空间碎片，又名空间垃圾，在人类航天活动伊始，没人把它当成一个问题。近年来，随着空间碰撞事件和空间碎片“回娘家”事件的频发，这群数量庞大的飞行物成为各国航空活动中的棘手难题。而人类频繁的空间活动，又带来成倍增长、数以百万计的空间碎片。令航天专家头疼的是，每一次的互相撞击并不能让碎片湮灭，而是产生更多碎片，进而每一个新的碎片又成为了一个新的碰撞危险源。由于在地面无法对它们进行直接观测，因此不能确切掌握它们的运行轨道。

                                   人造“天灾”——空间碎片

  　 空间碎片是一个非常庞大的群体。它们以约10 km/s的速度围绕地球飞行，即使是一次不经意地碰撞，也足以彻底毁掉与之相遇的飞船和卫星。为了防止受到这些“不速之客”的伤害，人类在进行空间活动时想了各种办法，如我国的“天宫一号”就“穿上”了2~3 cm厚的金属外衣——舱体上设计了特殊的防护装置，并携带着防护板。中科院紫金山天文台还在云南、黑龙江、盱眙3个观测点每天都紧张地监测着。即使如此，谁也不能保证两年的在轨运行过程中，“天宫一号”不会遇到危险“访客”。
　　这些空间碎片如同悬在人类上空的“达摩克利斯之剑”，而破解之道难寻。

空间碎片已达“临界点”？                                                  
　　废弃的空间站，人造卫星和火箭爆炸后的碎片，甚至是螺栓、推进器、电池板、绝缘材料、涂层片，都是空间碎片的来源。
　　关于空间碎片的确切数字一直在波动。一些碎片在重新进入轨道时会燃烧，燃烧中产生新的碎片进入轨道。因此，统计空间碎片是一项异常庞大的工作。
　　“2 000 km以下的近地轨道、2万km高度的中轨道和3.6万km高度的地球同步轨道是空间碎片的集中分布区”，中国空间技术研究院副院长、空间碎片行动计划首席专家李明表示。
　　据NASA（美国航天局）公布的统计数据，直径为10 cm以上的太空垃圾已经达到17 000片，直径为2.5~7.5 cm的则超过20万片，更小的则数以百万计。
　　有关空间碎片的最新报告称，地球上空的空间碎片数量已达“临界点”，对于航天器和宇航员而言，当前的空间环境正在变得越来越危险。
　　此前，NASA的科学家曾警告，即使不再发射航天器，到2055年，由碰撞产生的新碎片数量也将超过落回地球和燃烧掉的碎片总数。
　　对此，中科院空间中心研究员、中国空间碎片行动计划前首席科学家都亨表示，这个“临界点”是多少肯定存有争议，至少到现在为止还没有来临。空间碎片“临界点”这一说法在20世纪70年代末就提出过，后来在20世纪80年代，各国采取了相应的措施，使空间碎片上升势头有所减缓。
　　对于这一“临界点”在什么时候会来临，都亨表示，这和人类空间活动的频繁度有很大关系，如果没有空间战争等特殊因素，目前还尚待时日。但如果空间碎片多到一定程度，达到临界密度，就会产生雪崩效应。
　　最新的研究报告还称，计算机模型显示，太空中轨道碎片的数量已多到足以持续碰撞并产生更多空间碎片，开始威胁航天器的安全。报告认为，空间碎片与温室气体、核废料存储等问题一样，短期的影响不大，但如果长期得不到处理，未来将对人类社会产生巨大影响。

防护和减缓
　　从欧洲航天局近期公布的近地轨道区域的空间碎片合成图片看，让人难以置信——现在的地球如同被蜂群围得密不透风的蜂巢。
　　虽然面临种种风险，但是补救措施几乎为零。都亨说：“在对空间碎片的处理上，主要是采用观测、预防和躲避的措施。就目前来看，最有效、可行的方法就是躲。”都亨介绍，躲避是建立在对空间碎片运行轨道监测的基础上的。目前通用的做法是用光学望远镜观测高太空轨道，用雷达探测低轨道，对各种空间碎片进行监测和预警。当空间碎片可能与国际空间站、卫星等航天器相撞时，这种监测和预警可使航天器通过改变运行轨道进行躲避。目前国际上通行的做法是加固航天器的外表，这对一定大小的空间碎片和微流星的防护有效。虽然护甲越厚，安全系数相对越高，但加装护甲也有很多局限性，会对航天器实现自身功能造成影响，且重量增加也就需要更大推力的火箭才能完成发射。因此，必须得找出新的材料——耐撞击又轻便。此外，有报道称，国外正设计专门清理各种空间碎片的特殊飞船，在飞船外装有一个网状或机器触角状的特殊设备，可以捕获空间碎片而保证自身不受伤害。
　　美国《大众科学》近日报道，一种威力强大的陆基激光器可以用来移除近地轨道上的碎片。与之前的陆基激光器系统不同的是，这套系统既能处理大块空间碎片，也能处理小块空间碎片。对此，国家天文台空间碎片研究和应用中心首席研究员刘静表示，使用激光器是清除的一种手段，各个国家都在研究，目前有一些好的想法，但有待进一步进行实验验证。但在都亨看来，激光处理的办法容易产生新的小碎片。目前，学界清除空间碎片的想法很多，但还没有成熟的办法。以回收为例，如果采用把废弃的卫星捕捉回来的办法，其花费的成本肯定要比发射的成本还高，没有国家愿意做这样的事情。
　　事实上，空间碎片的清除是个非常敏感的军事话题，能把废弃物从太空收回来，必然能使之超越任何卫星。也就是说，任何一个能变轨的卫星都是武器。都亨强调：“现在各国应开始注重清理，目前是很关键的时期，未来空间碎片‘临界点’的到来，将对人类活动产生重大影响。”
　　这种转变，间或可以在我国近期发射的“天宫一号”上看出端倪。“天宫一号”对空间碎片进行了一系列的监测和防范工作，如除了加强空间碎片的监测和预警，“天宫一号”还采取了防护和规避措施。此外，在其寿命末期，将主动离轨，陨落在指定海域。

