空间碎片：亦远亦近的太空垃圾
2019/7/4 19:20:11韦栋 中国科学院紫金山天文台

     为解决垃圾围城问题，7月1日起，《上海市生活垃圾管理条例》正式实施，垃圾分类进入强制时代。一时间，网络上出现了许多段子，其中最有趣的一条是，上海市民每天都要经受两次来自老阿姨的灵魂拷问：“侬是啥垃圾？”

     实际上，垃圾围城的问题不仅存在于都市，在遥远的太空，也同样存在着严重的环境问题。今天我们就来说一说太空环境的最大污染源——空间碎片。

     那么什么是空间碎片呢？

     联合国和平利用外层空间委员会(UNCOPOUS)和机构间空间碎片协调委员会(IADC)对空间碎片的定义是：地球轨道上在轨运行或再入大气层的无功能的人造物体及其残块和组件。

     空间碎片具体包括：完成任务的火箭箭体和卫星本体、火箭的喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间碰撞产生的碎块等。

     换句话说：由人类的太空活动产生，又对人类没有功能的太空物体，都是空间碎片。

     例如，1970年发射的我国第一颗人造卫星“东方红一号”至今仍然在轨，但是随着其功能失效，从定义上讲，它早已是一个空间碎片。

     基于自主编目数据仿真预报2019年7月10日“东方红一号”的监测情况

     | 视频来源：中科院空间目标与碎片观测研究中心

     再比如最近Spacex公司推动的太空互联网Starlink星链计划，其首批60颗试验卫星已经通过猎鹰9号火箭成功发射，这些试验卫星在其失效后，也将成为新的空间碎片。

    

     starlink一箭60星的实测图像 | 图源：中科院空间目标与碎片观测研究中心

     那么空间环境的现状是怎样的呢?

     自1957年第一颗人造地球卫星升空以来，截至2019年7月1日，人类共把8461颗航天器送入轨道，其中3432颗已经陨落，5029颗航天器仍然在轨。然而，在这5029颗在轨运行的航天器中，仅有1000多颗航天器仍然在正常工作，其余的都已经丧失功能变成了空间碎片。在此期间，太空还发生了数百次的在轨航天器或火箭解体、爆炸和撞击事件，产生了数量众多的空间碎片。

    

     空间碎片数量增长图 | 图源：NASA

     这样，在太空就形成了一个人为的外层空间环境——空间碎片环境。据统计，目前数亿毫米级以上的空间碎片运行在地球轨道空间，总质量达到几千吨。

    

     空间碎片环境变化 | 图源：NASA

     空间碎片对在轨航天器的危害

     太空中如此多的空间碎片，会对在轨航天器的安全运行造成极大的威胁。目前，中国在轨航天器已达356颗，与空间碎片在100米以内的近距离危险交会，平均每年发生数十次。虽然大部分空间碎片的尺寸较小，但空间碎片运行速度非常快，平均速度是子弹的二十倍。因此，小尺寸空间碎片也具备极大的动能，一旦撞上航天器，将造成灾难性的后果：厘米级以上空间碎片可以导致航天器彻底损坏，毫米级或微米级空间碎片可以导致航天器性能下降或功能失效。

    

     美国航天飞机STS-7舷窗玻璃上的碎片撞击坑 | 图源：NASA

     地球轨道空间不可承受之重

     更为紧迫的是，随着航天发射门槛的降低，空间碎片数量的增长还在不断加快。在低地球轨道区域，厘米级空间碎片由2005年的30万个增长到2015年的50万个。

     根据美国空间碎片研究专家Kessler的研究结果，按照目前的空间碎片增长速度估算，如果不采取任何措施， 70年后空间碎片数量将达到发生碎片链式撞击效应的临界值，之后近地空间将彻底不可用。这就意味着我们的子孙后代将无法再继续探索星空，因此联合国、IADC、ESA等国际组织已陆续编写了各项太空行为准则，对各国的太空活动进行约束和规范，避免人为原因产生更多的碎片。

     改善空间环境的技术手段有哪些？

     那么如何通过技术手段改善空间环境，避免空间碎片损坏我们的卫星和载人飞船、空间站呢？

     第一种是被动防护，即在航天器的表面采取防护措施，比如安装防护板。

    

     国际空间站碎片防护结构示意图 | 图源：NASA

     第二种是主动防护，即开展空间碎片的跟踪观测，通过轨道计算确定航天器与较大尺寸空间碎片的轨道，并计算航天器与碎片发生碰撞的概率，一旦碰撞概率到达预警值，就让航天器进行规避机动。

     第三种是开展主动碎片移除，即发射专用的航天器，通过机械臂抓捕、飞网捕捉、太阳帆和激光移除等多种方式把较大尺寸的碎片清除。

    

     e.deorbit 碎片主动清除任务概念图 | 图源：ESA欧空局

    

     e.deorbit 飞网捕捉碎片示意图 | 图源：ESA欧空局

     第四种是空间碎片减缓，例如对地球低轨道上的碎片进行降轨使其进入大气层烧毁，对地球同步轨道碎片使其升轨而进入坟墓轨道，从而达到保护在轨航天器不受碎片撞击或大幅降低撞击风险的目的。

     结束语

     空间碎片在离我们数百甚至上万公里的太空，但是空间环境的保护问题事关人类太空的发展，离我们每个人都很近。保护太空环境，给我们的子孙后代留下一个灿烂的星空，是我们全人类的共同职责。

     关于空间碎片今天就介绍到这里，更多内容，请期待后续文章。

     作者简介

     韦栋：中国科学院紫金山天文台，中国科学院空间目标与碎片观测研究中心助理研究员，研究领域:空间目标轨道动力学。

     撰文：韦栋

     视频制作：朱听雷

     编辑：王科超、高娜

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