影响GPS？影响卫星信号？这些“远在天边”的垃圾不容小觑
2018/7/20 21:26:14 思想聚焦
比起遥远的太空，人们似乎永远更关心身边实实在在的生活，太空垃圾就是这样一个听上去好像与我们无关的话题。但中国科学院空间应用工程与技术中心战略规划室主任、今日头条优质内容创作者张伟介绍说，密布的太空垃圾会对我们常用的手机通信、GPS、天气预报的运行带来极大威胁，更会阻挡人类向宇宙探索的脚步。
本期海绵演讲中，张伟老师介绍了太空垃圾的来龙去脉。他说，太空将是我们下一个家园，太空垃圾问题是需要每个人共同面对的问题。
以下为张伟海绵演讲现场视频
以下为张伟“海绵演讲”文字实录
《是时候清理太空垃圾了!》
各位嘉宾，下午好。非常高兴今天能和大家来分享一些关于太空垃圾的知识。
大家可能看过电影《地心引力》，在电影中卫星爆炸产生的太空垃圾把我们的航天飞机撞坏了，除了一位航天员搭乘我国的载人飞船返回地球，其他的航天员都献出了宝贵的生命。看了这样的情节，大家可能会想，这种事情真的可能发生吗？太空垃圾真的会多到防不胜防吗？
首先我想问大家一个问题，目前太空中共有多少太空垃圾存在？
1957年，从苏联发射第一颗人造卫星开始，人类不断地向太空发射越来越多的卫星，产生了越来越多的太空垃圾。目前太空中的垃圾碎片，据估计总共有1亿多块，尺寸有大有小，从毫米级、厘米级到米级以上不等。
这些太空垃圾中，大于10厘米的有大约2万9千块，就是比西红柿要大，甚至长达几十米；在1厘米到10厘米之间的有75万个，比我们小时候玩的弹珠要大，比西红柿要小；毫米级的有1.66亿个，比芝麻大，比弹珠小。
大家可能会问，我们每年只往太空发射400个航天器，怎么会产生这么多的太空垃圾呢？这些太空垃圾又是怎么产生的呢？
首先我们要了解一下，什么是太空垃圾？太空垃圾，是指除了在轨道正常运行的航天器外，游离于太空的人造物体。这里面包括废弃的卫星、抛弃的整流罩以及火箭的残骸等，甚至还有航天员出舱活动时丢失的手套、工具包等。
上图最右边的图片是2008年美国的一位航天员(Heide)在太空维修太阳能面板时，一不小心让工具包飘走了。在太空中不像我们在地面，可以走过去把它捡回来，它最后非常高速地飘走了。据说这个工具包价值10万美元。后来有天文爱好者还在地面观测到了轨道上的一个太空垃圾，就是这个工具包。
当然了，我国的航天员还没丢过东西，因为目前我们的出舱活动只有(神舟七号航天员)翟志刚进行过一次。
我们的天宫一号今年得到了国际社会的广泛关注，因为在2016年结束使命后，它已经在太空遨游了两年。大家老在想它什么时候会掉下来，掉在哪里，直到今年4月天宫一号坠落在南太平洋。在太空遨游的这两年，它就是作为太空垃圾存在的。
上图是美国太空监视网发布的，10厘米以上的太空垃圾随年代变化的情况，这个图里只包括10厘米以上的垃圾，因为太小的垃圾很难被探测到。
图中绿色的线是火箭的箭体，蓝色的线是废弃的卫星，这两种航天器是缓慢增长的。紫色的线代表碎片级垃圾，增长非常快，而且增长速度有突变。突变是由于卫星的解体和火箭的爆炸形成了大量碎片，占太空垃圾总数的47.7%。截止目前，已记录的航天器解体事件达290起，大部分是卫星的解体和火箭的爆炸，这将会产生大量的空间碎片。
卫星在太空当中，一旦失控就会发生非常快的旋转，有可能会把自己的太阳能电板也给甩出来，导致卫星最终解体；另外，两个航天器也可能在太空相撞，这些情况都会产生大量的太空垃圾。比如说2009年2月苏联的一颗废弃卫星和美国的一个移动通讯卫星发生了碰撞，一下子产生了2300块太空垃圾。
还有很多小的垃圾，它们还会相互再撞，产生更多更小的垃圾，进而导致更多的碰撞，直到太空垃圾占满我们整个轨道空间。这样连绵不绝的相互碰撞，国际上称作“凯斯勒效应”。
所以从这里我们可以总结出，我们的航天事业发展了60年，虽然取得了很大的进步，但是也产生了1亿多块太空垃圾。
有人可能会问，太空这么大，太空垃圾是不是不会对我们人类造成大的影响？
