎn)生2000多片碎片，每個碎片都如同一發(fā)炮彈，能夠輕易摧毀任何昂貴設(shè)備。
太空碎片的威脅呼喚國際航天界采取行動。1993年10月26日，由美國航空航天局、歐洲宇航局、日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)和俄羅斯航天局聯(lián)合發(fā)起的機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(IADC)成立。2007年，協(xié)調(diào)委員會推出了《IADC空間碎片減緩指南》，要求防止航天器在軌期間解體、正常運(yùn)行期間限制釋放物體，已到飛行壽命末期的航天器應(yīng)當(dāng)從密集軌道區(qū)域移除等。該指南得到國際社會的廣泛認(rèn)可。美國航空航天局的軌道碎片辦公室也設(shè)定了一系列規(guī)則，包括限制可丟棄的垃圾類型，要求衛(wèi)星運(yùn)營商將退役的飛行器升入“墳場軌道”，以及在衛(wèi)星壽命結(jié)束25年之后，使其在大氣層中燃盡自毀。
中國投身太空環(huán)保不遺余力
作為航天后起之秀，中國一直高度重視“太空環(huán)保”工作。早在1995年，中國國家航天局就正式加入機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會。從2000年起，中國啟動了“空間碎片行動計劃”，為載人航天、探月工程等提供了空間碎片監(jiān)測預(yù)警技術(shù)服務(wù)。根據(jù)該行動計劃，開發(fā)了高性能防護(hù)材料和先進(jìn)防護(hù)結(jié)構(gòu)，頒布了《空間碎片減緩與防護(hù)管理辦法》，對現(xiàn)役長征系列運(yùn)載火箭實施末級鈍化處置，并多次對廢棄衛(wèi)星實施離軌處理。2004年10月，“中國科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片觀測研究中心”成立，并把“積極研發(fā)空間目標(biāo)與碎片的探測、識別等應(yīng)用技術(shù)，建成中國空間目標(biāo)與碎片的實測和研究基地”列為宗旨之一，建立了管理和數(shù)據(jù)處理中心，架設(shè)了觀測設(shè)備和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。2008年12月，“中國科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片觀測重點(diǎn)實驗室”成立，并在衛(wèi)星動力學(xué)、空間碎片碰撞預(yù)警計算等方面取得了一批重要成果，在“神舟”系列空間碎片監(jiān)測預(yù)警任務(wù)中得到重要應(yīng)用。
2015年，中國國家航天局空間碎片監(jiān)測與應(yīng)用中心正式成立。它具備航天器發(fā)射預(yù)警、空間物體安全再入、航天器解體分析、空間碎片環(huán)境評估等能力。其成立有利于推進(jìn)中國空間碎片技術(shù)發(fā)展，提升空間碎片管理和服務(wù)能力，保障航天器在軌運(yùn)行安全，維護(hù)中國外空發(fā)展權(quán)益。據(jù)統(tǒng)計，該中心成立當(dāng)年就發(fā)出“有碰撞風(fēng)險”的紅色預(yù)警達(dá)87次。特別值得一提的是，該中心通過精確分析，成功幫助委內(nèi)瑞拉遙感衛(wèi)星一號規(guī)避太空碎片風(fēng)險。
中國空間技術(shù)研究院副院長、空間碎片行動計劃專家李明介紹說，中國已確定實施了以數(shù)據(jù)庫為載體的“空間碎片探測預(yù)警工程”、以防護(hù)設(shè)計專家系統(tǒng)為載體的“空間碎片防護(hù)工程”和以空間碎片減緩設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為載體的“空間環(huán)境保護(hù)工程”的3大主題工程。
2016年6月25日，“太空環(huán)保”迎來歷史性時刻：“長征七號”運(yùn)載火箭攜帶“遨龍一號”空間碎片主動清理飛行器發(fā)射成功。“遨龍一號”是世界上首個主動的軌道碎片離軌清除實驗項目，它裝載了一臺機(jī)械臂，模擬抓取廢棄衛(wèi)星和太空碎片，并將它們帶到大氣層燒毀。這是中國在世界航天領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的杰作。
中國載人工程航天辦公室副主任武平說，“遨龍一號”在前期技術(shù)研究和地面試驗的基礎(chǔ)上，以模擬的空間碎片為目標(biāo)，驗證碎片清除關(guān)鍵技術(shù)，任務(wù)結(jié)束后進(jìn)行鈍化處理。中國國家航天局秘書長田玉龍則進(jìn)一步表示，中國在空間碎片清除、空間站建設(shè)等需求牽引下，空間機(jī)器人及空間人工智能發(fā)展迅速，將在空間環(huán)境治理機(jī)器人等領(lǐng)域開展技術(shù)攻關(guān)。
(綜合本報和微信公號《界面》報道)
凱斯勒綜合征(鏈接)
木葉凋落的冬夜，家住美國北卡羅來納州的凱斯勒喜歡在屋后架起一臺小型天文望遠(yuǎn)鏡，觀察那些閃耀在藍(lán)嶺山脈上空的星星。這臺1978年的星特朗望遠(yuǎn)鏡雖然不是最先進(jìn)的家用天文觀測設(shè)備，但仍被凱斯勒視若珍寶。望遠(yuǎn)鏡出廠的那年，正是凱斯勒發(fā)表讓他在航天界享有盛譽(yù)的著名論文的一年。當(dāng)時，被分配到休斯敦美國航空航天局約翰遜航天中心環(huán)境影響項目辦公室的凱斯勒，對人類在茫茫太空制造的垃圾產(chǎn)生了興趣。
通過對軌道碎片的研究，凱斯勒寫出了開創(chuàng)性論文《人造衛(wèi)星的碰撞頻率：碎片帶的產(chǎn)生》。在論文中，他描繪了一個噩夢般的情景：廢棄的衛(wèi)星和其他軌道碎片將不斷積聚，直到不可避免地發(fā)生碰撞，相撞的物體會粉碎成無數(shù)同樣危險的碎片，引發(fā)連鎖反應(yīng)式的系列碰撞，“結(jié)果就是，隨著時間的推移，碎片數(shù)量呈指數(shù)級增長，在地球周圍形成碎片帶”。這種現(xiàn)象，后來被稱為“凱斯勒綜合征”。凱斯勒預(yù)測，這樣的碰撞將發(fā)生在未來30-40年之間。
論文發(fā)表后，美國國家航空航天局設(shè)立了軌道碎片辦公室，由凱斯勒負(fù)責(zé)，但并沒有拿出什么實際措施來應(yīng)對太空垃圾問題。“他們(上司)不喜歡我發(fā)現(xiàn)的東西。”凱斯勒回憶道。畢竟，那時距人類開始制造太空垃圾只有20年。而且，在斯普特尼克一號上天后一直持續(xù)了近20年的美蘇太空競賽中，如何處理太空垃圾也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是個值得優(yōu)先考慮的問題。