将太空垃圾清除到底
作者：薛胜
来源：《发明与创新(学生版)》2012年第06期
居住在美国北卡罗来纳州阿什维尔市的唐纳德·克斯勒尔，是美国宇航局的退休科学家。他经常在自己住宅的后院平台上，架起塞莱斯特望远镜观测太空。虽然这台望远镜算不上是最先进的，但却是克斯勒尔最珍爱的物品。
1978年，克斯勒尔发表的一篇论文《人造卫星频繁碰撞：碎片带的产生》，使他在宇航界声名鹊起。他是一位天体物理学家，当他被分配到休斯敦美国宇航局约翰逊航天中心环境效应项目组工作之后，便对人类扔在太空的垃圾产生了浓厚兴趣。
克斯勒尔在那篇具有开创性的论文中，向世人描绘了这样一场噩梦：超过使用期的卫星和其他太空垃圾在不断增加，总有一天碰撞将不可避免，而这些物体碰撞之后又会产生无数同样危险的碎片，于是又造成新的连锁反应。
“其结果将是，随着时间的推移，碎片的数量呈指数级增加，最后产生一条环绕地球的碎片带。”
克斯勒尔的论文发表以后，美国宇航局立刻成立轨道碎片项目组，并由克斯勒尔负责研究这个问题。此后克斯勒尔的职业便是跟踪太空垃圾，同时与其他国家的同行联手，努力降低太空垃圾产生的速度。他对轨道碎片大爆发周期的预测——每30至40年出现一次——已经成为著名的“克斯勒尔征候群”。
尽管美国宇航局官员在理论上接受了克斯勒尔的预测，但在这个问题上仍然无所行动，因为捕获和处理太空垃圾成本高而且困难。此外，他们认为太空垃圾的危险性还没有到严重的程度。
克斯勒尔于1996年退休，虽然他的胡子开始灰白，但他仍然经常用望远镜扫视夜空，盼望人类能采取一些办法。“我担心不该发生的事情，最终会不可避免地发生。”他说。
果然，在2009年2月10日，也就是他的论文发表30年之后，“克斯勒尔征候群”不幸应验了。大约在西伯利亚冻土带上方800公里的太空，两颗卫星正在遨游，各自的运行速度为每秒8公里。正在执行任务的美国“铱星33号”向北飞行，而此时，俄罗斯早已退役的通讯卫星“宇宙2251号”，正在一条失控的轨道上像一名醉汉一样踉跄前行。
突然，两颗卫星亲密接触，刹那间猛烈的撞击把它们化成2100块碎片。虽然对地面产生的影响很小，可能只有几块残片掉到地面，但在遥远的太空，后果却极其严重。卫星残骸很快扩展形成一朵碎片云，轨道上的每块碎片都成了一枚炮弹，足以摧毁任何一颗价值连城的人造卫星。
当克斯勒尔收到来自美国宇航局前同事们有关卫星碰撞的报告之后，他意识到发生的情况完全没有超出他的预期。这次事故表明，太空碰撞已经从理论走向了现实。
在这次事故发生后不久，一个名为“空间监测网”的军事单位马上开展行动。在位于加利福尼亚州范登堡空军基地的联合太空作战中心的指挥下，该监测网开始利用雷达装置和光学传感器系统监测太空垃圾。
他们早在美俄两颗卫星发生碰撞事故前，就对120颗活动卫星进行了跟踪，发现其中5颗每天都有可能发生碰撞。但这次事故使所有人都感到意外，因为这两颗卫星根本就不在那天可能发生事故的名单中。
联合太空作战中心迅速行动，将计算机处理能力提高一倍。到2010年年初，被列入电脑监测范围的活动卫星已经达到1000颗，失效卫星和火箭推进器3700件，此外还有拳头般大小的物体15300个，所有这些物体平均每天发生碰撞的可能性高达75%。然而，被计算机忽略的微型碎片估计有50万个，它们也可能对卫星造成威胁。这些碎片由于太小，无法被地面跟踪系统定位，但它们都具有严重破坏卫星的能力。
