地球已经被太空垃圾覆盖了？
太空精酿（代尔夫特理工大学在读博士）
在不同的时代，人类总有不同的困扰。波澜壮阔的航天时代也不例外，其中最让人头疼的莫过于太空垃圾。
是的，我们把绕地球飞行的无用处的人造物体统一叫做太空垃圾。
让开！我密恐要犯了......
太空垃圾都是什么？
（1） 航天发射活动中抛弃的多余负重
几乎所有的航天活动都依赖航天发射，在发射中随着燃料的消耗，火箭会将多余的负重逐渐抛弃，比如火箭第一级、助推器、载人火箭的逃逸塔和整流罩，它们都会落回地球。Space-X赖以成名的火箭回收绝技就是针对第一级的。而火箭的第二级、上面级等残骸和未烧完的燃料都将进入轨道，在发射的短短10分钟后就将变成太空垃圾。
唉，这真是同箭不同命啊。
（2）寿终正寝的卫星们
进入轨道的卫星们也有着自己的寿命，最长的通讯卫星也不过10-15年寿命，一旦寿命结束，就留在轨道成为太空垃圾，而且由于燃料使用完毕，会处于完全失控状态。
（3）太空垃圾碰撞出的新太空垃圾
更恐怖的是，太空垃圾的产生是会逐渐加速的，它们彼此之间还会在轨道发生碰撞，可能比几何级数增长更加夸张。
图 铱星33和Cosmos 2251在碰撞前和碰撞后四个月的垃圾碎片分布图
2009年2月10日，铱星系统第33星和俄罗斯Cosmos 2251两颗卫星发生了碰撞，在短短几个月之内，两颗卫星碰撞产生的垃圾几乎覆盖了它们曾经所在的轨道，这些垃圾还有不断碰撞的可能，情况非常不乐观。
这让我想起了古文《愚公移山》，“虽我之死，有子存焉；子又生孙，孙又生子；子又有子，子又有孙；子子孙孙无穷匮也”……可怕。
（4）可怕的导弹反卫星实验
不过，可怕的不只有太空垃圾的碰撞。同样的道理，用导弹攻击卫星也是产生太空垃圾的一个重要原因。由于导弹会有目的性地在一个位置爆破，产生的影响要远远超过卫星的碰撞。
目前只有苏联、美国和中国进行过导弹反卫星实验，每次实验都是太空垃圾研究专家们的一场噩梦。
太空垃圾可能产生哪些危害？
图 美国洲际导弹防御系统雷达网覆盖图
目前，监测太空垃圾最大的信息库来自美国的洲际导弹防御系统雷达网。
这些超大相控阵雷达（动辄像足球场那么大），最主要是为了防御曾经来自苏联、古巴（导弹危机）的弹道导弹。冷战之后，这个雷达网依然在发挥作用，现在多了一条军民两用的功能：监控太空中的各种垃圾和卫星。他们的信息是最权威的，而且都对外公开。
图 太空垃圾增长速度图，可以看出每次的数量剧增基本都来自卫星碰撞和反卫星实验
根据这些检测数据，太空垃圾的现状不容乐观。
目前估计，绕地飞行的直径小于1厘米的垃圾有1.7亿个，1-10厘米直径大小的垃圾则有67万个，更大直径的垃圾有2.9万个。
更加恐怖的是，这些太空垃圾还在不断发生撞击，如果不加控制，数量会继续疯狂增长，它们带来的影响是致命的。
要知道，绝大部分垃圾分布在低于500公里的近地轨道上，它们的飞行速度普遍在7000米/秒以上，是狙击步枪子弹速度的7倍左右。在这种强大动能面前，一个最小的碎片和一个较大的卫星造成的杀伤力都会很大。
值得庆幸的是，恰恰因为最多的（80%）太空垃圾分布在靠近地面的轨道，这里极其微弱的空气阻力会将它们缓慢拖入地球大气烧毁。
地球大气是人类最后一道屏障，它烧掉了99%以上的星际尘埃、陨石和太空垃圾，保护了地球上亿万计生命的安全。迄今为止，地球上还从未发生过因太空垃圾坠落地球而直接伤人的事件。
然而，还有一些分布在更高轨道的太空垃圾，这些垃圾基本上就很难被销毁了。
特别对于处在地球上空35786公里高的地球静止轨道，这里聚集了人类几乎所有的通讯卫星，它们也产生了很多卫星垃圾。由于这个高度实在太高，完全没有空气阻力的影响，这些太空垃圾一旦产生，恐怕千万年后都不会消失。
而这条轨道又是唯一且最宝贵的轨道，因为只有它同时满足了在赤道上空（0度轨道倾角）和35786公里的轨道高度两个条件，能满足与地球自转相同的24小时轨道周期，实现同步/相对静止。