首先我们要回答，这些太空垃圾位于什么位置？
太空垃圾目前主要集中在近地轨道和地球同步轨道上。近地轨道是指地球200公里以上、2000公里以下的轨道，我们的天宫二号、美国牵头建造的国际空间站就位于这个轨道；还有大多数对地观测卫星也在这个轨道上，为我们提供天气预报、资源监测及灾害预警等服务。
地球同步轨道距离地球表面3万6千公里左右，这个轨道上卫星的轨道周期与地球的自转周期相同。卫星转一圈是24小时，而我们地球自转也是24小时，这样能够保持卫星与地球的同步。比如我国的北斗导航卫星就在这个轨道上，能够为我们提供稳定的导航服务。
太空垃圾中90%分布在近地轨道，近地轨道太空垃圾如下图所示，轨道上布满了密密麻麻的太空垃圾，仿佛已经把地球覆盖住。近地轨道的太空垃圾由于受地球引力和大气阻力的作用，会逐渐轨道衰减，自行坠落到地球上。但轨道越高，衰减速度越慢，有的需要数百年才能落回地球。
由于近地轨道空间的不断开发利用，太空垃圾增长非常快，已累积到2700吨，约为1800辆小轿车的重量，而每年落回地球的太空垃圾只有几十吨。太空垃圾减少的速度远远赶不上增加的速度，导致每年近地轨道太空垃圾净增长5%左右。照这个速度，近地轨道中太空垃圾的数量每15年就会翻一番。
近地轨道上这么多的太空垃圾，很容易与航天器发生碰撞，可能造成航天器的重大损伤或解体。近地轨道太空垃圾与航天器的相对速度大约10千米/秒，大约是高铁速度的100倍，在这么高的速度下，一个子弹大的太空垃圾撞击航天器时，其毁伤作用相当于子弹的100倍，很容易击穿航天器。如果是大碎片撞击，可能直接导致航天器四分五裂。比如电影《地心引力》中，太空垃圾就将航天飞机撞得旋转个不停。
我这里有一个实物，是一块来自小行星的太空陨石，它在太空遨游了数百万年甚至更长，现在落在了地球上。这么大的一块陨石，如果以10千米/秒的速度撞上空间站，可想而知空间站的下场如何，我们的航天员能否活着回来都是个问题。
近地轨道的太空垃圾如果与某个应用卫星相撞，可能会对我们的生活造成影响，比如太空垃圾与某气象卫星相撞，会造成一大片区域无法进行天气预报，即使明天要下冰雹，我们也不知道要带伞。
地球同步轨道的太空垃圾受地球引力很小，逐渐轨道衰减回到地球可能需要花费几百万年的时间，因此它们会长期滞留在轨道上，这样位于地球同步轨道的太空垃圾就会持续增加。但是与近地轨道相比，地球同步轨道的太空垃圾还是相对较少，且同步轨道空间巨大，不易与在轨运行的卫星相撞。
不过，它们一旦与这个轨道上的卫星(如导航卫星或通信卫星)相撞，可能使一个地区的导航无法使用或者手机通信中断，严重影响我们的生活。我想大家可能会有这样的经历，当我们开车去一个陌生的地方时，一旦途中碰到GPS导航信号差、或者手机没有信号，在前不着村、后不着店的地方，简直是叫天天不应、叫地地不灵。
随着航天技术的快速发展，人类的太空活动越来越频繁，发射的卫星数量加倍增长，太空垃圾增长的速度也非常惊人。下面我们来看一下1960年以来太空垃圾的演变过程。
由上图可以看出，随着空间开发活动的增多，1960年清洁的太空到2010年变成了垃圾遍布的轨道空间，在这期间太空垃圾的数量几乎呈几何级数的增长。我们可以想象一下，在不远的将来，如2200年，太空垃圾有可能会将地球完全包围，我们将无法向太空发射任何新的航天器。
航天之父齐奥尔克夫斯基说过，地球是人类的摇篮，但人类不会永远被束缚在摇篮里。我们可以想象，如果未来地球周围遍布太空垃圾，人类的确将可能永远被束缚在摇篮里。到那时，太空垃圾与卫星相撞的概率将会非常大，我们的应用卫星将可能遭到完全破坏。大家可以想想，如果出门没有GPS导航、手机无法通信、天气不能预报，这是不是会让我们回到原始社会？
在这种情况下，对于太空垃圾，我们可以怎么办呢？
太空垃圾的长期存在和增长，对我们的太空活动造成巨大威胁，必须采取手段和措施以解决这个问题。
这些手段中，首先是太空垃圾规避，也就是躲避。
