我们发射出去的8400吨太空垃圾，该怎么“扫”？

▲ 1969年7月16日，土星五号火箭运载着阿波罗11号的升空刹时，每一次太空勾当，城市在太空中留下些垃圾。图/NASA

中国第一个进入太空的航天员杨利伟曾经回忆说，他在太空里听到了很多“咚、咚、咚”的响声，但他不知道这是为什么。

这种声音来自何处？甚至有传说风闻说这是外星人在敲击飞船......靠谱的诠释是，这是由舱内温度转变导致的气体热胀冷缩，挤得舱体变形时的声响。

其实，这还有可能是太空垃圾撞击飞船时发出的声音。我们头顶上上亿块的、总量量跨越8400吨的太空垃圾，从人类踏入太空的那一刻起，就从未被清理过。

▲太空垃圾摧毁卫星模拟。图/ESA

01.发射出去的，不只有卫星和飞船

想象一下，若是汗青上所有的报废船只都还漂浮在海面上，在大洋中航行将会是何等危险。现在，我们头顶的太空就面对着同样的困境。每次我们飞标的目的太空，都可能对下一次的观光发生威胁：火箭残留的碎片，烧毁的卫星、甚至是空间站上失慎失落落在舱外的物品，都充溢在太空里，它们被形象地称为——太空垃圾。

▲阿波罗6号使命时代火箭脱落的刹时。图/NASA

据欧航局统计，在我们头顶上，有34000块比苹果（直径10厘米）还大的垃圾，以及90万块介于豌豆（直径1厘米）和苹果之间巨细的垃圾，别的，至少还有1.28亿更小的以至于无法探测到的垃圾，总重量跨越8400吨。

▲ 地球四周的太空垃圾模拟图。图/ESA

报废的人造卫星，是太空垃圾中的大个子。直到2019年年头，人们已经当作功将约8950颗卫星奉上了太空，现在，已经报废但依然漂浮在太空中的卫星，总数跨越了3000颗。火箭的第一级，一般城市天然地落入大气层销毁，而火箭的其它部门，就当作为了太空垃圾的主要来历。早期火箭的二、三级，不具备反推进收受接管功能，所以在发射当作功后就被留在了太空里。好比发射阿波罗12号的土星5号的第三级（已经主要到被定名为J002E3号天体），要再过几十年才能慢慢落回地球。在某些环境下，火箭在太空中会失落落零件或涂料碎片，甚至是发生引擎爆炸，从而形当作更多的小块垃圾。

▲ 输送阿波罗17号的土星五号火箭第三级，与输送阿波罗12号的火箭第三级同条目。图/NASA

人类在太空站出舱行走时，有时会不小心丢下一些工具。“爱德华·怀特丢掉的手套，迈克尔·科林斯丢失落的一个扳手和一支牙刷，苏尼特·威廉斯失落落的开麦拉......”这些都是被确实记实在案的遗掉物品。

▲ 1998年拍摄到的一条在轨道中飞翔的太空站的毯子。图/NASA

太空中的撞击或爆炸，将会极大水平地增添太空垃圾的数目。2009年，美国的通信卫星铱-33与俄罗斯的报废卫星宇宙2251以4.2万千米的相对时速发生了碰撞，两颗卫星随即从两块垃圾，变为了两团由碎片构成的“垃圾云”。别的，良多国度都曾开展过反卫星尝试，固然有证据表白，卫星被导弹炸毁后，大部门的碎片城市很快坠落回地球，但究竟结果仍是有小部门留在了太空之中。

02.“炮弹”呼啸而过

我们一向有一种错觉，那就是太空是如斯之大，不管我们“扔”几多工具上去，和它的广袤比拟，都何足道哉。然而，地球四周的空间，远非我们想象的那样“丰裕”。因为，我们发射上去的工具，只集中在几个特定的区域。人类近2/3的卫星，以及我们熟悉的国际空间站，都在一个叫做低地轨道的空间规模内运行。低地轨道，一般指的是距离地面2000千米以内的空间，好比，国际空间站的飞翔高度就在390千米摆布。

▲ 低地轨道固然只占到了地球轨道的一小部门（蓝色），但它的操纵率远高于其它轨道。我们熟知的GPS系统位于距离地面20200千米的中轨道上（绿色），在这里，可以用更少的卫星笼盖全球。别的，电视通信卫星大都集中在高度为35786千米的地球静止轨道上（红色），与地面上的一个点连结相对静止。图/Rrakanishu，CC BY-SA 4.0