美俄两颗卫星发生碰撞事故仅仅过去一个月，又发生了一起太空电机碎片险些撞击国际空间站的事故。在美国东部时间2009年3月中午12时左右，宇航员们正在国际空间站里进行日常维护工作，突然他们接到警告，要为可能发生的碰撞做好准备。于是他们听从指令钻进国际空间站附近的救生艇，即俄罗斯制造的联盟号密封舱，它能在必要时刻为宇航员提供逃生机会。几分钟后，电机碎片在与国际空间站相距只有几公里的地方擦肩而过。
然后在同年12月1日，几乎没有警告，1.6公里之外的一块卫星小残片，直接朝国际空间站撞去。它就像一颗呼啸而来的子弹，产生的能量相当于一卡车的炸药。
自太空时代起，美国宇航局便按照所谓的“大天空理论”办事。该理论认为，太空宽广无边，足以容纳完成各种使命后的人造卫星或废弃的火箭推进器；而且这些物体迟早会从轨道上掉下来，在重返地球大气层的过程中被烧毁，唯一的问题是什么时候。有些废弃物也许要等上数年，而那些滞留在高轨道上的物体，可能几十年都不会掉入大气层。
“对于这个问题我们当时都没有多加考虑。”美国宇航局高级安全官员、前宇航员布莱恩·奥康纳如是说。俄罗斯和其他国家在实施发射任务时，也抱有类似的观点：即使真有一块巨型太阳能电池板从卫星上脱落下来，人们唯一能做的就是祝它一路顺风。
实际上，克斯勒尔并不是唯一对大天空理论发出不同声音的专家。英国著名科幻作家、国际通讯卫星的奠基人阿瑟·克拉克，1979年写了小说《天堂的喷泉》，书中提到太空聚集的所有垃圾“都被定位，并以某种方式处理。”他甚至设计出这样的清理行动：空间堡垒利用高能激光器对天空进行大扫除，把垃圾蒸发掉。
克拉克警告说，如果我们不采取行动，地球与外界联络的通道将被切断，我们将失去通过卫星进行通讯和探索太空的能力。他这样写道：“人类将重新回到闭塞时代，由此而产生的一片混乱中，疾病和饥饿会把人类逼入绝境。”
为了推迟这一天的到来，克斯勒尔和轨道碎片项目组的同事们，制定了减缓太空垃圾堆积的有关规则。这些规则对太空可遗弃物作出了限制，他们要求卫星运营商帮助清理3.6万公里高度、地球同步轨道堆积的垃圾，把退役飞船送到位置更高的“墓地轨道”，以免伤及其他。截至2008年，世界主要空间机构都采纳类似规则。
新规则确实减缓了太空垃圾的增加。但是，由于地球引力的作用，天空始终有东西掉下来。在美国官方记载的碎片目录中，每天都有物体坠落，它们一旦脱离飞行轨道，在重新进入大气层时便化为灰烬。
而那些体积较大或高密度的物体，在重回大气层时会逃过一劫，落到地球表面，不过它们通常会掉入海洋或无人居住的旷野。也有例外：有一次一个火箭前级坠落在沙特阿拉伯的沙漠地区，给当地的牧羊人造成不小的震撼；1997年，一个钢质燃料箱掉入美国得克萨斯州一户人家的院子里。
美俄两颗卫星发生碰撞事故，终于宣告一度主导空间开发的“大天空理论”的破产。联合太空作战中心专家克里斯·莫斯指出：“这种理论对空间开发不再具有可行性。”
美国宇航局官员现在承认，轨道碎片是对国际空间站的最大威胁。欧洲航天局碎片问题专家海纳·克林克拉德呼吁全世界采取统一行动：“清除碎片是治愈克斯勒尔征候群唯一有效方法。”
