静静地躺在空间站里,舱外却传来了“砰砰”的敲击声

果壳·2021-12-03
太空不太平。

大约两周前,正在国际空间站中熟睡的宇航员突然被地面控制中心叫醒。匆忙地穿好舱内宇航服,他们按照安全程序进入避难所,并关闭了一些重要的舱门。在此之前不久,一枚反卫星导弹从俄罗斯 一处发射场升空,几分钟之后,它拦截了已经报废数十年的俄罗斯卫星Kosmos 1408。

相撞产生了超过1500块可追踪的卫星碎片,但难以被追踪的,预计有数十万块。事后,太空软件公司AGI 制作了一张GIF,模拟出Kosmos 1408如何瞬间成为弥散于近地轨道的“碎片星云”。

AGI模拟GIF丨AGI

这些解体之后的碎片分散于距地面300-700千米的空间轨道之间,其中有碎片在掠过国际空间站时只相差40公里的距离,驻站的七名宇航员逃过一劫。

一旦事故降临,后果可以参考一部太空灾难片《地心引力》。若空间站遭到碎片损坏,机组人员几乎要同电影里一样,紧急脱离空间站,搭乘联盟MS-19或载人龙飞船返回地球。

“令人发指”、“不合情理”,NASA局长比尔·纳尔逊在媒体镜头面前指责这场由俄罗斯军方主导的试验。国际空间站这次勉强“幸运”脱险,但太空碎片带来的影响和危机从来都是长尾的。就在此一周之前,国际空间站刚刚进行了一次紧急变轨操作——多台推进器喷发6分钟,将运行轨道提高1.1公里,为了躲避早在十四年前被摧毁的另一颗气象卫星的碎片。

卫星专家Jonathan McDowell认为Kosmos 1408的解体很可能已经按下了下一个“危险开关”。当然,空间站和宇航员都在学着与越来越“不安全”的太空环境相处。

前提是,它能够预测危险什么时候到来。

我们的头顶布满垃圾

还得从当年美苏太空争霸说起。1961年,加加林从太空俯瞰地球,深受刺激的肯尼迪撂下狠话,十年内抢跑苏联登月。在此之前,近地太空轨道上游荡的人造物体数量不过50余个。

从六十年到到八十年代,苏联和美国轮番进行反卫星试验。不到二十年的时间里,仅前苏联一方,20次试验就产生了700个被记载的碎片(残骸)。如此频繁的爆炸试验,引起国际范围内的谴责。接下来的日子里,反卫星试验终于消停下来。但人们又发现,卫星之间会意外相撞,因此产生的太空碎片风险同样严峻。

太空碎片形成丨Giphy

首次有记载的卫星发生相撞发生在1991年。退役的俄罗斯导航卫星Cosmos 1934被其姊妹卫星 Cosmos 926的一块碎片撞成两半——这属于碰撞事件中的“安静”版本了。更激烈的一次发生在2009年,美国通信卫星铱星33(Iridium 33)与退役的俄罗斯卫星Cosmos 2251相撞,一年之内识别出来的碎片数就多达1740——这是人造卫星间首次超高速碰撞,碰撞速度达到11.7千米/秒。

在此次卫星相撞之后,太空垃圾数量也迎来一次“高峰”。紧接着,由联合国外空委通过的《空间碎片减缓指南》强调了几点履行原则:入轨的航天器在任务完成之后不能在LEO(近地轨道)长期停留,离轨坠落大气层时也得避免伤到人;以及如果航天器在GEO(地球同步轨道)附近,防止未来爆炸产生影响的方式是在退役之后把它推入更高的“墓地轨道(Graveyard Orbit)”。

最多的太空垃圾分布在近地轨道。由于地心引力和空气阻力,500公里高度以下的太空垃圾更加容易自然坠入大气层并在坠落过程中烧毁。而在通信卫星聚集的地球静止同步轨道上,因为同时满足0度轨道倾角和3.6万公里的轨道高度,实现与地球相对静止,在此的太空垃圾一旦产生,“自然消失”会异常困难,再高于此50公里的“墓地轨道”会成为这部分太空垃圾的最终归宿。

