出品|网易科学人栏目组 惜辰
据BBC网站报道，近地轨道上布满的太空垃圾大小不一，数量众多，对各国部署的探测设备(如卫星)意味着潜在威胁，甚至可能引发灾难性的凯斯勒现象。人类挖的坑还得自己来填。不同太空机构或企业都致力寻找解决方案：利用无人飞船实施避碰操作；用望远镜阵列追踪太空垃圾；使用回收网、机械爪、离轨帆等技术清理垃圾。
最近猎鹰重型火箭发射成功，它的两个推进器同步垂直着陆，与此同时，樱桃红的特斯拉跑车和身穿宇航服的Starman人形模特也随火箭飞往太空。这枚继土星5号火箭之后的最强火箭轰动一时，Space X的创始人埃隆·马斯克获得广泛赞誉。但是这辆跑车却引发了舆论分歧。
马斯克精心安排这辆跑车上天，或许是想致敬太空科学，从营销上也不失为成功案例。但同时，它终将解体成为飘荡太空的人造残骸，从而引发潜在威胁。
仰望太空，看似清朗却危急重重。目前散布在近地轨道上的太空垃圾中，有50多万块和弹珠差不多大，2万多块体积和板球差不多。体积更大的太空垃圾有宇航员的手套、废弃的航天器以及分级火箭。不过，尺寸未必和潜在威胁成正比。
随着人类展开新一轮的太空竞赛，中国、印度等国也加入了探索宇宙的角逐中，越来越多的太空垃圾将产生。下一代太空科学家将面临一场严峻的考验：环绕地球的潜在威胁不断增加，未来如何保证宇宙探测器不受影响。
为避免潜在的致命危机，全球的太空机构都在摸索如何解决太空垃圾问题。
NASA轨道碎片项目的首席科学家刘杰奇(Jer-ChyiLiou)表示，“几毫米大小的轨道碎片会对近地轨道上的大多数探测器造成极高的冲击速度，因此穿透风险最高。”
这些细小碎片的最高速度接近4.8万公里/时，远远超过发射中的子弹。
今年2月初，联合国第55次关于和平利用外太空的科学技术小组委员会会议在越南举办。会议期间，刘杰音分享了有关太空碎片环境的最新情况以及NASA展开的行动和研究。仅2017年，全球共执行86次发射任务，把400多个宇宙探测器送往近地轨道。
“近地轨道上的碎片共超过7600吨。美国战略司令部的太空监视网络(SSN)正在追踪大约2.3万块大碎片。还有数千万块碎片因体积太小无法被追踪，但仍会对载人航天飞船和无人太空设备造成威胁。”
凯斯勒现象或碰撞级联效应是指太空碎片密集到某个临界点，太空垃圾彼此碰撞后造成更多撞击，形成更多碎片，最终发生级联效应，让整个近地轨道布满危险的太空垃圾，让卫星失去能够安全运行的轨道。太空已是人类日常生活不可或缺的一部分，远程通信、灾难监测等都离不开太空设备的正常运行，失去任何一颗卫星都意味着极大的损失。
2009年，美国的铱33通讯卫星与俄罗斯已报废的宇宙2251卫星相撞，导致太空碎片的数量激增。
去年，NASA利用无人飞船实施了21次避碰操作。其中4次是为了躲避来自风云-1C卫星的碎片，两次是为了避免与铱33和宇宙2251卫星遗留的碎片相撞。
通过改变轨道来移除太空中的障碍物是避免可能碰撞的途径之一。但由于太空垃圾数量过多，持续的观察和预测是很有必要的。
刘杰音指出，“NASA综合利用雷达、望远镜、现场测量等方法对亚毫米级的太空垃圾展开监测（并非追踪）。”
2017年12月，NASA在国际空间站上安装了太空碎片传感器(Space Debris Sensor)。它约有1平方米，厚20厘米，具体安装在欧洲的哥伦布实验舱中。至少两年内，它将负责监测毫米级的太空碎片，提供它们的尺寸、密度、速度和轨道等信息，也将判断这些碎片是来自太空还是人造残骸。
