大約兩周前，正在國(guó)際空間站中熟睡的宇航員突然被地面控制中心叫醒。匆忙地穿好艙內(nèi)宇航服，他們按照安全程序進(jìn)入避難所，并關(guān)閉了一些重要的艙門(mén)。在此之前不久，一枚反衛(wèi)星導(dǎo)彈從俄羅斯 一處發(fā)射場(chǎng)升空，幾分鐘之后，它攔截了已經(jīng)報(bào)廢數(shù)十年的俄羅斯衛(wèi)星Kosmos 1408。

相撞產(chǎn)生了超過(guò)1500塊可追蹤的衛(wèi)星碎片，但難以被追蹤的，預(yù)計(jì)有數(shù)十萬(wàn)塊。事后，太空軟件公司AGI 制作了一張GIF，模擬出Kosmos 1408如何瞬間成為彌散于近地軌道的“碎片星云”。

AGI模擬GIF丨AGI

這些解體之后的碎片分散于距地面300-700千米的空間軌道之間，其中有碎片在掠過(guò)國(guó)際空間站時(shí)只相差40公里的距離，駐站的七名宇航員逃過(guò)一劫。

一旦事故降臨，后果可以參考一部太空災(zāi)難片《地心引力》。若空間站遭到碎片損壞，機(jī)組人員幾乎要同電影里一樣，緊急脫離空間站，搭乘聯(lián)盟MS-19或載人龍飛船返回地球。

“令人發(fā)指”、“不合情理”，NASA局長(zhǎng)比爾·納爾遜在媒體鏡頭面前指責(zé)這場(chǎng)由俄羅斯軍方主導(dǎo)的試驗(yàn)。國(guó)際空間站這次勉強(qiáng)“幸運(yùn)”脫險(xiǎn)，但太空碎片帶來(lái)的影響和危機(jī)從來(lái)都是長(zhǎng)尾的。就在此一周之前，國(guó)際空間站剛剛進(jìn)行了一次緊急變軌操作——多臺(tái)推進(jìn)器噴發(fā)6分鐘，將運(yùn)行軌道提高1.1公里，為了躲避早在十四年前被摧毀的另一顆氣象衛(wèi)星的碎片。

衛(wèi)星專家Jonathan McDowell認(rèn)為Kosmos 1408的解體很可能已經(jīng)按下了下一個(gè)“危險(xiǎn)開(kāi)關(guān)”。當(dāng)然，空間站和宇航員都在學(xué)著與越來(lái)越“不安全”的太空環(huán)境相處。

前提是，它能夠預(yù)測(cè)危險(xiǎn)什么時(shí)候到來(lái)。

我們的頭頂布滿垃圾

還得從當(dāng)年美蘇太空爭(zhēng)霸說(shuō)起。1961年，加加林從太空俯瞰地球，深受刺激的肯尼迪撂下狠話，十年內(nèi)搶跑蘇聯(lián)登月。在此之前，近地太空軌道上游蕩的人造物體數(shù)量不過(guò)50余個(gè)。

從六十年到到八十年代，蘇聯(lián)和美國(guó)輪番進(jìn)行反衛(wèi)星試驗(yàn)。不到二十年的時(shí)間里，僅前蘇聯(lián)一方，20次試驗(yàn)就產(chǎn)生了700個(gè)被記載的碎片（殘?。?。如此頻繁的爆炸試驗(yàn)，引起國(guó)際范圍內(nèi)的譴責(zé)。接下來(lái)的日子里，反衛(wèi)星試驗(yàn)終于消停下來(lái)。但人們又發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星之間會(huì)意外相撞，因此產(chǎn)生的太空碎片風(fēng)險(xiǎn)同樣嚴(yán)峻。

太空碎片形成丨Giphy

首次有記載的衛(wèi)星發(fā)生相撞發(fā)生在1991年。退役的俄羅斯導(dǎo)航衛(wèi)星Cosmos 1934被其姊妹衛(wèi)星 Cosmos 926的一塊碎片撞成兩半——這屬于碰撞事件中的“安靜”版本了。更激烈的一次發(fā)生在2009年，美國(guó)通信衛(wèi)星銥星33（Iridium 33）與退役的俄羅斯衛(wèi)星Cosmos 2251相撞，一年之內(nèi)識(shí)別出來(lái)的碎片數(shù)就多達(dá)1740——這是人造衛(wèi)星間首次超高速碰撞，碰撞速度達(dá)到11.7千米/秒。

