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太空垃圾包括因壽命已盡而報廢、因事故和故障而失控的人造衛(wèi)星、發(fā)射各類航天器時使用過的火箭本身及其一部分零件。
多級火箭分離時產(chǎn)生的碎片、大塊碎片相互碰撞后產(chǎn)生的小碎片，甚至還有宇航員在太空作業(yè)時遺失的手套和工具等物品。
宇航員太空艙外高空作業(yè)
據(jù)不完全統(tǒng)計，從1957年到2005年，世界各國總共發(fā)射成功了約6000個航天器。
其中俄羅斯3121個，美國1802個，其他國家、地區(qū)和組織為764個（其中日本109個，中國88個，法國46個，印度38個等）。
其中通信衛(wèi)星1671顆，遙感衛(wèi)星2107顆，導航衛(wèi)星384顆，科學衛(wèi)星和試驗衛(wèi)星1049顆，空間探測器140個。
另據(jù)美國關注科學家聯(lián)盟組織2007年初公布的世界衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫顯示，環(huán)繞地球飛行的共有近800顆各類衛(wèi)星，其中413顆屬于美國。
這些衛(wèi)星在使用壽命耗盡后都會通過變軌來碰撞大氣自毀，然而，高軌道衛(wèi)星動能龐大，使得它們難以減速墜毀，一些老舊的衛(wèi)星的操作也會遇到不可預期的問題而失控。
這是目前大型垃圾的主要來源，如“高層大氣研究衛(wèi)星（UARS）”、尖兵一號人造衛(wèi)星。
高層大氣研究衛(wèi)星太空假想
在發(fā)射衛(wèi)星上太空的過程中，大部分火箭的第一節(jié)都會自然落入大氣燒毀，而后面級若能達到入軌高度，一般則會進行反推來回收（早期版本的火箭可能不會擁有此功能）。
不過少部分情況下，會因為引擎突然爆炸或是零組件遺落、燃料估算錯誤而導致最終可能無法進行所謂可操作墜毀的過程。
除了航天器之外，美國在20世紀60年代曾經(jīng)執(zhí)行過西福特計劃（Project West Ford），將4億3000萬根銅制偶極天線散布在軌道上形成云狀環(huán)，從而反射無線電信號以便海外的美軍能更好地與本國聯(lián)系。
這個計劃散布的針狀物分布于高度在3500公里到3800公里之間，軌道傾角在96度到87度之間的軌道范圍。
根據(jù)當時美國聯(lián)合國大使阿德萊·史蒂文森的說法，在太陽輻射壓力的作用下，這些針將會在短短3年內(nèi)離開軌道。
但事實上直到現(xiàn)在仍有相當數(shù)目的針殘留在軌道上，偶然才會返回大氣層。
銅制偶極天線，全長1.78厘米，直徑25.4微米（1961年）/17.8微米（1963年）的針狀物
一些太空作業(yè)過程也會意外地遺留下太空垃圾。
在Edward Tufte所著的書籍《Envisioning Information》中提及到現(xiàn)存的太空垃圾當中包括一只太空人愛德華·懷特在進行艙外活動時遺失的手套。
邁克爾·科林斯在雙子星座10號任務期間遺失的攝影機及和平號空間站運作15年間棄掉的垃圾袋、一個扳手和一支牙刷。
參與STS-116（第120次航天飛機計劃）的蘇尼特·威廉斯在一次艙外活動期間也丟失了一個攝影機。
STS-120的工作人員在維修國際空間站上一塊太陽能電池板時遺失一對鉗，在STS-126中一名太空人進行艙外活動時丟失了一個大約公文包大小的工具包。
在STS-126中丟失的工具包
太空垃圾的另一主要來源是冷戰(zhàn)時期反衛(wèi)星武器的研發(fā)，美國與蘇聯(lián)在60至70年代所進行的一系列反衛(wèi)星武器試驗制造了大量太空垃圾。
80年代，美國重新啟動反衛(wèi)星武器計劃，與渥特（Vought）公司簽約研發(fā)出ASM-135反衛(wèi)星導彈，并在1985年進行實驗擊毀了一個環(huán)繞地球重2200磅的衛(wèi)星，制造了上千顆大于1厘米的太空垃圾。
所幸由于實驗在較為低的軌道上進行，大部分的碎片被重力牽引并在大氣層內(nèi)燃燒殆盡。
反衛(wèi)星武器假想圖
太空垃圾一般在高300~450公里的近地軌道上以每秒7~8公里高速運動，而在36000公里高度的地球靜止軌道上則以每秒3公里的速度運動。
根據(jù)軌道傾角碰撞時的相對速度甚至可以達到每秒10公里以上，因此具有巨大的破壞力。
因此太空垃圾若與運作中的人造衛(wèi)星、載人飛船或國際空間站相撞，會危及設備甚至宇航員的生命。
