互动科普

地球卫星有多少？

至今，全球已发射了大约6000多个航天器，其中大多数（至少5000多个）是人造地球卫星。目前在轨正常运行的约有900多个，其中美国约有400多个；俄罗斯拥有近百个；欧洲有70个；中国和日本各有30个左右；印度有20多个；还有100多个为其他国家所有。

在地球轨道运行的航天器按轨道高度大致分为3种：低轨道航天器，其轨道高度约为200～2000千米，载人航天器、极轨气象卫星、资源卫星、海洋卫星、环境卫星、侦察卫星、天文卫星、低轨小型通信卫星星座等大都运行在这一轨道；中轨道航天器的轨道高度约为2000～20000千米，导航卫星和少数通信卫星运行在这一轨道；高轨道航天器的轨道高度约为36000千米或更高，大多数通信卫星和静止气象卫星运行在这一轨道。

高轨道，大多指地球静止轨道，它位于地球赤道上空大约36000千米高处，这一轨道只有1条，因为在其上运行的卫星角速度与地球自转的角速度是一样的，这就相当于卫星定在某一区域上空不动，因而很适合通信卫星进行连续通信。现在，全世界有200多个国家和地区，正在应用约250～300颗地球静止轨道通信卫星，不过卫星密度难以加大，否则容易相互干扰（但不会相互“追尾”或“碰撞”，因为它们的运行速度和轨道倾角大致一样，鱼贯运行，轨迹没有交叉点），所以地球静止轨道资源现在十分紧张，发射地球静止轨道卫星必须先向国际电信联盟申请轨道位置，得到批准后才能在规定时间内发射，不按期发射的通常要收回轨道位置。

大部分航天器现都运行在中低轨道。由于中低轨道可以选取任意轨道倾角和高度，轨道资源非常丰富，可以部署大量航天器，因此，目前对中低轨道资源没有进行严格的管理和分配。在中低轨道现已建成了几个含有多颗卫星的星座，比如，美国的“铱”星通信卫星星座由70颗（含备用星）左右的小卫星组成，“全球星”通信卫星星座由50颗左右的小卫星组成，“轨道通信卫星”星座也是由50颗左右的小卫星组成，GPS导航卫星星座由30颗左右的卫星组成。

学过中学物理都知道，绕地球飞行的航天器在不同高度，所需要的环绕速度不同，轨道越低需要的速度越快，与航天器的大小和质量都无关。比如在地面附近，需达到7.9千米/秒的速度，也就是第一宇宙速度，物体才能绕地飞行。实际上，人造卫星都是用运载火箭送到高空，无需达到这样的高速就可绕地飞行。在离地面400千米高时的环绕速度约为7.732千米/秒，“国际空间站”、航天飞机和宇宙飞船大都以这个速度飞行；离地面800千米高时的环绕速度约为7.457千米/秒；离地面36000千米高时的环绕速度约为3.076千米/秒, 地球静止卫星大都以这个速度飞行。

子弹的速度够快了吧？其实，最快的子弹才有大约1千米/秒的速度。可以想象，在轨道空间，航天器若以那样高的速度相撞，后果可想而知，不要说对撞，就是侧面撞击，也必定粉身碎骨了。这次相撞的美俄卫星是在790千米左右的高度，二者轨道平面有12°夹角（美国铱星轨道倾角86°，俄国废弃军用卫星轨道倾角74°），在轨道交叉点相撞。尽管是斜侧面相撞，相对速度并不是最高，但造成的后果也是很严重的。美国方面认为产生了600个碎片，俄罗斯太空控制中心登记了38个碎片。无论如何，这些碎片对其他航天器造成了威胁。其实，轨道空间那么大，航天器体积都很小，两个航天器正好在轨道交叉点相遇的概率其实是非常低的，据计算，这次两星相撞的概率低于一亿分之一。

风险来自太空垃圾

在正常轨道运行的航天器发生碰撞的机会不是很多，因为数量毕竟有限，真正的风险来自所谓的太空垃圾。它是人类在航天活动中遗弃在空间的废弃物，其中包括寿终正寝或中途夭折的航天器、废弃的运载火箭末级、航天发射运行过程中的抛弃物（如螺丝和垫圈）、人造物体碎裂产生的碎片等。关键的问题是它们不像汽车那样，废弃了可以回收；也不像子弹飞行一段距离就会落地。它们的数量众多，都像正常的航天器一样绕地球轨道运转，而且轨道多样，简直防不胜防。比如爆炸或碰撞的航天器会形成若干碎片，按碰撞时所获动量不同而分布在不同的轨道。

长期以来，被丢弃在太空中自由漂移的垃圾不计其数，绝大部分是航天器上的齿轮、螺丝、螺母、摄像机的镜头盖、残损的仪器，以及运载火箭残骸、报废的卫星、发电机及人员生活垃圾等。当这些物体发生碰撞后，又会造成更小、更多的新碎片，使太空垃圾与日俱增。

从1957年发射第一颗人造地球卫星开始，太空垃圾就在不断地积累，大大小小的太空垃圾现已超过4000万个，重量约有3000吨。虽然太空够大，这也算不小的数量了。而且还在以每年2%～5%的速度增加。