用“空旷”形容空间轨道早已不再适合。根据公开数据,截止到2016年7月,运行中的卫星数量有1419颗,三年之后,这个数字增长到2218。然而,与之一起增长的还有火箭二级、航天器碎片、报废卫星,和航天员不小心扔掉的工作生活垃圾等等。游荡在我们头顶上可被追踪的人造物体,从18000个增长到20000个(被记载的)。

航天器解体到成为太空垃圾丨Giphy

而近年来的商业航天发展加剧了又一次加剧了“拥堵”。

并不是所有的天文学家都在赞美伊隆·马斯克把火箭发射的成本打下一个数量级。令他们更加夜不能寐的是马斯克的“星链(Starlink)”——最终可能多达4.2万颗,遍布于330至1300公里范围内的不同高度轨道上的网络服务卫星群。这几年,马斯克已经把1892颗卫星送上太空,超过了星链之前,太空中所有在运行的人造卫星数量。更何况在早期的发射中,McDowell统计星链卫星的报废比例有3%。

今年4月,SpaceX 执行第二次商业载人发射时,即将入睡的四名宇航员猛地被叫醒,他们被告知:龙飞船即将与一块太空碎片相撞。还好在之后从地面控制中心传来了“成功错开”的信号。

靠预警解决不了一切,因为有些太空碎片小到,飞到眼前,都来不及反应。

美国国防部有一份目录,记载了能被 SSN(空间监视网络)追踪到的,直径大于10cm的太空垃圾有27000个;预估1-10cm之间的垃圾数量约为50万个;1mm-1cm超过1亿。10cm是一个分界值,对于比这大的太空垃圾,做汇合和碰撞评估才是有效的。

越来越拥挤的空间轨道丨Giphy

无法被追踪的“小垃圾”拥有更大的潜在风险。60年代,科学家们发明了“轻气枪”(Light-Gas Gun)——一种模拟轨道速度的装置。当一个重量只有7克,由聚碳酸酯制成的抛射物,以7公里/秒与铝块相撞时,立即“炸”出一个比自身尺寸宽五倍、深五倍的坑。

因为那些根本躲不开的太空垃圾,国际空间站套上了一层惠普尔防护罩(Whipple Shield)——天文学家Fred Lawrence Whipple在上个世纪40年代发明了这种航天器超高速撞击防护结构。

据前空间站指挥官Chris Hadfield描述,“如果你静静地呆在空间站里,虽然不是每天都能听见’砰砰’的撞击声,但也挺常见的。”Hadfield 曾经在自己推特上发布一张照片,显示空间站太阳能电池板出现了一个小洞,很有可能由微小尺寸的“太空垃圾”造成。

Chris Hadfield所说的Bullet hole丨Twitter

收垃圾的人

铱星33和Cosmos 2251“相遇”的四个月后,“激情碰撞”产生的碎片几乎覆盖了它们曾经所在的全部轨道。人们才又一次开始正视Donald Kessler在1978年提出的理论假设——当近地轨道运转物体的密度达到一个临界点,一次碰撞形成的碎片可能造成更多碰撞,形成级联效应,一旦发生,地球轨道将被垃圾覆盖填满,可能导致人类在接下来数百年内无法进行正常的太空探索。

让事情变得严重还有另外一个原因。此类太空垃圾能够被“自然消化”的比例远低于人们的想象。在2007年发生的一次反卫星试验之后,2010年尤其产生的碎片增加到2800个,2014年超过3000个,然而其中只有不到10%自然脱轨烧毁。

就像飞速行驶在一条不断有车辆插入,且愈发拥挤的高速公路上。制造问题的人在变多,好在解决问题的人也开始出现。

苹果公司联合创始人Steve Wozniak在今年宣布了自己的新创业公司 Privateer Space, 在被问到为什么要创办一家“太空公司”时,他说:太空越来越拥挤了,像SpaceX他们发卫星时,也许就会想问我们要一张太空的“Google Map”。

勘测和绘制“太空地图”是更加有效清理和监测的第一步。Privateer已经获得两次发射的批准,顺利的话,将在2022年2月和4月分别执行。Privateer采用3D打印工艺来制作卫星的底盘,使用强度和重量比优秀的钛合金来制作底盘。这可以使卫星携带更重的传感器、电池等设备。Privateer 希望首先知道我们究竟有多少太空垃圾需要清理,以及它们都在哪

