互动科普

从人造地球到国际空间站的飞行，轨道上充斥着高技术的碎片，在外层空间产生了一个环境问题。

自从四十年前空间时代开始以来，火箭已将2万公吨的物质送进了轨道。今天仍有4500吨以约1万个“常驻空间物体”的形式留了下来，其中只有596是正在运行的太空飞行器。这些物体正是军用雷达与望远镜能够追踪的大的目标。太空飞行器操作员们越来越感兴趣的是数百万个较小的，无法跟踪的碎片，它们散布在整个靠近地球的空间范围内，距离地球表面从几百公里至4万公里(2.5万英里)不等。

如果地球的伴随物象围绕木星或土星的许多小型卫星一样运动，它们就会是一幅美丽的图画。巨大行星的光环被精致和谐地结合起来：它们的组分岩石与冰轨道的大部分都处在运转得很好的模式中，在它们之间发生速度很慢的碰撞但是地球的人造卫星就像蜂房周围生气的蜜蜂。似乎在各个方向上随机移动。卫星的布局密度是十分低的，以任何陆地上的标准来衡量，地球周围的区域仍然处在真空状态中。当物体偶然碰撞时，物团的不规则运动，导致产生非常高的相对速度。和一块直径一厘米大的卵石相碰就能够毁坏一个航天飞行器。甚至一个1毫米直径大的颗粒就能够破坏一次飞行任务。

地球外的废物有多种形式，失效的航天飞行器，废弃的火箭残体，与发射和飞行任务有关的遗弃物，人造卫星解体后的遗留物，固体燃料火箭排放气体，擦破的表面材料与甚至于来自泄漏的核反应堆的微滴。

虽然已有4800多个航天飞行器被送进轨道，但是大约只有2400个留在那里：其余的则重新进人地球的大气层。在残存的航天飞行器中，7596已经完成了它们的飞行任务，并且已被废弃了。大多数的质量为1公斤至20吨，虽然俄罗斯的Mir空间站己超过115吨。最古老也最小的卫星中的一颗是美国的第二颗人造卫星先锋一号，它是在1958年3月17日发射的，仅仅运行了6年。

除了发射太空飞行器外，大多数太空飞行任务也留下了一个或更多的空的火箭分级装置在轨道中。例如在1984年发射的日本气象卫星Himawari3号抛弃了3个分级装置：一个位于170至535公里飞行高度的低地球轨道上：一个靠近人造卫星，在35785公里处的地球同步轨道上的终点：一个在中间层，该中间层是一高度为175至36720公里的高度椭圆形的轨道。这些火箭中的两个后来先后落回到地球，一个是在1984年，另一个则在1994年。但是直到1998年，仍有大约1500个无用的上部分级装置盘旋在我们的头上。

在空间时代的头四分之一个世纪，航天飞行器的设计者们很少注意他们的设计所产生的环境影响。除了废弃的航天飞行器与剩余的火箭之外，小的部件经常被抛进空间。当人造卫星与发射它们的火箭分开时，会释放出爆炸的螺栓，坚固带材与弹簧。许多航天飞行器也会扔掉传感器盖或飞行姿态控制装置。一些俄国的飞行使命会在各个轨道上产生60个以上的不同物体。其中最大的一块废弃装置直径为4米，质量为300公斤，这也许是欧洲空间机构的SPELDA(Structure Porteus Externe Pour Lancements Doubles Ariane)的上半部分，SPELDA是一个用来发射多个人造卫星并带有一个阿里亚娜火箭的装置。

人类的太空航行也将垃圾扔到飞船外。在1965年，在双子星座4号的美国宇航员Edward White的第一次太空飞行期间，他丢失了一只手套：它以每小时28000公里的速度进人它自己的轨道，它可能是人类迄今为止织出的或戴过的最致命的一只手套。大多数以垃圾袋这样的形式存在的200多个物体，是Mir在轨道运行中的头十年从舱内扔出来的。幸运的是，因为星际航行员与宇航员是在从250公里至500公里的相当低的高度上沿轨道飞行，而他们错放的物体很快落进大气层烧毁。这一只著名的手套则在一个月内重返大气层。