在此次衛(wèi)星相撞之后，太空垃圾數(shù)量也迎來(lái)一次“高峰”。緊接著，由聯(lián)合國(guó)外空委通過(guò)的《空間碎片減緩指南》強(qiáng)調(diào)了幾點(diǎn)履行原則：入軌的航天器在任務(wù)完成之后不能在LEO（近地軌道）長(zhǎng)期停留，離軌墜落大氣層時(shí)也得避免傷到人；以及如果航天器在GEO（地球同步軌道）附近，防止未來(lái)爆炸產(chǎn)生影響的方式是在退役之后把它推入更高的“墓地軌道（Graveyard Orbit）”。

最多的太空垃圾分布在近地軌道。由于地心引力和空氣阻力，500公里高度以下的太空垃圾更加容易自然墜入大氣層并在墜落過(guò)程中燒毀。而在通信衛(wèi)星聚集的地球靜止同步軌道上，因?yàn)橥瑫r(shí)滿足0度軌道傾角和3.6萬(wàn)公里的軌道高度，實(shí)現(xiàn)與地球相對(duì)靜止，在此的太空垃圾一旦產(chǎn)生，“自然消失”會(huì)異常困難，再高于此50公里的“墓地軌道”會(huì)成為這部分太空垃圾的最終歸宿。

用“空曠”形容空間軌道早已不再適合。根據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)，截止到2016年7月，運(yùn)行中的衛(wèi)星數(shù)量有1419顆，三年之后，這個(gè)數(shù)字增長(zhǎng)到2218。然而，與之一起增長(zhǎng)的還有火箭二級(jí)、航天器碎片、報(bào)廢衛(wèi)星，和航天員不小心扔掉的工作生活垃圾等等。游蕩在我們頭頂上可被追蹤的人造物體，從18000個(gè)增長(zhǎng)到20000個(gè)（被記載的）。

航天器解體到成為太空垃圾丨Giphy

而近年來(lái)的商業(yè)航天發(fā)展加劇了又一次加劇了“擁堵”。

并不是所有的天文學(xué)家都在贊美伊隆·馬斯克把火箭發(fā)射的成本打下一個(gè)數(shù)量級(jí)。令他們更加夜不能寐的是馬斯克的“星鏈（Starlink）”——最終可能多達(dá)4.2萬(wàn)顆，遍布于330至1300公里范圍內(nèi)的不同高度軌道上的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)衛(wèi)星群。這幾年，馬斯克已經(jīng)把1892顆衛(wèi)星送上太空，超過(guò)了星鏈之前，太空中所有在運(yùn)行的人造衛(wèi)星數(shù)量。更何況在早期的發(fā)射中，McDowell統(tǒng)計(jì)星鏈衛(wèi)星的報(bào)廢比例有3%。

今年4月，SpaceX 執(zhí)行第二次商業(yè)載人發(fā)射時(shí)，即將入睡的四名宇航員猛地被叫醒，他們被告知：龍飛船即將與一塊太空碎片相撞。還好在之后從地面控制中心傳來(lái)了“成功錯(cuò)開(kāi)”的信號(hào)。

靠預(yù)警解決不了一切，因?yàn)橛行┨账槠〉剑w到眼前，都來(lái)不及反應(yīng)。

美國(guó)國(guó)防部有一份目錄，記載了能被 SSN（空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)）追蹤到的，直徑大于10cm的太空垃圾有27000個(gè)；預(yù)估1-10cm之間的垃圾數(shù)量約為50萬(wàn)個(gè)；1mm-1cm超過(guò)1億。10cm是一個(gè)分界值，對(duì)于比這大的太空垃圾，做匯合和碰撞評(píng)估才是有效的。

越來(lái)越擁擠的空間軌道丨Giphy

無(wú)法被追蹤的“小垃圾”擁有更大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。60年代，科學(xué)家們發(fā)明了“輕氣槍”（Light-Gas Gun）——一種模擬軌道速度的裝置。當(dāng)一個(gè)重量只有7克，由聚碳酸酯制成的拋射物，以7公里/秒與鋁塊相撞時(shí)，立即“炸”出一個(gè)比自身尺寸寬五倍、深五倍的坑。

