“僵尸卫星”，火箭碎片和碰撞残骸给环绕地球的轨道带来了严重的交通隐患。科研人员们正努力降低太空中两万多个物体带来的威胁
亚历山大·薇茨
版权：欧洲航天局
在七月二日星期一，CryoSat-2卫星像往常一样，在离地面仅700千米的轨道上正常运行着。但是，在那一天，欧洲航天局的任务控制人员却发现他们遇上了麻烦：当这颗造价1.4亿欧元（1.62亿美元）的卫星正在监视地球上的冰的时候，一片太空残骸正不受控制地向它撞来。
在工程人员追踪两个物体的运动轨迹的时候，发生碰撞的概率慢慢地增加了——这迫使任务控制人员们采取行动。七月九号，欧空局点燃了CryoSat-2上的推进器，把它推向更高的轨道。50分钟后，那片太空残骸以每秒4.1千米的速度疾驰而过。
近几年来，随着近地空间越来越拥挤，这样的操控越来越常见。仅在2017年，商业公司、军方和政府部门，以及业余爱好者们把400多颗卫星送入轨道——这个数字比2000-2010年年均数据的4倍还多。如果接下来的几年里，波音，OneWeb和太空探索技术公司等还打算按照他们的计划在太空中部署成百上千颗通讯卫星的话，这个数字还会显著增长。如果这些计划中的所有大型卫星群都发射升空的话，它们就会和之前人类航天史上发射的所有航天器数量相当。
这么多的在轨运行可能会造成灾难性的后果。在2009年，一颗美国的商用“铱星”与一颗俄罗斯的废弃通讯卫星“宇宙-2251”相撞，产生了几千块新的尖锐碎片，严重地威胁了其他近地轨道上的卫星——碎片垂直分布区域的高度达到了两千公里。总的来讲，在地球轨道上一共有大概两万个人造物体，包括运行中的卫星、小的太阳能电池板碎片或者火箭部件等各种物体。卫星的操作人员并不能把卫星驶离可能会发生撞击的位置，因为每一次机动动作都会消耗本应用于航天器主要任务的宝贵时间和燃料。
来源：欧空局年度太空环境报告
对于太空垃圾的担忧早在人造卫星时代的早期就产生了，但是近年来在轨物体的数量增长极快，这迫使科研人员们去寻找解决问题的新方法。有几只团队正在研究如何改进评估轨道的方法，使得卫星可以在更拥挤的空间里高效运行。有的科研人员正开始建立一个庞大的数据库，尽可能地记录下每一个在轨运行的物体。有的科研人员为太空垃圾建立了分类——研究如何测量太空垃圾的性质，比如大小和形状。这样一来，卫星操控人员就可以了解威胁的严重程度。另外，有些研究人员正在寻找一些特殊的轨道，让报废的卫星可以在大气层中迅速燃烧殆尽，腾出空间。
很多人说，如果不这么做的话，结果会是出乎意料的。仅仅几次不受控制的撞击就会产生一场“碎片雨”，使得近地空间无法供卫星使用。“如果我们继续这样（放任太空垃圾不管）的话，我们就没有回头路了。”普渡大学的天体动力学家卡洛琳·弗吕说。
来源：欧空局年度环境报告。地球碎片图像：NASA戈达德航天飞行中心/联合科学委员会
轨道正受到污染
从20世纪60年代开始，天文学家们就对太空垃圾产生了担忧：他们强烈抗议美国军方的一个项目，因为那个项目将会把几百万根铜制的针状物发射到地球轨道上。按照计划，如果高空的核试验把可以远距离反射电磁波的电离层毁灭掉的话，这些小针可以保证无线电通信畅通。1963年，美国空军把这些针状物发射到了地球轨道上，并且成功的产生了一条有反射功能的针带。在随后的三年里，大部分针状物都脱离了轨道，但是对于污染太空的担忧也促使了这个项目的终结。
丽萨·兰德说，这次事件是公众认为我们需要保持太空干净的早期案例之一。丽萨是宾州费城的一位科学史学家，也是美国历史协会和NASA的工作人员。
自从1957年苏联发射了第一颗人造卫星“伴侣号”开始，近地空间里人造物体的数量就开始激增：在1970年，共有大概2,000个人造物体在地球轨道上运行；到了2000年，这个数字增长到7,500；而到了今天，已经有20,000个人造物体了。轨道上的物体残骸主要是在两次事件里生成的——一次是2007年中国政府在一次导弹试验中炸毁了一颗卫星，另一次是2009年铱星和宇宙号的撞击。根据欧空局在德国达姆施塔特的太空残骸办公室主任霍格·克拉格的说法，欧空局每年20多次卫星机动动作中，半数都是由这两次事件产生的数千块碎片导致的。
每天，美国军方都要发布大约21份对于可能出现的撞击的警告。由于美国空军在太平洋夸贾林环礁启用了更强大的新型雷达设施，这个数字很可能会逐年显著增长。这个设施使得美国军方具有能力探测小于10厘米的太空残骸（10厘米是目前对于近地轨道探测的极限），而这可能会让被跟踪的物体数量翻五倍。
