太空垃圾日益增多，我们该如何应对？（上）

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太空垃圾电脑合成图片

神舟十九号乘组已于2024年10月30日进入空间站。他们此行的重要任务之一就是继续通过太空行走在舱外安装空间站碎片防护装置。此前的神舟十八号乘组曾在空间站舱外安装过空间碎片防护装置。

空间碎片也叫太空垃圾，它是指在地球轨道上运行的各种人造物体的碎片，目前太空垃圾不断增多的问题正日益恶化，在今后还会变得越来越严重。

太空垃圾越多，就越容易发生相互碰撞，从而形成更多的碎片，甚至有可能出现多米诺骨牌现象。因此，它们会对在轨运行的航天器产生了越来越大的危害，包括威胁到航天员的生命安全。

“国际空间站”的航天员就曾多次进入与“国际空间站”对接的载人飞船里，以躲避可能撞击“国际空间站”的太空垃圾，以便在发生意外情况时紧急返回地球。那么，人类应该如何应对太空垃圾产生的危害呢？

01

太空垃圾的源头

随着航天技术的广泛应用，航天器的发射数量越来越多，太空垃圾也相应增加了许多。例如，2024年10月19日，国际通信卫星-33E在地球静止轨道上发生了意外的解体事件，使地球同步轨道区域至少新增了500块碎片。

据统计，目前约有至少3000吨以上的太空垃圾在绕地球飞奔，而且数量正以每年2%～5%的速度增加。其产生主要来自三个部分：

第一部分来自已经退役的各种人造地球卫星等人造物体，以及人造物体之间、自然天体与人造物体之间碰撞产生的碎块等。

第二部分来自运载火箭的末级。

第三部分来自航天员在太空活动时产生且并被扔到太空中的垃圾以及在太空行走时不慎遗落在太空的物品（如螺母、工具）。

其中，人造物体相撞所产生的破坏力还与相撞时的角度有关。例如，2009年2月10日，俄罗斯2251号卫星与美国铱星33号卫星就曾以11.64千米/秒的相对速度碰撞，产生了2201个能够被监测编目的太空垃圾。

美俄卫星相撞的轨道交叉示意图

根据太空垃圾尺寸的大小，国际上把太空垃圾一般分为三类：

①尺寸大于10厘米的为大碎片，现在大概有几万块，它们可被监测到；②尺寸介于1～10厘米之间的为小碎片，现大概有10多万块；③尺寸介于1毫米～1厘米之间的为微小碎片，现大概有几十万块。尺寸不大于1毫米的碎片现在大概有几亿块。

从空间分布来看，在中低轨道运行的航天器以及大碎片密度平均每立方千米有10个左右。由于它们的速度极快，而破坏力与速度的平方成正比，即一个仅10克重的太空碎片的太空撞击能量，不亚于一辆以每小时100千米速度行驶的小汽车所产生的撞击能量，所以它所造成的事件是一种“低概率、高风险”事件。

低轨道上的太空垃圾在大气阻力的影响下会逐渐陨落，从而重返大气层烧毁。如果太空垃圾的轨道很高，就会存留很长时间。一般来说，距地300千米的太空飞行物寿命约为一年，600千米可飞行几十年，1000千米以上的可飞行几百年，4000千米以上的可飞行上千年，再高的碎片几乎会一直在太空中。

02

太空垃圾有很大的危害

太空垃圾对航天器正常运行的影响主要由航天器的在轨时间、被保护的面积、轨道高度和轨道倾角等因素决定，其中前三个因素是最主要的。

低轨道太空垃圾的飞行速度约为7.9千米/秒，如果撞击到航天器表面，轻者会留下凹坑，重者会穿透航天器造成部分系统功能失效，甚至会产生灾难性的后果，包括威胁到在舱外活动的航天员。

极小的太空垃圾由于数量多，所以会改变航天器的表面性能；稍大的太空垃圾能损坏航天器表面材料，造成撞击坑，损伤表面器件；大的太空垃圾与航天器碰撞时，可使航天器的姿态发生变化，甚至改变航天器的轨道；超高速撞击的太空垃圾会使自身及被撞击的航天器表面材料气化为等离子体云，导致航天器失效；当太空垃圾的能量足够大时，能穿透航天器表面，打坏置于航天器内部的控制系统或有效载荷，使航天器发生爆炸或打散整个结构。

另外，当太空垃圾再入大气层时，如果没被完全烧毁，还会对地面的生命财产安全构成严重的威胁，尤其是以核能为动力的航天器陨落时后果特别严重。

比如，在20世纪70～80年代，苏联核动力卫星就曾因失控坠毁在加拿大，从而产生巨大恐慌。美国“天空实验室”空间站也曾因失控坠毁砸坏地面居民的房子。太空垃圾太多还会严重影响空间天文观测，碎片撞到空间望远镜时会使镜体遭到损坏。