因?yàn)槟切└径悴婚_(kāi)的太空垃圾，國(guó)際空間站套上了一層惠普爾防護(hù)罩（Whipple Shield）——天文學(xué)家Fred Lawrence Whipple在上個(gè)世紀(jì)40年代發(fā)明了這種航天器超高速撞擊防護(hù)結(jié)構(gòu)。

據(jù)前空間站指揮官Chris Hadfield描述，“如果你靜靜地呆在空間站里，雖然不是每天都能聽(tīng)見(jiàn)’砰砰’的撞擊聲，但也挺常見(jiàn)的?！盚adfield 曾經(jīng)在自己推特上發(fā)布一張照片，顯示空間站太陽(yáng)能電池板出現(xiàn)了一個(gè)小洞，很有可能由微小尺寸的“太空垃圾”造成。

Chris Hadfield所說(shuō)的Bullet hole丨Twitter

收垃圾的人

銥星33和Cosmos 2251“相遇”的四個(gè)月后，“激情碰撞”產(chǎn)生的碎片幾乎覆蓋了它們?cè)?jīng)所在的全部軌道。人們才又一次開(kāi)始正視Donald Kessler在1978年提出的理論假設(shè)——當(dāng)近地軌道運(yùn)轉(zhuǎn)物體的密度達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)，一次碰撞形成的碎片可能造成更多碰撞，形成級(jí)聯(lián)效應(yīng)，一旦發(fā)生，地球軌道將被垃圾覆蓋填滿，可能導(dǎo)致人類在接下來(lái)數(shù)百年內(nèi)無(wú)法進(jìn)行正常的太空探索。

讓事情變得嚴(yán)重還有另外一個(gè)原因。此類太空垃圾能夠被“自然消化”的比例遠(yuǎn)低于人們的想象。在2007年發(fā)生的一次反衛(wèi)星試驗(yàn)之后，2010年尤其產(chǎn)生的碎片增加到2800個(gè)，2014年超過(guò)3000個(gè)，然而其中只有不到10%自然脫軌燒毀。

就像飛速行駛在一條不斷有車(chē)輛插入，且愈發(fā)擁擠的高速公路上。制造問(wèn)題的人在變多，好在解決問(wèn)題的人也開(kāi)始出現(xiàn)。

蘋(píng)果公司聯(lián)合創(chuàng)始人Steve Wozniak在今年宣布了自己的新創(chuàng)業(yè)公司 Privateer Space， 在被問(wèn)到為什么要?jiǎng)?chuàng)辦一家“太空公司”時(shí)，他說(shuō)：太空越來(lái)越擁擠了，像SpaceX他們發(fā)衛(wèi)星時(shí)，也許就會(huì)想問(wèn)我們要一張?zhí)盏摹癎oogle Map”。

勘測(cè)和繪制“太空地圖”是更加有效清理和監(jiān)測(cè)的第一步。Privateer已經(jīng)獲得兩次發(fā)射的批準(zhǔn)，順利的話，將在2022年2月和4月分別執(zhí)行。Privateer采用3D打印工藝來(lái)制作衛(wèi)星的底盤(pán)，使用強(qiáng)度和重量比優(yōu)秀的鈦合金來(lái)制作底盤(pán)。這可以使衛(wèi)星攜帶更重的傳感器、電池等設(shè)備。Privateer 希望首先知道我們究竟有多少太空垃圾需要清理，以及它們都在哪。

Wozniak 尚未公布最終的“技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線”，但是Privateer已經(jīng)開(kāi)始了與另一家太空垃圾清理公司Astroscale的合作。今年3月，Astroscale的“技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星”ELSA-d帶著180公斤的捕捉器和20公斤的模擬太空垃圾在拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射。

Astroscale演示丨Astroscale官網(wǎng)

太空垃圾處于不斷旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，且無(wú)法與之通信。捕捉器配備了光學(xué)傳感儀，具備搜索、追蹤定位和檢查功能，模擬太空垃圾附帶磁對(duì)接部件——最終將要驗(yàn)證的是，當(dāng)捕捉器和模擬垃圾相距很遠(yuǎn)時(shí)，前者是否能夠找準(zhǔn)時(shí)機(jī)吸附，并將后者拖入大氣層燃燒。