奋进号航天飞机与一块太空垃圾或者微陨石相撞造成的破坏。版权：NASA
尽管我们监控空间中物体的能力增强了，但是轨道中物体的总数也在不断升高。这意味着企业、政府和其他参与太空开发的有关方面将不得不共同开发新的方法来应对可能的威胁。从21世纪初开始，诸如“机构间空间碎片协调委员会”的国际组织便制定了实现太空可持续发展的指导意见，其中包括在卫星报废前排出剩余燃料或其他一切加压的，可能导致爆炸的物质。政府间组织也同时建议把卫星降到足够低的轨道上，使它们燃烧殆尽或在25年内慢慢分解。
不过，克拉格说，到目前为止只有大概一半的太空任务遵循了这项25年内分解卫星的指导意见。大型卫星群的操作者们保证他们会对太空环境负责，但是克拉格担心尽管他们意图是好的，但是目前的问题仍然可能会加剧。“如果有的公司失败或者破产了呢？”克拉格问道，“他们不太可能出资把他们的卫星从太空中清除。”
“太空交警”
理论上讲，太空中有足够空间供卫星运行——它们甚至都不会靠近彼此。因此，有的科学家尝试通过计算出太空残骸的精确位置来解决太空垃圾的问题。这将会减少很多为了避免可能发生的撞击而进行的不必要的机动动作。“如果你能知道每一片碎片的精准位置的话，你就不会遇到什么问题了。”马伦·索尔吉说道。马伦是加州埃尔塞贡多的航空航天公司 的一位太空碎片专家。
这个研究领域被称为太空交通管理，因为它和管理地面或者空中的交通是类似的。“试着想象一座机场繁忙的一天，”莫里巴·贾，德克萨斯大学奥斯汀分校的天体动力学家说，“飞机像一串珍珠一样在空中列队，按照精心规划的程序挨个起飞和降落。空管人员对飞机位置的了解误差不超过一米。”
对于太空残骸而言，情况就不太一样了。并不是所有太空中的物体都是已知的，而且数据库中所记录的那一些的跟踪精度也是不同的。更重要的是，并没有任何官方的档案精确记载了每一块已知的太空碎片。
莫里巴·贾通过他开发的网络数据库ASTRIAGraph解释了这个问题。这个数据库从诸如美国和俄罗斯政府建立的目录中得到数据，并将太空中物体的位置可视化。当他向数据库输入了一个物体的编号后，ASTRIAGraph通过一条紫色的线标示出了物体的运行轨道。
不过，对于一部分物体，比如俄罗斯在2007年发射的一支火箭的主体，这个功能并不能正常运行。该火箭主体在数据库中的编号是32280。当莫里巴向数据库中输入这个编号时，ASTRIAGraph显示出两条紫线——美国和俄罗斯的数据源中，对32280号物体的轨道记录是截然不同的。莫里巴表示除非获得第三方数据进行交叉比对，不然判断美国而俄罗斯的数据谁对谁错几乎是不可能的。
目前，ASTRIAGraph涵盖了绝大部分有关跟踪太空物体的数据来源。美国军方的目录，同时也是公众能接触到的最大的数据库，显然隐藏了关于机密卫星的数据。俄罗斯也同样对许多数据保密。近些年来，有几个商业的空间追踪数据库发展起来，但这其中的大多数都不对外界开放。
莫里巴·贾把自己称为一名“太空环境保护主义者”。他说：“我想要把太空建设成一个可供卫星安全运营，并且让后代可以自由地利用的空间。”他表示，在这个目标实现之前，太空社会将会逐渐退化，并且成为全人类的悲剧——在这场悲剧中，所有的航天器操作者都在污染（太空）这一公共资源。
莫里巴和其他一些太空环境保护主义者们的工作已获得一些进展——至少关于美国的太空政策来讲，是这样的。去年，在共和党参议员泰德·克鲁兹的邀请下，莫里巴向美国国会验证了太空交通管理的可行性。在今年七月，泰德·克鲁兹参与提出了一项太空管理法案。六月，美国总统特朗普签署了一项命令，把管理太空碎片目录的职责由美国军方划归给一个民政部门——很可能是管理商业的美国商务部。
这项太空政策的命令是在美国政府高层讨论太空垃圾问题的少有的机会。“这是我们第一次认真严肃地讨论这个问题。”麦克·古德说到。麦克是位于科罗拉多州威斯敏斯特市的Maxar科技公司中负责管理、行政和政府合同的副总裁。Maxar公司同时拥有数颗卫星。
在轨的“死亡卫星”
地球周边的空间中充满了“僵尸卫星”：大约95%的在轨物体是退役卫星或者不再运行的卫星部件。当一个运行中的卫星的操作人员收到潜在撞击的警报时，他会需要知道前方残骸的威胁有多大。“随着在轨物体越来越多，根据我们现在面对的不确定性，你（卫星操作员）会不停地接到撞击预警”，卡洛琳·弗吕说到。（微陨石是另一种威胁——它们根本无法被跟踪。）