遭太空垃圾撞击的航天飞机窗户

由于沙粒大小的太空垃圾所产生的冲击与每小时160千米的保龄球相当，所以直径在几毫米以下的小的太空垃圾就能对运营中的航天器造成损坏。这种损害分为两类，第一类是对航天器分系统表面的损害，第二类是对航天器运行的影响。比如，美国航天飞机的窗户就曾遭受太空垃圾的撞击。

太空垃圾已给“国际空间站”造成重创。例如，2016年，直径几微米的金属碎屑在“国际空间站”舷窗留下了直径7毫米的撞击坑。2021年，一块不在监控范围内的碎片击中“国际空间站”的加拿大机械臂-2，使其外表保护层被撕裂，留下了一个直径近10毫米的穿孔。2022年，停靠在“国际空间站”的俄罗斯联盟号飞船外壳出现一个0.8毫米的小孔，导致44公斤冷却剂泄漏。

为此，目前“国际空间站”有一套避撞程序，当有关设备监测到有太空飞行物接近空间站并有可能发生碰撞时，这一程序就会指示空间站启动发动机改变运行轨道，躲避碰撞。如果“国际空间站”来不及调整轨道，那么为了安全起见，航天员就要躲进飞船，以便随时逃生。

载人航天，人命关天。为了保障空间站航天员的安全，我国也采取了相应措施。在10月29日举行的神十九新闻发布会上，中国载人航天工程新闻发言人林西强就表示，针对空间碎片撞击空间站可能造成泄露等威胁，不断优化应急处置方案，与空间站运行初期相比，航天员可用于应急处置的时间提高了5倍，空间站与航天员的安全性大幅提升。

03

如何处理废旧的航天器

人造地球卫星、空间站等航天器在寿终正寝或中途夭折后，就变成了太空垃圾。它有可能影响其它在轨正常运行的航天器，所以妥善处理废旧航天器很重要。

对于废旧的航天器处理的方式有多种，要视具体情况而定，因为废旧的航天器分可控和不可控2大类，而且即使是处理可控的废旧航天器，也要根据轨道高低、航天器大小等采用不同方式。

当在地球静止轨道运行的卫星出现故障或寿命到期时，一般是通过遥控卫星上的发动机进行变轨，使卫星飞到更高的无用轨道，其目的之一是因为地球静止轨道非常宝贵，且目前已星满为患，所以必须让废旧的通信卫星“腾地”；之二是废旧的地球静止轨道卫星已成为太空垃圾，因此必须把它存放到一个安全位置，使它不要威胁其它的地球静止轨道卫星。

对于中轨道上的废弃大型卫星也是如此。但遥控废弃卫星变轨的前提条件是卫星能够受控，并有多余的燃料。

美国太空探索技术公司号称其低轨“星链”卫星都装备了电推进系统，在寿命到期后能主动降低轨道以更快地再入大气层，满足25年内再入大气层的规定。不过2019年9月2日，曾出现欧洲航天局的“风神”卫星为避免与一颗“星链”卫星相撞，而实施了一次机动避障的危险事件。

当在低轨道运行的小型航天器报废时，一般不用管它们，因为受残余大气等影响，小型航天器会不断降低轨道，最终再人大气层是被烧毁。

当在低轨道运行的大型航天器报废时，最佳处理方式是通过地面遥控使它坠毁在无人区，因为它在再入大气层时不易完全烧毁。例如，世界最重的卫星——美国“康普顿”γ射线望远镜（17吨）和上百吨的俄罗斯和平号空间站在寿命结束之后，都是通过人工控制坠毁到南太平洋一个被称之为“航天器坟场”的地方。我国“天舟”系列、俄罗斯“进步”系列等货运飞船等在完成任务后，也都是如此处理。

北京时间2024年11月17日21时25分，天舟七号货运飞船受控再入大气层。飞船的绝大部分器件在再入大气层过程中烧蚀销毁，少量残骸落入南太平洋预定安全海域。

对于在低轨道运行且失控的大型航天器，目前还没有成功的经验。现有几种方案：

一是用类似航天飞机的大型天地往返运输器在轨回收，但成本太高，目前很少采用，而且航天飞机已退役。二是用反卫星武器把大型航天器打碎，以便再入大气层时烧毁，但由于打碎以后如果没有再入大气层，就容易形成大量太空垃圾，所以此方案争议很大。三是通过精确跟踪来确定大型航天器的坠落区域，以便提前疏散相关人员。

作者：庞之浩

全国空间探测首席科学传播专家

责编：董小娴

审核：刘鲲 李培元

来源： 蝌蚪五线谱