2009年12月，美国国防部高级研究计划局和美国宇航局，共同举行有关轨道碎片清除问题的国际会议。这次会议的目的是敞开大门“集思广益”，重头戏是太空碎片的权威唐纳德·克斯勒尔所做的发言。
国防部高级研究计划局以前不关心太空碎片问题，但现在不得不重视起来，这次会议由计划局战术问题主任戴维·内兰主持开幕式，他指出，“计划局的参与可能使大家感到意外，其实计划局是为了防止轨道碎片造成意外事故，而被迫寻求不同技术领域间的通力合作。”这也正是美国为间谍卫星的安全担忧而产生的结果。
这次会议上，不少专家学者提出了一些解决方案，例如：向太空发射巨型粘球，把粘住的垃圾拖出轨道；给太空垃圾装上帆，把它们缓缓地导向地球……
一位前美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家提出一项长期计划，要在夏威夷山顶建一座大型激光站。一位教授建议，在卫星上安装激光装置，把垃圾轰入大气层。
总的来说，有三种方案似乎有可行之处。第一种方案的提出者是美国南卡罗来纳州星体科技与研究公司总裁罗姆·皮尔森，他认为完成这项任务需要7年时间。
首先，利用其他运载工具把12个手提箱大小的太空飞行器送上轨道，每个飞行器装有100张轻质网，每张网有一座房子那么大。地面遥控人员通过机载摄像机撒网罩住太空垃圾，然后操作飞行器将垃圾拖离轨道，飞行器完成任务后返回重新工作。
皮尔森声称，他的系统可以在最拥挤和危险的低地球轨道，捕获到2500块左右的碎片，估计费用约2.4亿美元。
第二种方案由美国宇航局的专家杰克·培根提出。根据他的设计，将一艘10吨重的母船送上太空，此母船能捕获10多吨大批量生产的微型卫星。微型卫星一旦接近母船，就可以抛出网罩住它们，然后把这些碎片拖入大气层。这种方法非常适合用来清理位于低地球轨道、重量不到1公斤的太空垃圾，但是无法清理更重的物体，如火箭外壳或失效卫星。据他估计，发射一艘母船的费用约1亿美元，总共能执行12次任务。
第三种方案是美国西雅图地区太空业务承包公司泰特尔公司的首席执行官罗布·霍伊特提出的。15年来，霍伊特一直在开发一种用于清理低地球轨道太空垃圾的鲁斯特勒系统。
他的设想是：利用发射的卫星搭载重量约180公斤的中型航天器。进入轨道后，这种飞行器会缓缓接近太空垃圾，布下一根9.6公里长的导线，然后给导线施加1安培的电流。该电流会与地球的磁场相互作用产生一股推力，将垃圾送入大气层。霍伊特的设计得到了克斯勒尔等人的赞扬，因为它简单而成本相对低廉。据霍伊特测算，一次任务可清除数吨垃圾，所需费用仅数百万美元。
对于太空垃圾的危害程度，在美国宇航局约翰逊航天中心工作的埃里克·克里斯琴森可以说最清楚，他领导的一个团队专门研究轨道物体遭到碰撞后，会发生什么后果。他的实验室名叫超高速撞击技术实验室。美国宇航局进行碰撞试验的测试区建在新墨西哥州白沙地区，在那里，技术人员操作一门大炮，利用火药和加压氢气把塑料塞子射向防护罩。就像真正的太空垃圾，“炮弹”飞行的速度可以达到每秒8公里。
克里斯琴森和同事对实验结果进行研究，然后利用自己的成果协助开发更牢固的材料，并改进航天器的设计。他们还致力于开发能使航天器免遭“流弹”袭击的保护装置。克里斯琴森指着一种专为国际空间站设计的多层纤维和陶瓷面板介绍说：“这是目前最轻盈的防护罩，能够抵挡2厘米大小的弹丸冲击。”