Wozniak 尚未公布最终的“技术实现路线”,但是Privateer已经开始了与另一家太空垃圾清理公司Astroscale的合作。今年3月,Astroscale的“技术验证卫星”ELSA-d带着180公斤的捕捉器和20公斤的模拟太空垃圾在拜科努尔航天发射场发射。

Astroscale演示丨Astroscale官网

太空垃圾处于不断旋转状态,且无法与之通信。捕捉器配备了光学传感仪,具备搜索、追踪定位和检查功能,模拟太空垃圾附带磁对接部件——最终将要验证的是,当捕捉器和模拟垃圾相距很远时,前者是否能够找准时机吸附,并将后者拖入大气层燃烧。

今年11月,《自然》杂志发表了由美国犹他大学教授Jake J. Abbott 带队发明的一项技术,实现方式与Astroscale的方案类似——用旋转磁铁移动非磁化金属体。当金属碎片受到一个变化的磁场时,内部电子会进行环状运动,产生扭矩和力。Abbott表示,旋转磁铁方案可以规避接触式机械臂方案的一个缺陷——如果太空垃圾转速过快,或者失去控制,将会折断机械臂,产生更多碎片。

与日本 Astroscale 发射时间相差不到一个月,中国一家名为“起源太空”的商业太空公司,发射了“太空采矿机器人”,并称其回收技术也可用于太空垃圾清理。根据其宣传视频,这种清理方式就像“渔网捕鱼”。JAXA(日本宇航局)用过类似方法。2016年,一条长700米,由不锈钢和铝制成的“渔网”搭乘去往国际空间站的货运飞船升空,待飞船返回地球时将其释放,通过电磁效应迫使太空碎片的移动速度变缓,从而足以坠入大气层——结果任务因为释放系统失灵告败。

在《机器人总动员》中,瓦力和伊娃乘坐飞船冲出地球时,必须钻出一层厚厚的太空垃圾这样的景象距离我们并不那么遥远。因此即便所有相关公司的业务进展都还在验证阶段,政府机构已经迫不及待地开始派发订单了。

欧空局把第一份太空垃圾清理订单(1.02亿美元)给了ClearSpace,清理2013年运载火箭“织女星”发射卫星时留在太空的卫星支架。ClearSpace将在2025年发射航天器,在800km的地球轨道上,机械臂将捕捉支架,拽入大气层后一同烧毁。

ClearSpace任务丨wikipedia

而在另一部分“保守派”眼中,主动干预不是好的解决办法。根据被认证为钱学森空间技术实验室副研究员的知乎用户@ZX Huo粗略的计算,一颗卫星平均要“游荡”1000年,才有机会撞上一次10cm级的空间碎片。虽然这是五年前的数据,即便放在今天,航天器在正常寿命内撞上空间碎片的概率也极其之小。

保守派担心:如果为了清理垃圾,而发卫星,结果可能造成更多额外的垃圾。“严密监控、提前预警、相互避让”在他们看来,是目前不添加额外负担的最好办法。欧空局每年都会“公告”,对没有尝试进入、失败进入墓地轨道的卫星进行“通报批评”。

而保守派和行动派绕不开的共同问题是,太空垃圾的清理进程是缓慢的,而增速就是爆发式的。按照凯斯勒效应的预估,总有一天,当地球轨道上的物体足够多时,灾难性的连锁碰撞必将无法避免。

但是足够多是多少,并没有人确切知道。

参考文献

[1]https://gizmodo.com/a-history-of-garbage-in-space-1572783046

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Space_debris

[3]https://www.zhihu.com/question/50794838

[4]https://marketresearchtelecast.com/steve-wozniaks-company-which-seeks-to-be-the-google-maps-of-space-will-launch-its-own-satellites-to-study-and-map-space-debris/207413/

[5]https://m.huxiu.com/article/356915.html?f=app_ios_friends

本文来自微信公众号 “果壳”(ID:Guokr42),作者:沈知涵,Steed对本文亦有贡献,编辑:卧虫,36氪经授权发布。

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