低地轨道有良多益处。因为离地面近，不雅测卫星就看得更清晰，通信卫星的延迟也更短。更为主要的是，离地面越近，发射当作本就越低：人类最壮大的火箭土星五号，若是是发射到低地轨道，可以或许载重119吨，但若是是发射到月球轨道，就只能装45吨了，花同样的钱，干更多的事儿，这个账，谁城市算。

▲美国的一枚极高频通信卫星。图/USAF

低地轨道的优势较着，但在这个区域运行，也会有良多麻烦。离地球近，意味着地球引力还能阐扬很强的感化，所以在这里飞翔的物体，需要连结高速才能维持轨道。低地轨道上的卫星因为速度太快，在某一片区域上空笼盖的时候只能有短短几十分钟，为了保障不间断的通信办事，人们必需打造由多颗卫星组建的收集，这就加倍加剧了低地轨道的拥挤水平。Space X公司前几年提出的星链打算，一启齿就要在低地轨道上摆设多达1584颗卫星，数目之大甚至激发了人们对于“卫星密度太大，会影响天文不雅测”的担忧。

▲ 2014年7月14日发射的Space X猎鹰9号火箭。图/Wikipedia

如斯密集的太空勾当，让低地轨道，当作为了太空垃圾的重灾区。这些太空垃圾同轨道上的卫星一样，都在高速飞翔，这让它们拥有了惊人的粉碎力。当13毫米直径的铝制弹丸，以每秒7千米的速度（与太空垃圾的速度近似）撞击13厘米厚的铝板时，会留下7、8厘米深的弹坑。数以亿计的太空垃圾，在以最高3万千米的时速纵横交织环抱着地球，这些“炮弹”和“枪弹”，可以等闲地摧毁我们价值数万亿美元的卫星系统。

▲ 美国国度航空航天局艾姆斯研究中间的超高速弹道靶场，以每小时17000英里的速度发射的弹丸撞击固体概况时发生的“能量闪光”。这个试验是用来模拟轨道碎片撞击轨道上的航天器时所发生的环境。图/NASA

国际空间站前站长克里斯·哈菲尔德已经将太空垃圾的撞击视为屡见不鲜：“若是您在空间站墙边静静地坐着，过一会儿就能听到有工具像是撞击了飞船，固然大部门环境是航天器外壳因为热胀冷缩而发出的声音，但也有的是小物体在撞击铝制薄壳。”太空垃圾最恐怖的处所还不是垃圾自己，而是它们可能激发的链式反映：当太空垃圾与其它物体相撞后，会发生更多的碎片，这将导致相撞事务的发生几率呈指数级增加。

▲ 欧洲航天局建造的卫星被太空垃圾碎片摧毁的动图。图/ESA

欧洲航天局的太空垃圾专家本杰明·巴斯提达对于太空垃圾可能发生的链式反映布满了担忧：“即使我们此刻不再标的目的太空发射任何工具，在200年内，大块垃圾会破裂当作为小块垃圾，从而让太空无法利用。”

03.清扫收受接管？没那么轻易！

本月初，欧洲航天局颁布发表，他们委托了一家名为Clearspace的公司，打算在2025年时开展人类第一个太空垃圾清理使命。Clearspace是由一群经验丰硕的太空垃圾专家构成的瑞士草创公司，它的当作登时点在瑞士的洛桑理工学院。即将在2025年发射的清理卫星Clearspace-1，既不像一台吸尘器，也不是一辆太空垃圾车，它的造型是一只蜘蛛，因为它的独一方针，是一块重量达到100千克的电子设备。

▲ Clearspace-1模拟图。图/ESA

NASA和欧航局的研究表白，要阻止太空垃圾发生链式反映、不变轨道情况的独一本家儿动方式，是断根大碎片。所以，人类太空垃圾清理的第一步，就选择了这块100千克重的大师伙。这块电子设备，来历于2013年欧洲发射的织女星火箭（Vaga），它是火箭二级推进器上利用的载荷适配器。这枚适配器外形简单、布局坚忍，很是适合作为第一次太空垃圾收受接管的试验品。说白了，就是不仅好抓，也不轻易被撞得稀碎。

▲ 织女星火箭，载荷适配器位于顶部卫星的下方，据ESA介绍，织女星火箭会完全坠回大气层，并燃烧殆尽，所以这枚适配器留在天上的原因，或许是一次掉误。图/ESA_Event，CC BY-SA 2.0

