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航天飞机时代已经结束,其航天器将被送往博物馆。阿波罗宇航员的深空探险早已成为过去,他们最后一次登月旅行也已过去将近40年。然而,今天的太空比以往任何时候都更加拥挤。
自从太空时代开始以来,轨道领域日益充斥着人类向天空努力的残骸——废弃的火箭助推器、报废的卫星、散落的硬件碎片。在过去的十年里,这些碎片堆积的速度如此之快,以至于它们已经成为对太空探索事业不可避免的威胁,而太空探索事业正是最初催生了它们。
数百万块直径五毫米及以上的碎片以高速群体的形式绕地球运行,每块碎片都蕴含着足以使卫星失效的动能。但更令人担忧的是对人类生命的威胁。今年 6 月,当一块碎片逼近国际空间站(ISS)几百米范围内时,国际空间站上的六名宇航员被警告在逃生舱中避难。在过去几年中,至少还有五次,当提前预测到碎片会近距离通过时,空间站已移出危险区域。
最近退役的航天飞机计划在上个月成功结束,没有发生致命的碎片撞击事件,但航天飞机宇航员在全部 135 次任务中面临的风险并非微不足道。典型的航天飞机飞行大约有 1/250 的机会与微流星体或更有可能与轨道碎片发生灾难性碰撞。(这些几率听起来可能并不令人过于担忧,但经过 10 次任务,累积风险会增长到 4%;经过 100 次任务,灾难风险会达到 33%。)无论 NASA 在未来几年选择哪种火箭和载人舱来接替航天飞机,都将面临碎片威胁。
美国现在正在采取初步措施,通过实施更好的跟踪系统来管理太空垃圾的威胁,但解决根本问题的方法还遥遥无期。实际上没有可行的方法可以从轨道上清除碎片,模拟显示,即使今天停止所有太空飞行活动,碎片数量实际上也会随着轨道物体之间的碰撞产生巨大的碎片云而随着时间的推移而增加。(有时太空垃圾确实会自行脱离轨道,但速度不足以耗尽碎片池。3 月,一个直径 75 厘米的金属球体,显然是 1 月发射的俄罗斯火箭的增压罐,出现在科罗拉多州。同月,一块 1.2 米长的 Delta 2 火箭发动机碎片,该发动机于 2003 年将一颗 GPS 卫星送入轨道,坠落在乌拉圭。早期的 GPS 发射导致自 2001 年以来发生了三起类似的碎片坠落事件,将重达 50 公斤的钛制卵形物倾泻在沙特阿拉伯、阿根廷和泰国。)
一场引人注目的轨道碰撞已经发生。2009 年,一颗报废的俄罗斯宇宙卫星撞上了一颗正在运行的铱星通信卫星;原本是两个完好无损的航天器变成了一片碎片云,其中包括大约 2000 块至少 10 厘米的碎片,这些碎片足够大,美国军方可以跟踪和编目。其中一块较大的碎片在 4 月份过于靠近国际空间站,迫使空间站操作员启动推进器进行避碰机动。
与其他任何太空时代历史事件相比,宇宙-铱星碰撞产生的编目轨道碎片都更多,除了2007 年的导弹试验,中国在导弹试验中有意摧毁了自己的一颗卫星。地球的轨道环境,特别是地球上方 700 至 1000 公里之间的区域,现在非常拥挤,据 NASA 约翰逊航天中心轨道碎片研究员 Jer-Chyi Liou 最近的一项分析预测,涉及碎片的碰撞每四到五年就会发生一次。
如果航天机构和卫星运营商能够更好地掌握轨道上有什么以及它将驶向何方,那么一些碰撞或许可以避免。美国空军正在计划一套名为“太空篱笆”的新雷达系统,该系统在 2017 年左右上线后,可以大幅增加受监测的轨道物体数量。美国军方已经编目了 16,000 多颗卫星和大型碎片,但“太空篱笆”系统将允许监测更小的物体。“我们非常有信心,在‘太空篱笆’初步运行能力后的几个月内,目录将增长十倍,”洛克希德·马丁公司“太空篱笆”项目主管约翰·莫尔斯说。洛克希德·马丁公司和雷神公司正在竞标该项目;每家公司都获得了一份价值 1.07 亿美元的空军合同,用于开发演示技术。空军将选择该项目的承包商,该项目可能耗资高达 61 亿美元,明年将做出选择。
按照计划,“太空篱笆”将包括位于南半球的两个雷达站,这将取代目前在美国九个地点运行的 20 世纪 60 年代的雷达系统。目前的雷达系统在 VHF 频段运行,而“太空篱笆”将使用波长更短的 S 波段雷达,这将为跟踪碎片提供更好的分辨率。雷神公司“太空篱笆”项目主管斯科特·斯彭斯说:“波长越小,物体越小。”斯彭斯说,目前的碎片目录可以追溯到大致垒球大小的物体,而“太空篱笆”的规划者“正在考虑跟踪低海拔地区高尔夫球或弹珠大小的物体,或高海拔地区垒球大小的物体。”
“太空篱笆”和一系列相关的较小规模的项目旨在提高军方所谓的“太空态势感知”能力。但是,这种感知能力何时才能发展为补救措施——清除轨道碎片——仍然不清楚。NASA 的 Liou 指出,从未有过主动碎片清除(ADR)原型系统的演示。一些为 ADR 提出的方案包括定向激光系统,将碎片推入大气层烧毁,或配备系绳或网的航天器,将碎片拖出轨道。不幸的是,这些想法本质上仍然是科幻小说。Liou 说:“目前,ADR 既没有经济上可行又没有技术上可行的解决方案。”2010 年的美国国家太空政策呼吁 NASA 和军方开展 ADR 方法的研发,但没有包括部署时间表。美国国家科学院计划于 9 月 1 日发布一份关于该问题的报告,其中包括对可以采取的限制卫星和太空任务风险的步骤的评估。
问题的规模和复杂性很可能需要重大的政府间合作,规模可能与建造国际空间站相当。考虑到太空垃圾本身是全球性的,这种合作将是恰如其分的——在目前轨道上的编目碎片中,37% 来自俄罗斯或苏联,29% 来自美国,28% 来自中国。2009 年的宇宙-铱星碰撞事件涉及一颗俄罗斯卫星和一颗美国公司拥有的卫星,这表明受污染的轨道环境的后果也将是国际性的。
幸运的是,轨道碎片尚未造成任何生命损失。但是,如果人类的太空探索在未来几年和几十年中继续快速发展,那么这只是时间问题。在悲剧发生之前,是否有任何航天国家能够调动资源来解决轨道上日益严重的问题,还有待观察。