▲ 1969年7月16日，土星五号火箭运载着阿波罗11号的升空瞬间，每一次太空活动，都会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，他在太空里听到了许多“咚、咚、咚”的响声，但他不知道这是为什么。
这种声音来自何处？甚至有传闻说这是外星人在敲击飞船......靠谱的解释是，这是由舱内温度变化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、总量量超过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，如果历史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多么危险。如今，我们头顶的太空就面临着同样的困境。每次我们飞向太空，都可能对下一次的旅行产生威胁：火箭残留的碎片，废弃的卫星、甚至是空间站上不慎掉落在舱外的物品，都充斥在太空里，它们被形象地称为——太空垃圾。
▲阿波罗6号任务期间火箭脱落的瞬间。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）和苹果之间大小的垃圾，另外，至少还有1.28亿更小的以至于无法探测到的垃圾，总重量超过8400吨。
▲ 地球周围的太空垃圾模拟图。图/ESA
报废的人造卫星，是太空垃圾中的大个子。直到2019年年初，人们已经成功将约8950颗卫星送上了太空，如今，已经报废但依然漂浮在太空中的卫星，总数超过了3000颗。火箭的第一级，一般都会自然地落入大气层烧毁，而火箭的其它部分，就成为了太空垃圾的重要来源。早期火箭的二、三级，不具备反推进回收功能，所以在发射成功后就被留在了太空里。比如发射阿波罗12号的土星5号的第三级（已经重要到被命名为J002E3号天体），要再过几十年才能慢慢落回地球。在某些情况下，火箭在太空中会掉落零件或涂料碎片，甚至是发生引擎爆炸，从而形成更多的小块垃圾。
▲ 运送阿波罗17号的土星五号火箭第三级，与运送阿波罗12号的火箭第三级同款。图/NASA
人类在太空站出舱行走时，有时会不小心丢下一些东西。“爱德华·怀特丢失的手套，迈克尔·科林斯丢掉的一个扳手和一支牙刷，苏尼特·威廉斯掉落的摄影机......”这些都是被确实记录在案的遗失物品。
▲ 1998年拍摄到的一条在轨道中飞行的太空站的毯子。图/NASA
太空中的撞击或爆炸，将会极大程度地增加太空垃圾的数量。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，变为了两团由碎片组成的“垃圾云”。另外，很多国家都曾开展过反卫星实验，虽然有证据表明，卫星被导弹炸毁后，大部分的碎片都会很快坠落回地球，但毕竟还是有小部分留在了太空之中。
02.“炮弹”呼啸而过
我们一直有一种错觉，那就是太空是如此之大，不管我们“扔”多少东西上去，和它的广袤相比，都不值一提。然而，地球周围的空间，远非我们想象的那样“充裕”。因为，我们发射上去的东西，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范围内运行。低地轨道，一般指的是距离地面2000千米以内的空间，比如，国际空间站的飞行高度就在390千米左右。
▲ 低地轨道虽然只占到了地球轨道的一小部分（蓝色），但它的利用率远高于其它轨道。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，可以用更少的卫星覆盖全球。另外，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），与地面上的一个点保持相对静止。图/Rrakanishu，CC BY-SA 4.0
低地轨道有很多好处。因为离地面近，观测卫星就看得更清楚，通信卫星的延迟也更短。更为重要的是，离地面越近，发射成本就越低：人类最强大的火箭土星五号，如果是发射到低地轨道，能够载重119吨，但如果是发射到月球轨道，就只能装45吨了，花同样的钱，干更多的事儿，这个账，谁都会算。
▲美国的一枚极高频通信卫星。图/USAF
低地轨道的优势明显，但在这个区域运行，也会有很多麻烦。离地球近，意味着地球引力还能发挥很强的作用，所以在这里飞行的物体，需要保持高速才能维持轨道。低地轨道上的卫星因为速度太快，在某一片区域上空覆盖的时间只能有短短几十分钟，为了保障不间断的通信服务，人们必须打造由多颗卫星组建的网络，这就更加加剧了低地轨道的拥挤程度。Space X公司前几年提出的星链计划，一开口就要在低地轨道上部署多达1584颗卫星，数量之大甚至引发了人们对于“卫星密度太大，会影响天文观测”的担忧。
▲ 2014年7月14日发射的Space X猎鹰9号火箭。图/Wikipedia
如此密集的太空活动，让低地轨道，成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，都在高速飞行，这让它们拥有了惊人的破坏力。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错环绕着地球，这些“炮弹”和“子弹”，可以轻易地摧毁我们价值数万亿美元的卫星体系。
▲ 美国国家航空航天局艾姆斯研究中心的超高速弹道靶场，以每小时17000英里的速度发射的弹丸撞击固体表面时产生的“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情况。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家常便饭：“如果你在空间站墙边静静地坐着，过一会儿就能听到有东西像是撞击了飞船，虽然大部分情况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。”太空垃圾最可怕的地方还不是垃圾本身，而是它们可能引发的链式反应：当太空垃圾与其它物体相撞后，会产生更多的碎片，这将导致相撞事件的发生几率呈指数级增长。