这样看来，这条轨道是不可替代的稀缺的轨道资源。因此全世界都在抢发这个轨道上的通讯卫星以占住资源（国际原则是先发先占），但这条轨道目前已经深受太空垃圾的影响。
图 国际空间站的Cupola观景台和裂纹放大图
2016年4月，一块极小的太空垃圾碎片击中了国际空间站上的Cupola对地观景台玻璃，造成了一个直径7毫米的裂纹。在国际空间站20年的运行时间里，由太空垃圾造成的伤痕可谓时有发生，但这一次真是让人捏了一把汗，因为谁也不知道，如果真出事的话，结局会如何。
由于近地轨道充斥着太空垃圾，人类发射最多的近地轨道/低轨卫星也深受其害，虽然地面会每天更新信息，提醒有威胁的太空垃圾所处的位置，但为了规避它们，这些卫星也是苦不堪言。为了躲避，这些卫星不得不提前消耗宝贵的燃料，这直接影响了它们的寿命和科学数据。
图 笔者研究的Swarm卫星两年内经历了12次大的轨道机动，以防止两颗卫星彼此以及和太空垃圾相撞
随着商业航天的发展，目前Planet labs、Space-X、OneWeb都提出了在几年内建立数千颗的商业卫星组网方案，这些卫星总数可以轻松超过人类过去60年来发射的卫星数量的总和。
当然，这也会大大增加太空垃圾的数量，如果不加以控制而放任太空垃圾随意增长，在可以想象的将来，地球将被太空垃圾所覆盖，恐怕任何发射的航天任务都将面临重大威胁。
如何移除太空垃圾？
正因如此，目前有很多关于太空垃圾移除方式的研究。
（1）自然移除
太阳11年的活动周期是影响低轨太空垃圾的重要原因。当太阳活动很强时，它们更容易被空气拖回地球销毁，但这毕竟是自然条件，人类无法干涉。
（2）人为移除
人为方面，目前有专家提出了很多种方案。
比如，采用再一次航天发射的方式将一个乃至很多小型推进装置安装到废弃的大型卫星上，再将它们推回大气销毁；
也有采用安装太阳反射帆的方式，让太阳风将它们逐渐吹离轨道甚至吹入大气。
还有一种更为有效且已经被验证的方案就是直接捕获太空垃圾。
图 STS-51-A任务的宇航员Dale Gardner抓住了Westar 6卫星
1984年年初的航天飞机STS-41-B任务中，因为火箭的上面级没有正常工作，美国西联汇款公司（Western Union）的Westar 6和另一颗印尼订购卫星入轨失败，成为太空垃圾。而在随后11月的的STS-51-A任务中时，航天飞机在返回地球之前，飞到这两颗卫星附近，由宇航员使用载人机动系统飞到它们附近将它们抓住，最后装入航天飞机送回地球。
后来Westar 6在检修后卖给香港亚洲卫星控股公司，成为大名鼎鼎的亚洲一号卫星，由长征三号火箭发射，这也是我国火箭第一次进行国际商业航天发射。这就是最典型的变废为宝了。
当然，还有更简单的方案，就是采用“撒网捕鱼”的方式将卫星捕获，但这种方式也是返回大气销毁，无法再次回收了。
不过，上述移除方法都只针对近地轨道的太空垃圾有效，而对高轨尤其是静止轨道却毫无办法。因为它的高度实在太高，移除它们的造价和技术难度远大于想象。但如果不移除，宝贵的地球静止轨道资源（仅有一条）会被挤占，这更是无法接受的。
（3）自我移除
目前，最好的解决方案是治本，换句话说，从一开始，就杜绝卫星成为太空垃圾的可能。在卫星和火箭设计时，就留有一定余量，让它们携带足够的燃料，在卫星接近寿命终点时，采用最后的动力，全力以赴脱离宝贵的地球静止轨道，滑入深空。这个方法也适用于近地轨道。
从理论上讲，这种方案是性价比最高也最治本的方案，因此国际上一直在努力推动所有卫星在发射时都留有动力的冗余设计。因为只有这样，才会有人类航天可持续发展的未来。
最后，为大家附上所有工作状态卫星和太空垃圾监测的可视化网站www.stuffin.space。
本文由科普中国融合创作出品，代尔夫特理工大学在读博士太空精酿制作，中国科学院计算机网络信息中心监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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