比如美国就建立了太空监视网，通过部署于全球的地面雷达和光学望远镜，对较大的太空垃圾进行探测和跟踪，能够对近地轨道10厘米以上和地球同步轨道0.5米以上的太空垃圾进行预警。当他们对在轨航天器有撞击威胁时，可以控制航天器进行轨道机动以躲避撞击。目前每年国际空间站都会进行几次轨道机动以躲避太空垃圾。
第二是太空垃圾防护。
对于毫米级的微小太空垃圾可以采用必要的防护手段，比如采用下图中的多层防护结构，通过多层缓冲逐步减弱太空碎片的撞击力。国际空间站就安装了大量的防护结构以对抗太空垃圾撞击，以降低对空间站和航天员的危害。
第三是太空垃圾减缓，也就是如何使我们的航天活动减少产生太空垃圾。目前主要有以下办法：
一是在航天器寿命结束时，通过控制离轨使其坠入地球大气层烧毁，或向上推送入坟墓轨道。坟墓轨道类似于我们的垃圾填埋场，这个轨道长期无人使用，卫星放在那儿不会对我们造成什么影响。
对于近地轨道的卫星，在快接近寿命结束时提前控制它离轨，使其坠落入大气层烧毁，不要等到燃料耗尽了等它慢慢轨道衰减，那样一方面是卫星掉的很慢，另一方面残骸可能会掉在有人生活的地方；而对于地球同步轨道的卫星，则留一部分燃料将它推进至高于轨道300公里以上的坟墓轨道。
二是发展可重复使用火箭，尽量将火箭的大部分回收，包括一级、二级火箭和整流罩等。例如美国SpaceX公司等已成功实现一级火箭的回收，不仅可以减少太空垃圾，还可以降低发射成本。2018年2月，SpaceX成功发射猎鹰9号火箭并尝试使用回收船进行整流罩回收，虽然以几百米误差宣告失败，但我们相信，有志者事竟成，马斯克(SpaceX公司CEO)未来一定可以成功。
最后是太空垃圾清除，也就是将现有的太空垃圾通过各种技术手段进行回收或使其离轨等。
而对于如何清除太空垃圾，人们想出了各种非常有趣的想法：
例如，我们可以建造大型太空拖船，类似我们的垃圾回收车，走到哪儿收到哪儿，利用各种工具，将经过的太空垃圾捕获并回收；还有一种想法是研制专用机械臂，对废弃的卫星进行抓取，不过由于卫星形状不规则且常常在转动，抓取有一定技术难度。另外，空中客车公司研发了一种太空鱼叉，用于清除一颗失效的地球观测卫星Envisat。抓不住它就直接用“鱼叉”插进去拖走，这似乎是一种可行的办法。
2015年，欧洲航天局成功试验了利用太空渔网捕获太空垃圾的技术，渔网对于捕获不规则形状的物体很有效，这个办法非常实用，未来有望获得广泛应用。
另外，我国有科学家在研究，用回收船通过导电的绳子连接废弃的卫星，并通过绳子给卫星充电，然后由带电的绳子切割地球磁场的磁力线产生的拖力，使卫星轨道下降，从而实现离轨。由于近地轨道地球磁场较强，因此这个方法对于近地轨道上的卫星清除应该很有用。
当然，人们还提出了其他各种各样脑洞大开的想法，并积极开展地面试验，如用强激光烧掉空间碎片等。爱因斯坦曾经说过，想象力比知识更重要。由太空垃圾的清除办法可以看出，科技的发展不仅仅依靠技术的进步，更要依靠人类想象力的提升。
下面我对前面提到的三个问题进行简要总结，一是人类每年仅向太空发射数百个航天器，却产生数以亿计的太空垃圾；二是日益增长的太空垃圾将可能对我们的日常生活带来重大影响；三是对于太空垃圾，一方面要采取必要措施减少航天活动中太空垃圾的产生，另一方面更要不断提升我们的想象力，想出更高效、成本更低的方法去清除大量太空垃圾。
太空垃圾的治理不是一个国家的问题，而是人类共同的问题。太空是我们共同的家园，我相信，在不远的未来，我们进入太空旅游将像在国内旅游一样方便，甚至可以随时移民到另一个星球。正因为如此，我们才要更加珍惜我们的太空环境，要治理日益增长的太空垃圾，让我们走向太空的道路更加通畅，让我们未来的太空家园更加清洁，让我们的子孙后代生活得更加美好。
我想，现在是时候来处理太空垃圾问题了!
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