▲ 欧洲航天局制作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产生的链式反应充满了担忧：“即使我们现在不再向太空发射任何东西，在200年内，大块垃圾会破碎成为小块垃圾，从而让太空无法使用。”
03.清扫回收？没那么容易！
本月初，欧洲航天局宣布，他们委托了一家名为Clearspace的公司，计划在2025年时开展人类第一个太空垃圾清理任务。Clearspace是由一群经验丰富的太空垃圾专家组成的瑞士初创公司，它的成立地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，因为它的唯一目标，是一块重量达到100千克的电子设备。
▲ Clearspace-1模拟图。图/ESA
NASA和欧航局的研究表明，要阻止太空垃圾发生链式反应、稳定轨道环境的唯一主动方法，是清除大碎片。所以，人类太空垃圾清理的第一步，就选择了这块100千克重的大家伙。这块电子设备，来源于2013年欧洲发射的织女星火箭（Vaga），它是火箭二级推进器上使用的载荷适配器。这枚适配器形状简单、结构坚固，非常适合作为第一次太空垃圾回收的试验品。说白了，就是不仅好抓，也不容易被撞得稀碎。
▲ 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，或许是一次失误。图/ESA_Event，CC BY-SA 2.0
为了完成这项任务，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，与它一起坠回地球，整个过程堪称一次“死亡拥抱”。除了“死亡拥抱”的方法外，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捉网的清理卫星，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，然后再打开降落伞返回地球。但是，在太空中与这些高速飞行的垃圾接触，十分考验技术，如果操作失败发生碰撞，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更加疯狂的想法，比如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......高能量的激光是非接触型垃圾“清扫”中一种可行性很高的选择：激光足以使垃圾表面的材料融化，产生的推力可以使它的速度变慢，或加快轨道降低的速度。但是这种激光因为不仅能打垃圾，还能打别的国家的卫星，所以当一个国家研发这种技术的时候，其它的航天国家都会感觉如坐针毡。或许，这次Clearspace-1的任务经验，能为我们带来更多的“清扫”灵感。
04.硬抗？躲避？无奈的选择
2000年开始运营的国际空间站，是人类历史上最大的航天工程。它的大小，相当于两个足球场，在垃圾遍布的低地轨道，国际空间站简直就是一个活靶子。
▲ 国际空间站。图/NASA
“当你在飞船上的时候，你需要意识到，有一些东西会与飞船发生碰撞，”国际空间站前站长克里斯·哈菲尔德曾向采访者坦言，“所以需要寻找一种与它共存的方法，我们的方法是，尽可能精确地去了解这件事，分析统计数据，知晓风险，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，红色区域为核心区域，防护力度最强，核心区域指的是：如果这些地方发生破损，有可能会危机到宇航员的生命安全。图/NASA
为了应对潜在的撞击，人类研发出了惠普尔护盾。这种护盾利用了“物体在高速撞击时，会爆发出极高的能量，从而使物体本身破碎、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，就碎成了粉末，粉末对第二层的威胁就很小了。在测试实验中，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）射向惠普尔护盾，虽然护盾被直接射穿了，但内侧仅有3毫米厚的铝制装甲上，只留下了微小的灼烧痕迹。不过，惠普尔护盾再强大，也只能承受小于1厘米碎片的撞击，当大碎片袭来的时候，空间站会根据地面雷达站的警告采取变轨措施，当然，每次的变轨都需要一定的成本。
▲ 位于美国马萨诸塞州的，为国际空间站提供预警的地面“干草堆”型雷达站。图/COO
地面指挥站为国际空间站画出了一个长宽都是50千米、高度是0.75千米的虚拟安全盒子，在人类监测的22300块太空垃圾中，如果其中的任何一个将穿过这个区域，就会引发警报。假如碰撞概率大于万分之一，国际空间站就必须变轨。
▲国际空间站的“安全盒子”。图/Real Engineering GSUI5051
对于国际空间站来说，变轨的损失可不只是消耗一些燃料，对空间站的加速会影响微重力实验的效果，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
不光是国际空间站，人类为每一颗在轨卫星都给予了充分的监测，如果它们即将发生碰撞，就会点火变轨。但是，卫星与国际空间站不同，它们不能补充燃料，如果因为变轨消耗过多的燃料，很可能导致在报废时无法返回地球，成为一块巨型的太空垃圾。太空垃圾数量大、速度快、处理难，威胁大，但是它们并不会永远留在太空。一个好的消息是，那些细小的、人类暂时无法处理的碎片，因为有更大的表面积质量比，所以更容易受到大气阻力的影响，坠落得也就更快。
▲ 残骸坠落回地球。图/《地心引力》
当然，这并不意味着我们无需顾忌太空垃圾，如果这个问题随着人类的航天活动继续恶化，那么它将对愈发繁忙的地球轨道产生更多的影响。这倒不是因为国际空间站或者卫星有多么高的价值，而是因为你我身边的一切，从汽车导航到远洋电话、从电视转播到天气预报，都无比依赖于我们头上的卫星。
- END -
文丨张雨晨
封图丨Real Engineering