驱散不是难以要做到的事情

较大的问题来自于较大飞行高度上的自动控制飞行器的飞行任务，碎片就分布在那些高度上。与飞行任务有关的垃圾已知的有1000多个物体。在它们中，有80个针块是在1963年5月作为美国国防部通信试验的一部分释放的。阳光施加的辐射压力本来将把这些微小的针——总共4亿颗推出轨道，但是散开机能失灵使它们结合在了一起，并且留在距离地球表面6000公里的轨道中。

目前大于0.1毫米的空间碎片的最大来源是瓦解的人造卫星与火箭。自从1961年以来，150个以上的人造地球卫星意外地或有意地破裂了或散开了，散布出大得足以被跟踪的1万多块碎片。对环境危害最大的碎裂是有燃料留在箭身表面的残余火箭箭身爆炸的结果。大概是由于残留的火箭推进剂的过量增压或点火引起的爆破在发射后快则几小时，迟则23年才发生，并且几乎每一种类型的助推器都是易损坏的。

在1994年发射的飞马座火箭的上部装置在1996年6月3日断裂了。在从250至2500公里高度的轨道中产生了有史以来最大的碎片，其中大得足以被跟踪的碎片有700多块(见下面的图解)。这一事件发生后，立刻使官方统计的哈勃太空望远镜发生碰撞的危险增加一倍，因为它就在下面25里处沿轨道运行。进一步的雷达观测揭示，估计有30万块碎片大于4毫米，它们大得足以损坏大多数太空飞行器。在1997年2月的第二次哈勃服务飞行任务期间，必须操纵太空飞船发现号避开飞马座火箭弹射到1.5公里内的一块碎片。宇航员们还发现哈勃装置上有一些坑，它的一根天线上有一个洞。它们显然是在l993年前，由于和太空碎片的一次碰撞引起的。

50个人造卫星构成了对太空特殊的威胁：它们载有在核反应堆或放射性同位索热电发生器使用的放射性材料。在1978年，一个叫做Soviet Kosmos954的核动力卫星意外地坠毁在加拿大北部，它载有30公斤浓缩铀。苏联的计划者们随后设计的太空飞行器则在它们的飞行任务结束时会弹射出其燃料芯子。如果它重返大气层，弹射出这种燃料可以使它烧毁，而不是以一块状物的形式和地面碰撞。

这一计划在1988年全部结束了，从那时起，再没有让核反应堆在轨道中运行。但是这个问题并没有完全解决。在1989年，由美国国家航空与航天局资助的一项试验期间，位于加州南部的喷气推进实验室的Goldstone雷达检测到一大片钠-钾微滴云(从较早发射的燃料芯泄漏出来的反应堆冷却剂)。麻省理工学院的Haystack雷达后来的观测证实有大量的钠-钾球体(大约7万个)存在，每个的直径约为1厘米，分布在反应堆与芯子被弃置的将近900公里的高度上。

小于0.1毫米的物体不像较大的碎片那样危险，但是它们加在一起的数量经常使航天飞行器受到较小的损害。数量最多的是固体火箭的排气，即使固体火箭的发动机运行良好，也可能产生数量非常大的微米尺寸的三氧化二铝微粒，以及厘米尺寸的熔渣。虽然在过去的10年内，在太空中使用的固体火箭发动机的数量有所下降，但是它们每年实际产生的碎片总数上升了，这是因为较重的、现代的航天飞行器需要较大的发动机，而这种发动机排出的废气更多。