空间安全无国界
　　真正让国际社会开始重视空间碎片这一问题的，是2009年俄罗斯航天器与美国商用卫星在西伯利亚上空的那次相撞。
　　实际上，这件事说明现在整个空间碎片工作都存在问题。空间碎片已经对航天事业构成了很大的威胁，甚至涉及到国家安全，必须抢占这一制高点。
　　早在20世纪六七十年代，美国和俄罗斯就已经建立了监测网。虽然监测网并不完全是为了空间碎片而建的，可是它可以根据空间碎片测量它们的轨道。都亨指出，美国在低高度上主要用雷达，高轨道上主要用望远镜来测量碎片的轨迹。事实上，空间碎片的观测只是美国空间监视网络的一个附带功能，它的主要用途是导弹预警。所有的监测数据都由美国空间司令部首先处理，不保密的内容才在NASA网站上公开发布。
　　我国在2000年启动了“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3大主题工程。刘静表示：“目前人类观测空间碎片的轨道运行，只能通过地面观测的手段完成。这是个长期且艰巨的工作，目前只有美国有最全、最准的碎片数据。空间碎片是全球性的问题。几乎所有的航天国家都制造空间碎片，要控制碎片的数量，需要所有航天国家的共同努力才能解决。”
　　“我国的航天活动越发频繁，将来产生的碎片也会逐渐增加。碎片一到空间就不管是哪个国家产生的了，相互之间都有撞击的可能，这是个很复杂的事”，都亨指出。一些航天专家表示，对于大质量的空间碎片来说，最有效的措施是开展国际合作，进行全过程的实时跟踪、预报，采取主动规避的办法。

约束力的缺失
　　“空间碎片涉及世界各国的利益，是需要世界各国联合行动才能解决的问题”，都亨表示。而现实的情况是，在空间碎片的问责和处理上缺乏相应的约束和协调机制。
　　机构间空间碎片协调小组制定了《空间碎片减缓指南》，联合国和平利用外层空间委员会2007年6月也以此为蓝本通过了该指南，要求会员国或国际组织通过国家机制最大限度地减少空间碎片。该指南提出了减少空间碎片的方法：对航天器和火箭采取钝化措施，减缓碎片的产生；设立“垃圾轨道”，腾出有价值的轨道空间，减少空间碎片对航天器的危害。但是空间碎片上升到清理层面时，会涉及到军事安全等问题，上述指南缺乏相应的约束力。都亨表示，《国际空间法》原来的文本还没有考虑到空间碎片的问题，只考虑到了航天器。今后可能还是需要立法来解决空间碎片的责任归属问题。美国国家研究委员会也表示，尽管现有的《外层空间条约》呼吁航天国家“避免伤害”，但并没有对产生空间碎片的行为加以禁止。
　　更多的航天专家在呼吁，各国在对空间碎片的处理上不应单打独斗，必须有国际协调和法律约束力。

应对措施
　　减少空间碎片，归结起来是“避、禁、减、清”。“避”就是对空间碎片进行严密监视与跟踪，并采取有效的技术手段，使航天器及时避开空间碎片。“禁”就是国际上制定有关法规，禁止在空间进行实验和部署各种武器，限制发射核动力卫星，使空间成为为人类文明服务的和平空间。“减”就是发射航天器的国家应采取措施，尽量减少空间碎片的增加。“清”就是发展空间碎片清除技术，如运用激光器使大块的空间碎片首先改变运行轨道，然后将其汽化等。

                                                  本文摘自《科学之友》2012年2期

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