为了评估潜在撞击的风险，卫星操作员需要知道将会撞击的物体是什么。但是，现有的跟踪目录对于很多物体的信息记录甚少。在这些情况下，军方和其他的空间追踪者需要用望远镜在发生潜在撞击前的短时间内收集信息。
通过与空军的合作，卡洛琳和她的同事们正在开发一种即便缺乏信息也能快速解析轨道物体属性的方法。比如，通过研究不同的物体在经过天顶时对阳光的反射，她可以推断该物体是正在颤动还是稳定——这可以反映该物体是否正在运行。她的团队也同时正在试验一种机器学习算法。这个算法可以加快分析物体性质的过程。卡洛琳将会在9月14日夏威夷毛伊岛的空间追踪大会上描述这个算法。
一片被认为来自于1998年一项太空船任务的太空碎片。版权:NASA
一旦研究员们了解了一个太空物体的材质，他们就有好几种办法来减小它的威胁。有几个具有科幻色彩的提议涉及到用磁力来清扫太空垃圾，或者通过激光清除或者驱离太空残骸。在接下来的几周里，来自英国吉尔福德的萨里大学研究员们将会测试用于一种捕捉试验卫星的网。这个名为RemoveDEBRIS的项目随后将把该试验卫星投放到重新进入大气层的轨道。
不过，鉴于太空垃圾的数量之大，这种主动清除太空垃圾的方法并不会长期有效。因此，其他一些专家们认为减轻太空垃圾问题的最好的办法应该是一种被动解决方式。这个方式利用了太阳和月球的引力作用——也就是轨道共振——来销毁卫星。在位于图森的亚利桑那大学，天体动力学家阿伦·罗森格伦正在开发有关的方法。
阿伦是在研究中地球轨道卫星的运动时获得这个想法的。这些卫星在地表以上2,000千米处（低地球轨道最高处）到35,000千米处（地球静止轨道最低点）之间运行。
低地球轨道的卫星可以通过重返大气层的方式被销毁，而相对没那么拥挤的地球静止轨道上的卫星则可以安全地转移到“太空坟墓轨道”上，不再与其他物体交汇。但是，在中地球轨道上，由于引力共振的存在，卫星的轨道在长时间中是不稳定的。
2002年升空的欧空局INTEGRAL γ-射线空间射电望远镜给了人们利用这个现象的启示。INTEGRAL望远镜在一个横跨低地球轨道、中地球轨道和地球静止轨道的大范围内运行。正常情况下，它还将在太空中运行一个多世纪，但是在2015年，欧空局决定改变它的轨道。通过几次小的推进器点火，任务控制员人们把它放置在了一个存在引力共振的轨道上。这样一来，它就会在2029年重返大气层，而不是几十年后。
在2016年，阿伦·罗森格伦和他在法国、意大利的同事们发现了一个紧密的轨道共振网络——它决定了中地球轨道上物体的运动(J. Daquin et al. Celest. Mech. Dyn. Astr. 124, 335–366; 2016)。阿伦认为这可能提供了一个潜在的解决方案。在这个网络上，有几条共振的路径指向了大气层而非中地球轨道，而操作员们可以利用这些路径来销毁卫星。“我们把这称为‘利用共振和不稳定性的被动销毁’，”艾伦说道，“是的，我们需要给它起个新名字。”
其他的研究员们在之前也探索过这个概念，不过阿伦想要让它成为主流。“这是太空垃圾话题的一些新鲜事。”
这些可以用来销毁卫星的“太空高速公路”可以轻松到达。在七月位于加州帕萨迪纳的一场太空论坛上，阿伦和他的同事针对20世纪60年代的美国轨道地球物理天文台卫星作了报告。这些科学家们发现，如果把这些卫星的发射时间更改仅仅15分钟，也能显著影响卫星在太空中存留的时间。这样的信息可以用来计算发射卫星的最佳时间。
就像CryoSat-2等很多卫星的操作员发现的一样，在现在采取一些主动措施可以避免很多未来的麻烦。当欧空局在七月上旬决定采取规避动作时，工程师们不得不紧锣密鼓地加班工作来为该规避动作做准备。欧空局的太空残骸工程师维塔利·布劳恩说，当那片太空垃圾安全通过之后，CryoSat-2花了几天时间返回原有轨道。
不过，警报依然源源不断地出现。就在随后的几周里，任务控制员们至少六次被迫改变不同卫星的轨道来躲避太空残骸。就在8月23日，他们首次把Sentinel-3B卫星轻轻推出了其轨道来规避太空垃圾——这颗卫星在轨运行了仅仅四个月。
Nature 561, 24-26 (2018)
翻译：薛子昂
审校：王泽宇
字数：5015