在轨道中的小的粒体还来自航天飞行器材料长期的自然降解。数百万个颜料微粒现在飘散在近地空间，太空科学家们发现，成串的微小薄片伴随着如果不是大部分的话，也是许多的老化的太空飞行器与火箭箭身。(由于它们的相对轨道运动，这些成串的小薄片先于而不是跟随太空飞行器运动：当这些碎片落向地球时，它的速度也随之增加。大多数碎屑对于遥感装置来说是不可见的，但是来自热烟幕与碳基组份的碎片有时大得足以被检测如美国国家航空与航天局的背景探测者卫星莫明其妙地抛至少80个物体。

暴露的人造卫星

虽然一些未来主义者在60年代推测在轨道中的物体数目来越多，但是直到80年代初期，阱学惩罚当真出现时才提出这毯。早在1966年，美国国家航空与航天局就估量了人类的太空飞行会遇到这种轨道碰撞危险，但是这些估计只考虑了那些能够被跟踪的物体那时没有任何手段可以用来确定较小的粒体的数目。

较大块的太空碎片受到超级大国在冷战时期建立起来用以提防导弹攻击与敌人的间谍卫星的同一种跟踪系统的监测。美国的太空监视网与前苏联的太空监视系统保持了对大约l万个滞留的太空物体的公认的监测。50部雷达，光学的与电-光学的传感器每天平均收集15万个观测结果来跟踪这些物体。它们能够发现较低高度上的小至10厘米直径的碎片与同步高度上的一米直径的碎片。

碎片的空间密度随高度而定，密度的峰值在850、1000与1500里高度附近在这些高度上，平均值为每一百万立方公里一个物体。除了靠近半同步(2万公里高度处)与同步(3．6万公里高度处)的明显的高峰外，在1500公里以上的密度随高度增加而减少。在特殊轨道中的碎片群集现象反应各种系列的卫星与火箭的设计。因大的碎片来自于卫星，所以在卫星势必要去的地区其密度最大，从而增大了正在运转的太空飞行器可能遇到的危险。

直径小于10厘米的物体逃脱了卫星跟踪器的注意。它们对于望远镜来说是太模糊了，对于监视系统所用的雷达波长来说也太小了。直到1984年以前，这些较小的物体都未检测出来。从那时起，科学家们每年都要花上几百小时以统计学方法对天空取样来估计它们的数目。研究者们已经用上了科学雷达设备， Goldstone(一台德国造的射电望远镜)与一个设在波多黎各的巨大的Arecibo抛物面天线，它以双站模式——用一个抛物面天线来传输信号而在一个附近的天线上接受卫星反射波——来检测小至2毫米的物体。Haystack与Haystack辅助雷达是美国国家航空与航天局与国防部合作项目的一部分，它能够检测出几乎同样大小的物体。为了校准用来检测小碎片的传感器，太空飞船在1994与1995年采用了圆形与针形的特殊的检测目标。

为了研究更小的物体，研究人员必须检查宇航员已将其推进航天飞机的机舱并带回地球上的太空飞行器磨损了的表面。在1984年至1990年期间，美国国家航空与航天局的长期检查设施有意地把另一面部件转变成太空碎片，使之与它原来一样：它被数万个人造碎片，以及来自彗星与小行星的陨星群所轰击。安放的其它东西是欧洲的可回收运载火箭，日本的太空飞行装置，哈勃与太阳活动极限飞行任务的组件，当然还有航天飞机本身。由于航天飞机的有限范围，所有这些目标都局限于620公里以下的高度。对于比较高的高度，研究人员必须依靠理论模型。在较低高度上的小粒子在轨道中的寿命短，意味着它们大量蓄积在较高的高度上。

研究人员估计，在地球轨道中直径为1至10厘米间的物体总共有10万多个，直径为1毫米至1厘米的则有几千万个。在这些尺寸范围的与较大的人造物体在数量上远远超过自然陨星群。这些陨星群与轨道中的碎片数目在0．01至1．0毫米尺寸范围内是类似的：在很小的尺寸上，轨道中的碎片又占支配地位。