據(jù)計算，一塊直徑為10厘米的太空垃圾就可以將航天器完全摧毀，數(shù)毫米大小的太空垃圾就有可能使它們無法繼續(xù)工作。
而太空垃圾也因此成為了國際問題。
太空垃圾的分布示意圖
為控制和減少太空垃圾，宇航專家們提出了許多對策，總結(jié)為“避、禁、減、清”四個字。
“避”就是發(fā)展現(xiàn)代太空監(jiān)視系統(tǒng)，使航天器及時避開太空垃圾。
日本本州島岡山縣一臺遠程控制雷達2005年開始工作，這是世界上第一臺專門用來跟蹤太空垃圾移動的雷達，它能同時跟蹤近十個物體。
美國空間監(jiān)視網(wǎng)絡（US Space Surveillance Network, SSN）、俄羅斯空間監(jiān)視系統(tǒng)（Space Surveillance System, SSS）等機構(gòu)對約10厘米以上的較大太空垃圾進行編錄并實時監(jiān)視，而日本也在美星空間警戒中心、上齋原空間警戒中心進行太空垃圾的觀測工作。
已被編錄的大于10厘米的太空垃圾現(xiàn)已經(jīng)超過9000個，而1毫米以下的微小太空垃圾可能有幾百萬甚至幾千萬個。
“禁”是禁止在空間進行試驗和部署各種武器，限制發(fā)射核動力衛(wèi)星。
“減”就是盡量減少太空垃圾的增加。
我國已掌握了火箭剩余燃料排放技術(shù)，避免在執(zhí)行火箭發(fā)射任務后產(chǎn)生太空垃圾。
“清”就是發(fā)展太空垃圾清除技術(shù)，美國航空航天局正在試驗一種“激光掃帚”技術(shù)擊落太空垃圾。
俄羅斯科研人員還開發(fā)出保護航天器與太空垃圾碰撞的新防護屏。
當太空碎片與其發(fā)生碰撞時，將降低碰撞的強度，碰撞產(chǎn)生的能量還使太空垃圾發(fā)生爆炸式的化學反應，大大加快了太空碎片變成粉末的過程。
目前比較具體的太空垃圾清理方案設想有五個，一是美國德州農(nóng)工大學提出“彈弓-衛(wèi)星太空清掃器”的設計方案。
該方案能夠捕獲太空垃圾，再將太空垃圾投向地球大氣層燃燒，之后使用動量航行至下一個太空殘骸目標進行清除。
太空彈弓設想圖
二是“立方太陽帆”。英國提議建造“立方太陽帆”，使用小型人造衛(wèi)星帶動太陽帆捕獲太空殘骸至低軌道。
最初計劃于2011年實施，但目前該計劃仍在籌劃之中，期待生產(chǎn)商薩里太空中心制造更多小型人造衛(wèi)星來實現(xiàn)。
立方太陽帆計劃
三是大氣層爆炸法。美國弗吉尼亞州雷神BBN科技公司的丹尼爾-格雷戈里（Daniel Gregory）提出一種策略——在大氣層制造“爆炸”，使人造衛(wèi)星殘骸進入低軌道燃燒。
他們在高海拔平原釋放氣球爆炸，2012年初進行的研究測試表明該方法足以擾亂低地球軌道太空殘骸的運行路徑。
四是美國國家航空航天局希望研制的“激光掃帚”，它主要針對直徑1~10厘米的太空垃圾。
“激光掃帚”鎖定某個太空垃圾目標后，將發(fā)出一束激光，照射在太空垃圾背離地球的一端，使之部分升華為氣體。
就像噴氣式飛機的原理一樣，利用氣體的反作用力推動太空垃圾朝地球的方向運動，最終使其進入大氣層，與大氣層產(chǎn)生強烈摩擦而燃燒自毀。
五是太空清理衛(wèi)星，瑞士航天中心正在研發(fā)一種超快仿生手臂，將其安裝在“清潔空間一號”衛(wèi)星上，捕捉并回收太空垃圾。
瑞士航天中心希望這個機械手臂能在0.05秒內(nèi)抓住各種不規(guī)則形狀的拋擲物。
我國新一代運載火箭長征七號2016年6月25日首飛搭載的遠征1A上面級，為中國未來空間碎片清理等軌道服務奠定了工程應用基礎，對于中國空間運輸與應用系統(tǒng)的發(fā)展具有里程碑意義。
首飛火箭搭載載荷“遨龍一號空間碎片主動清理飛行器”也在探索太空垃圾清除相關技術(shù)。
遨龍一號空間碎片主動清理飛行器發(fā)射
雖然說由于太空垃圾的體積限制，導致數(shù)量眾多的它們均攤到地球周圍廣袤太空時顯得稀稀疏疏，但太空垃圾的存在依舊會嚴重影響到地球太空探索的安全。
2005年1月17日世界時2點14分，在南極上空東經(jīng)306.8°、南緯80.6°的885千米高空發(fā)生了一起“宇宙交通事故”。
我國一塊長征四號火箭的碎片與美國雷神-博納火箭的末級相撞，撞擊的結(jié)果是雷神-博納火箭被撞出兩塊地面可跟蹤的碎片。
太空垃圾假想圖
太空垃圾能否清除關系到我們未來能否自由地進入太空，我們不能任由它們漫天飛舞。
各國科學家正在行動，相信一定能夠還宇宙一片干凈的星空。
（作者系中國科學院國家空間科學中心博士，現(xiàn)中國運載火箭技術(shù)研究院總體設計部型號設計師）
中科院地質(zhì)地球所