为了完当作这项使命，Clearspace-1卫星会慢慢接近这块垃圾，然后抓住它，再开启返回推进器，与它一路坠回地球，整个过程堪称一次“灭亡拥抱”。除了“灭亡拥抱”的方式外，科学家们为清理太空垃圾，还开过不少脑洞。他们曾经设想设计出一个带有捕获网的清理卫星，将轨道中的大碎片都“捞”回地球，对于那些因为太大而无法“捞”住的物体，则从卫星上发射一枚鱼叉叉住，然后再打开下降伞返回地球。可是，在太空中与这些高速飞翔的垃圾接触，十分考验手艺，若是操作掉败发生碰撞，很可能会制造更多的垃圾。

▲ 用网清理太空垃圾的模拟图。图/Real Engineering GSUI5051

为了做到不接触，也能清理垃圾，有的科学家还有提出了一些加倍疯狂的设法，好比在轨道上放上一块巨型磁铁，把飞过来的太空垃圾都......挤下去或挤得更远......高能量的激光长短接触型垃圾“清扫”中一种可行性很高的选择：激光足以使垃圾概况的材料融化，发生的推力可以使它的速度变慢，或加速轨道降低的速度。可是这种激光因为不仅能打垃圾，还能打此外国度的卫星，所以当一个国度研发这种手艺的时辰，其它的航天堂家城市感受芒刺在背。或许，此次Clearspace-1的使命经验，能为我们带来更多的“清扫”灵感。

04.硬抗？遁藏？无奈的选择

2000年起头运营的国际空间站，是人类汗青上最大的航天工程。它的巨细，半斤八两于两个足球场，在垃圾遍布的低地轨道，国际空间站的确就是一个活靶子。

▲ 国际空间站。图/NASA

“当您在飞船上的时辰，您需要意识到，有一些工具会与飞船发生碰撞，”国际空间站前站长克里斯·哈菲尔德曾标的目的采访者坦言，“所以需要寻找一种与它共存的方式，我们的方式是，尽可能切确地去领会这件事，阐发统计数据，知晨风险，我们熟悉国际空间站的设计，也有应急预案。”

▲ 国际空间站的防护分布设计，红色区域为焦点区域，防护力度最强，焦点区域指的是：若是这些处所发生破损，有可能会危机到宇航员的生命平安。图/NASA

为了应对潜在的撞击，人类研发出了惠普尔护盾。这种护盾操纵了“物体在高速撞击时，会爆发出极高的能量，从而使物体自己破裂、蒸发”这一事实，采用了双层设计。小块的太空垃圾，在击穿第一层护盾时，就碎当作了粉末，粉末对第二层的威胁就很小了。在测试尝试中，欧航局用7.5毫米直径的铝制弹丸，以每秒7千米的速度（与太空垃圾的速度相似）射标的目的惠普尔护盾，固然护盾被直接射穿了，但内侧仅有3毫米厚的铝制装甲上，只留下了细小的灼烧陈迹。不外，惠普尔护盾再壮大，也只能承受小于1厘米碎片的撞击，当大碎片袭来的时辰，空间站会按照地面雷达站的警告采纳变轨办法，当然，每次的变轨都需要必然的当作本。

▲ 位于美国马萨诸塞州的，为国际空间站供给预警的地面“干草堆”型雷达站。图/COO

地面批示站为国际空间站画出了一个长宽都是50千米、高度是0.75千米的虚拟平安盒子，在人类监测的22300块太空垃圾中，若是此中的任何一个将穿过这个区域，就会激发警报。假如碰撞概率大于万分之一，国际空间站就必需变轨。

▲国际空间站的“平安盒子”。图/Real Engineering GSUI5051

对于国际空间站来说，变轨的损掉可不只是耗损一些燃料，对空间站的加快会影响微重力尝试的结果，甚至是让补给飞船错过发射窗口。

▲ 为国际空间站补给的俄罗斯联盟号飞船。图/Thegreenj

不但是国际空间站，人类为每一颗在轨卫星都赐与了充实的监测，若是它们即将发生碰撞，就会焚烧变轨。可是，卫星与国际空间站分歧，它们不克不及弥补燃料，若是因为变轨耗损过多的燃料，很可能导致在报废时无法返回地球，当作为一块巨型的太空垃圾。太空垃圾数目大、速度快、处置难，威胁大，可是它们并不会永远留在太空。一个好的动静是，那些藐小的、人类临时无法处置的碎片，因为有更大的概况积质量比，所以更轻易受到大气阻力的影响，坠落得也就更快。