产生与消亡

过去20年来，被跟踪的人造卫星数目以每年大约递增175个的平均速率上升，总共增加了70％。增加的四分之一以上是由于人造卫星解体，其余的则可归因于新的飞行使命。自从1987年以来，进行航天发射的国家每年平均发射了120个新的太空飞行器。但是过去十年来，这种活动减少了。它的高峰是在1984年，当时有129次飞行任务，在1996年骤然跌落至73次飞行任务，是1963年以来的最低数字。去年发射率又跳回到86次，主要是因为发射了10次新的通讯卫星星座(Iridium与 Orbcom)。

总的减少中的大部分发生在前苏联。俄罗斯在1997年有28次太空飞行使命：21次为国内用途，7次用于国外商业公司。10年前，苏联发射了95次飞行使命，所有的都是用于支持国内计划。由于俄罗斯太空活动的收缩主要影响了低高度上的飞行，但是对长期卫星的数量影响却很小。

在等式的另一边，运动的三种趋势使人造卫星迁移。人造卫星操作人员能够有准备地指引他们的太空飞行器进人大气层：航天飞机可以将人造卫星拉出轨道：人造卫星的轨道可以自然地盘旋下降。头两种运动虽有帮助，但总的来说作用很小，因为它们仅仅适用于低轨道中的物体，而它们无论如何是会自然迁移的。

第3种趋势——自然的轨道消失——施加净化原动力。虽然我们通常把外层空间看成是没有空气的，地球的大气实际上很慢地渐趋消失，在低的地球轨道上仍有足够的空气阻力对很快运动的太空飞行器产生摩擦。这种阻力是自己增强的：当人造卫星失去能量以克服阻力时，它们向内落下并加速，从而使阻力增加，使它们更快地失去能量。最后，人造卫星进入大气层中的较稠密部份，部分烧毁或整个处在一道火光中。

这种自然消失在600公里高度下更为明显，但是在高至1500公里处也是可以识别出的。在较低的高度上，人造卫星仅仅持续几年，除非它们点燃其火箭来抵偿所遇到的阻力。在太阳发出较高能量期间(11年复现一次)，地球的大气层接受更高的热量得以膨胀，从而使大气层的阻力增加。在1989—1990年的最近一次太阳峰年发生前后，目录中记录的人造卫星落回到地球的数目是前所未有的——一天三次，3乘平均速率——这最终导致在一年的时间里从轨道中除去560吨以上的物质。Salyut 7是和平号空间站的前身，它也成了这一运动的牺牲品并在1991年初重返大气层，以前发生的1979—1980的太阳峰年，使美国的Skylab空间站提前降落。虽然自然的垃圾收集活动受到欢迎，但是它没有阻止人造卫星总数的增加。在较高的轨道中大气的阻力对人造卫星来说是微不足道的。所以我们不能完全依靠自然过程来解决碎片问题。

地球人造卫星数目增加的后果大不相同。航天飞机有时执行规避调度以躲开大的残留人造卫星，每次飞行任务后，它的8个窗户中平均有一个由于速度很高的尘埃在上面撞出了小坑而必须更换。当飞行任务的规划者们选择航天飞机的飞行方向时，他们必须更多地考虑碰撞的危险。碎片最可能撞在与飞行方向左右成30—45度的轨道平面上。如果没有不得不往不同的方向上飞的必要，宇航员们就会使最敏感的航天飞机表面背向这些有威胁的方向。

在1996年7月，发生了两个表列内的人造卫星的第一次公认的偶然碰撞。当来自10年前爆炸的一个欧洲火箭箭身的碎片以每秒近15公里(每小时近33400英里)的速度撞击太空飞行器的高度控制吊杆时，正在飞行的法国军用太空飞行器居里号(Cerise)就不堪使用了。虽然已被损坏，但是在它的控制者英雄般的努力后，这个航天飞行器又能继续完成它的飞行任务。

不幸的是，所有太空飞行器对尺寸为1至10厘米的物质而言仍然是易受损坏的。这样的尺寸小得监视系统无法看见。但是又大得足以击穿太空飞行器器壁。国防部正在慢慢地努力改进它的太空监视网以覆盖这些尺寸范围，但是这些系统是打算用于人类太空飞行的：它们对大多数人造卫星提供的保护很少。