今年11月，《自然》雜志發(fā)表了由美國(guó)猶他大學(xué)教授Jake J. Abbott 帶隊(duì)發(fā)明的一項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方式與Astroscale的方案類似——用旋轉(zhuǎn)磁鐵移動(dòng)非磁化金屬體。當(dāng)金屬碎片受到一個(gè)變化的磁場(chǎng)時(shí)，內(nèi)部電子會(huì)進(jìn)行環(huán)狀運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生扭矩和力。Abbott表示，旋轉(zhuǎn)磁鐵方案可以規(guī)避接觸式機(jī)械臂方案的一個(gè)缺陷——如果太空垃圾轉(zhuǎn)速過(guò)快，或者失去控制，將會(huì)折斷機(jī)械臂，產(chǎn)生更多碎片。

與日本 Astroscale 發(fā)射時(shí)間相差不到一個(gè)月，中國(guó)一家名為“起源太空”的商業(yè)太空公司，發(fā)射了“太空采礦機(jī)器人”，并稱其回收技術(shù)也可用于太空垃圾清理。根據(jù)其宣傳視頻，這種清理方式就像“漁網(wǎng)捕魚(yú)”。JAXA（日本宇航局）用過(guò)類似方法。2016年，一條長(zhǎng)700米，由不銹鋼和鋁制成的“漁網(wǎng)”搭乘去往國(guó)際空間站的貨運(yùn)飛船升空，待飛船返回地球時(shí)將其釋放，通過(guò)電磁效應(yīng)迫使太空碎片的移動(dòng)速度變緩，從而足以墜入大氣層——結(jié)果任務(wù)因?yàn)獒尫畔到y(tǒng)失靈告敗。

在《機(jī)器人總動(dòng)員》中，瓦力和伊娃乘坐飛船沖出地球時(shí)，必須鉆出一層厚厚的太空垃圾這樣的景象距離我們并不那么遙遠(yuǎn)。因此即便所有相關(guān)公司的業(yè)務(wù)進(jìn)展都還在驗(yàn)證階段，政府機(jī)構(gòu)已經(jīng)迫不及待地開(kāi)始派發(fā)訂單了。

歐空局把第一份太空垃圾清理訂單（1.02億美元）給了ClearSpace，清理2013年運(yùn)載火箭“織女星”發(fā)射衛(wèi)星時(shí)留在太空的衛(wèi)星支架。ClearSpace將在2025年發(fā)射航天器，在800km的地球軌道上，機(jī)械臂將捕捉支架，拽入大氣層后一同燒毀。

ClearSpace任務(wù)丨wikipedia

而在另一部分“保守派”眼中，主動(dòng)干預(yù)不是好的解決辦法。根據(jù)被認(rèn)證為錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室副研究員的知乎用戶@ZX Huo粗略的計(jì)算，一顆衛(wèi)星平均要“游蕩”1000年，才有機(jī)會(huì)撞上一次10cm級(jí)的空間碎片。雖然這是五年前的數(shù)據(jù)，即便放在今天，航天器在正常壽命內(nèi)撞上空間碎片的概率也極其之小。

保守派擔(dān)心：如果為了清理垃圾，而發(fā)衛(wèi)星，結(jié)果可能造成更多額外的垃圾。“嚴(yán)密監(jiān)控、提前預(yù)警、相互避讓”在他們看來(lái)，是目前不添加額外負(fù)擔(dān)的最好辦法。歐空局每年都會(huì)“公告”，對(duì)沒(méi)有嘗試進(jìn)入、失敗進(jìn)入墓地軌道的衛(wèi)星進(jìn)行“通報(bào)批評(píng)”。

而保守派和行動(dòng)派繞不開(kāi)的共同問(wèn)題是，太空垃圾的清理進(jìn)程是緩慢的，而增速就是爆發(fā)式的。按照凱斯勒效應(yīng)的預(yù)估，總有一天，當(dāng)?shù)厍蜍壍郎系奈矬w足夠多時(shí)，災(zāi)難性的連鎖碰撞必將無(wú)法避免。

但是足夠多是多少，并沒(méi)有人確切知道。

參考文獻(xiàn)

[1]https://gizmodo.com/a-history-of-garbage-in-space-1572783046

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Space_debris

[3]https://www.zhihu.com/question/50794838

[4]https://marketresearchtelecast.com/steve-wozniaks-company-which-seeks-to-be-the-google-maps-of-space-will-launch-its-own-satellites-to-study-and-map-space-debris/207413/

[5]https://m.huxiu.com/article/356915.html?f=app_ios_friends

本文來(lái)自微信公眾號(hào) “果殼”（ID：Guokr42），作者：沈知涵，Steed對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)，編輯：臥蟲(chóng)，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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