随着航天器的发射数量越来越多，形成的太空垃圾也越来越多。低于2000千米的低轨道是碎片的主要集中区域，而在地球静止轨道上也形成了碎片环。

根据太空垃圾尺寸的大小，国际上把太空垃圾分为3类。尺寸大于10厘米的为大碎片，现在大概有1.8万个，这些碎片可被监测到，它们还在以大约每年200个的速度增长。在中低轨道运行的航天器以及大碎片密度并不高，平均每立方千米低于8～10个，撞击风险不是很大。尺寸介于1～10厘米之间的为小碎片,目前大概有10万个。尺寸小于1厘米的为微小碎片, 现在大概有几千万个。这些像子弹一样, 甚至比子弹还快的飞行物是真正的威胁，航天器只要是受到1～2毫米以上的微太空垃圾的高速撞击，就会给航天器造成很大的威胁。如果直径1毫米微粒正好击中卫星的易损坏处，就可能使该卫星丧失功能或出现故障，特别是对压力容器，即使是很小的撞击，也会造成容器的破裂。

低轨道上的太空垃圾在大气阻力的影响下会逐渐陨落，重返大气层时被烧毁。如果它的轨道很高，由于大气阻力很小，所以会存留很长时间，有的甚至长达数万年。一般来说，距地300千米的太空飞行物寿命约为1年，600千米的将飞行几十年，1000千米以上的要飞行上千年，三四千千米以上的将飞行上万年，再高的碎片几乎会永远飞下去，就像月球那样。

在大的碎片中，有4310个都是由前苏联和俄罗斯送入太空的（1361颗卫星，其余2949个则是废弃的火箭助推器和火箭碎片）。紧随俄罗斯之后的第二大太空垃圾制造者是美国，它总共制造了4188个人造天体，其中3115个为火箭助推器和各种航天器的碎片，1073个为各种探测器或卫星。

监测太空飞行物

由于太空垃圾会对那些正常运行的航天器构成极大的威胁，所以必须对它们进行观测、跟踪和测量，以便在发现它们有可能撞击正常运行的航天器时，提前预警，采取措施。

对太空飞行物的地基测量一般分雷达测量和光学测量两种，雷达测量针对的是低轨道上的太空飞行物，而光学测量则是针对高轨道上的太空飞行物。美俄都有探测和跟踪太空垃圾的雷达和光学望远镜，他们的碎片目录中包括了1957年第一颗人造地球卫星和直径10～30厘米的太空垃圾等，其中美国国防部对太空中的物体列有最详细而且全面的监控目录。这些数据资料，可以从公开的space-track.org网站上直接查阅。

早在1995年6月，中国国家航天局就正式加入了“机构间太空垃圾协调委员会”，与各国共同探讨减少太空垃圾的途径和办法。2005年，“中国科学院空间目标与碎片观测研究中心”在中科院紫金山天文台成立，为中国在空间航天领域建起安全预警系统。

其实，尽管美国对太空的监测能力很强，但按照需求来讲，其监测能力还不够强，监测精度还不够高，并且不够及时，因而无法完全预报相撞事件。太空很大，要检测的目标很多，想要预测几米范围之内卫星的相撞很难。

根本办法是减少垃圾

对付太空垃圾最重要的方法是尽量减少太空垃圾的增加,可采用的办法有几种：一是要减少与飞行任务无关的物体，并采用类似目前鼓励乘公交车一样的方式对航天器进行共享，这样既可减少重复发射带来的浪费，又能降低产生太空垃圾的概率；二是要改进太空飞行器的设计，防止它们在轨解体；三是调整失效航天器的轨道，使其离轨；四是要经常监测在轨出现故障的航天器，因为它们可能导致大量碎片的产生……

现在，大约有12%的太空垃圾是在卫星的正常部署和运营过程中丢弃的物体，如镜头盖、紧固件、喷嘴盖、有效载荷机械装置等。无论从技术上讲还是从经济上算，减少这类物体都很容易。比如，可以收集所有的爆炸螺栓碎片，把镜头盖、探测器罩等物体连接在卫星主体上。

当在低轨道运行的大型航天器报废时，如果还有燃料，最佳处理方式是通过地面的遥控使它们坠毁在无人区；或者通过人工控制坠毁到南太平洋一个被称为“航天器坟场”的地方。

有办法清除垃圾吗？

国外正设计专门清理各种太空垃圾的“太空清洁车”，它是一种特殊飞船，在飞船体外装有一个网状或机器触角状的特殊设备，从而完成拾取太空垃圾的重任。

美国公司正在开发一种能够让报废卫星快速脱离近地轨道的新方法——“终结绳索”（Terminator Tether）。它是一条长为5千米的细导线，被绕成一个线圈放置在卫星内部。当卫星到达指定位置后，“终结绳索”便会自动打开。在电离层和地球磁场的共同作用下，这条绵延达5千米的导线上可产生出持续的电流。这样，地球磁场会对其产生一种向下的拉力，进而牵动卫星逐渐下落。这一过程将一直持续到卫星重返大气层并在那里完全被烧毁。据专家测算，通过这种方法可非常简便和廉价地加快卫星从轨道上脱离的速度。比如，一颗距地面950千米的卫星，如果采用自由下落的方式，大约需要100年的时间才会坠入大气层，而采用“终结绳索”后，这一过程将会在18天内完成。

还有一种与“终结绳索”类似的设备，叫“终结者”，它能够帮助人们清理太空垃圾。它是在卫星上加一个收集网，用一根5千米长的轻型电子绳拖带。当卫星达到指定位置后，就松开收集长绳。在地球磁场作用下，网袋垂向地球一侧。在装进一定量的垃圾后，即坠入大气层烧毁。这样，原来会绕地球飞行上百年的太空垃圾，就能够在十几天内消除掉。

这些方法目前都难以实施。对太空垃圾的清理至今还没有好的方法，各国需要加强协作，对太空垃圾进行监测和防范，并尽量减少太空垃圾的产生。

（本文发表于《科学世界》2009年第4期）