近地轨道所有已知的太空垃圾中，约有三分之一是由美国造成的。
全球的太空机构都在致力于解决这些太空隐患。俄罗斯联邦航天局已与巴西航天局达成合作，将在巴西架设一台全新的望远镜，用来监测太空垃圾。
这一领域也存在商业市场。美国的ExoAnalytic Solutions和英国的Space Insight等私营公司对太空垃圾展开监测，再把数据出售给卫星运营商。Space Insight公司在塞浦路斯安装了地面传感器。
在西班牙，Deimos Sky Survey公司利用望远镜阵列追踪小行星、太空垃圾等近地天体。该公司也监测到埃隆·马斯克送往太空的特斯拉跑车。
除了让太空垃圾改变轨道以防止碰撞的方法，回收太空垃圾也具有可行性。今年4月，REMOVEdebris卫星将搭载SpaceX的猎鹰9号火箭升空，飞往国际空间站以执行太空碎片主动清除任务。为了测试几种回收方法，卫星上携带的两枚立方体卫星将向太空释放模拟碎片。这项任务由英国萨里太空中心负责。
该中心的主管古格列尔莫·阿哥列提(Guglielmo Aglietti)表示，任务期间将对四项关键技术进行测试：视觉导航系统、碎片回收网、抓取碎片的机械爪以及离轨帆。离轨帆的作用是让碎片减速、最终坠入地球大气层。
太空机械爪听起来有点离奇，但对于较大的太空垃圾，它能够发挥很大的作用。它仅有一把笔那么大，由空中客车防务及航天公司（Airbus Defence & Space）设计制造。
这项测试任务将向太空发射一块10平方厘米的面板，与机械爪相距1.5米远。系有栓绳的机械爪从太空飞船中发射后将尝试刺穿和回收面板。回收网的作用是包覆并拉回太空垃圾。
离轨帆是一块塑料薄膜，只能在机械爪和回收网之后接受测试。阿哥列提说，“在真实操作中，离轨帆会在最后一个阶段发挥作用，它能让太空垃圾逐渐偏离轨道并最终坠毁在地球大气层中。”
REMOVEdebris卫星若成功地通过测试，它们将开始履行太空清扫工的使命。阿哥列提表示，“我们将证明，利用相对廉价的技术能够完成清除太空垃圾的任务。我们希望，该技术能够吸引商业投资，并开始执行任务，移除那些威胁系数最高的太空垃圾。
回收可控的虚拟垃圾是重要的第一步。下一阶段对不可控的太空垃圾的清理会更复杂。欧洲航天局正向成员国提议，在2019年末执行E.deorbit任务。
欧洲航天局太空垃圾办公室主管霍尔格·克拉格(Holger Krag)指出，“E.deorbit将证明，我们能够从轨道中安全移除不可控的垃圾，这可能是欧洲航天局的废弃卫星，对地面指令再无回应。我们将首次把回收技术应用在真实的目标卫星上。”
为了接近废弃卫星，执行任务的太空飞船将安装传感器组件，这绝非易事。克拉格指出，“接近国际空间站这种受控对象、再与之对接都是一项大挑战。废弃卫星是不受控的对象，可能会翻滚或旋转，因此抓取设备必须做出同步调整，尽可能地固定住卫星。”
欧洲航天局经历过了一次惊险的事故。2016年8月，数厘米大小的太空碎片击中哨兵1A卫星的一块太阳能面板，导致电力小幅下降，卫星的轨道和方向发生略微偏移。
克拉格表示，“我们十分重视太空垃圾这一威胁，欧洲航天局发射了20颗卫星，其中10颗卫星在太空垃圾十分密集的区域运行。我们需要定期实施防撞操作。”
但克拉格对这一问题持有一种务实的态度。他说，“我们只能尽己所能地控制风险，但无法完全避免碰撞。”
本文来源：网易科学人
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