真空吸尘器

大多数太空飞行器在它们的飞行寿命期间仍处在很小的碰撞危险中，但未来的环境很可能是不妙的。居里号碰撞事件产生了为数不多的额外的碎片，但是这样一次碰撞能够产生数千块大得足以破坏其它人造卫星的碎片，而这些碰撞的人造卫星又会产生自己的碎片，并可如此类推下去。这种级联现象在地球人造卫星群体向远距离的演化中可能成为占统治地位的因素。

为了防止这样一种现象发生，航天国家已开始一起对过去的十年进行研究。太空碎片协调委员会网络机构（Inter-Agency Space Debris Coordination Committee)现在包括了来自美国，俄罗斯，中国，日本，印度，欧洲太空机构，法国，英国与德国的代表。在1994年，联合国关于和平利用外层空间的科学与技术委员会终于将轨道中的碎片列入了它的议事日程，目标是在1999年以前完成一份估计报告。虽然每个人都认识到了这个问题，但是该委员会还必须决定应该做什么，应该由谁控制这种形势，与应该怎样打破损坏的危险和减少与清除成本间的平衡。

同时各个机构正在努力产生较少的垃圾。美国国家航空与航天局和日本主要的太空机构NASDA已经使用了螺栓制动装置与特殊系绳来减少运行碎片的释放;并采用倾倒燃料与关掉已废的太空飞行器上的电气系统的方法来防止分散;而且他们还建议新的低髙度人造卫星。与火箭箭身应该是“离开轨道的”——即飞进大气飞焚毁——时间不超过完成它们的飞行任务后的25年。

飞马座在1996年毁坏分散后，火箭的设计者与操纵者、轨道科学公司，在去年12月恢复飞行任务前，重新设计了上部分级装置并补充了新的预防措施。一些新的卫星-电话网络计划让离开轨道的人造卫星退出舞台。在较高的高度上，碰撞的危险较少，但是有另外一个问题:在地球同步轨道中缺乏多余的地方。为了让已废弃的人造卫星不要占据正在工作的人造卫星所需要的通道，要求人造卫星操纵者们将他们的太空飞行器适当埋葬在不那么拥挤的“墓地”轨道中。在1月份，美国政府向航空航天工业提出了用于征求意见的碎片-缓和标准草案。

但是，这些过程和己在太空的碎片毫不相干。现在鼓励太空飞行器的设计者们防止太空飞行器受到碰撞，特别是被许多1厘米大小直径的物体碰撞。屏蔽板——即内部档板——能保护大多数太空飞行器组件。它们不仅提高了可靠性，而且减少了在碰撞果真发生的场合中次生碎片的数量。国际空间站将在居住舱，燃料管道，控制陀螺仪与其它敏感区域范围内装备先进技术的屏蔽板。像太阳电池板这样的其它组件，对于屏蔽来说是不现实的；太空飞行器的规划者们必须假定，他们将由于小的碰撞而慢慢地浪费时间。

消除碎片仍然是一个技术上的与经济上的挑战。用航天飞机来打捞碎片是危险与不现实的。几个研究人员设计了一些富有创造力的图纸。美国国家航空与航天局，国防部与能源部研究了一个叫做Project Orion的计划，即用地面激光发射器除去小的碎片。这些激光完全不像科幻小说中的那些东西;即使它们能够将人造卫星吹成一块一块的，那也不过产生更多的碎片。事实上，激光使一些人造卫星材料蒸发，将其推出轨道，并且最终进人大气层。其它的机理仍在绘图板上，包括巨大的泡沫球。一个渗入泡沫的粒子会失去能量并很快落回到地球上。

尽管未来的几代人也许能够取消过去的目光短浅的做法，但现在我们必须努力防止未受到控制的卫星数目的增长——要不就准备让我们在太空中缺乏可以去的空间。