美国宇航局原先的宏伟计划是，在2020年把宇航员重新送上月球。随着航天飞机最终退出历史舞台，以及美国的航天发射终将实现私有化，这一切似乎意味着美国宇航局的工作重点将进行调整。也许这正是认真考虑给太空进行清理的有利时机。
当然，目前主要的障碍是资金问题。但是美国宇航局在为2011年制定的预算方案中第一次出现了一笔40万美元的奖励基金，准备授予为清除轨道碎片做出贡献的研究人员。该项拨款将是新工程“空间技术”的一部分，在未来5年内总资金将达到近50亿美元。
对于现在已经70高龄的唐纳德·克斯勒尔来说，这无疑是个令人欣喜的好消息。
他说：“任何人都可以用肉眼看到卫星，每小时都有好几颗在上空掠过。”他常说，他最担心听到传来不幸的消息，例如哪颗卫星被撞毁了，或者所有的太空任务因为碎片原因而使危险性大增。
将太空垃圾清除到底
作者：薛胜
来源：《发明与创新(学生版)》2012年第06期
居住在美国北卡罗来纳州阿什维尔市的唐纳德·克斯勒尔，是美国宇航局的退休科学家。他经常在自己住宅的后院平台上，架起塞莱斯特望远镜观测太空。虽然这台望远镜算不上是最先进的，但却是克斯勒尔最珍爱的物品。
1978年，克斯勒尔发表的一篇论文《人造卫星频繁碰撞：碎片带的产生》，使他在宇航界声名鹊起。他是一位天体物理学家，当他被分配到休斯敦美国宇航局约翰逊航天中心环境效应项目组工作之后，便对人类扔在太空的垃圾产生了浓厚兴趣。
克斯勒尔在那篇具有开创性的论文中，向世人描绘了这样一场噩梦：超过使用期的卫星和其他太空垃圾在不断增加，总有一天碰撞将不可避免，而这些物体碰撞之后又会产生无数同样危险的碎片，于是又造成新的连锁反应。
“其结果将是，随着时间的推移，碎片的数量呈指数级增加，最后产生一条环绕地球的碎片带。”
克斯勒尔的论文发表以后，美国宇航局立刻成立轨道碎片项目组，并由克斯勒尔负责研究这个问题。此后克斯勒尔的职业便是跟踪太空垃圾，同时与其他国家的同行联手，努力降低太空垃圾产生的速度。他对轨道碎片大爆发周期的预测——每30至40年出现一次——已经成为著名的“克斯勒尔征候群”。
尽管美国宇航局官员在理论上接受了克斯勒尔的预测，但在这个问题上仍然无所行动，因为捕获和处理太空垃圾成本高而且困难。此外，他们认为太空垃圾的危险性还没有到严重的程度。
克斯勒尔于1996年退休，虽然他的胡子开始灰白，但他仍然经常用望远镜扫视夜空，盼望人类能采取一些办法。“我担心不该发生的事情，最终会不可避免地发生。”他说。
果然，在2009年2月10日，也就是他的论文发表30年之后，“克斯勒尔征候群”不幸应验了。大约在西伯利亚冻土带上方800公里的太空，两颗卫星正在遨游，各自的运行速度为每秒8公里。正在执行任务的美国“铱星33号”向北飞行，而此时，俄罗斯早已退役的通讯卫星“宇宙2251号”，正在一条失控的轨道上像一名醉汉一样踉跄前行。
突然，两颗卫星亲密接触，刹那间猛烈的撞击把它们化成2100块碎片。虽然对地面产生的影响很小，可能只有几块残片掉到地面，但在遥远的太空，后果却极其严重。卫星残骸很快扩展形成一朵碎片云，轨道上的每块碎片都成了一枚炮弹，足以摧毁任何一颗价值连城的人造卫星。
当克斯勒尔收到来自美国宇航局前同事们有关卫星碰撞的报告之后，他意识到发生的情况完全没有超出他的预期。这次事故表明，太空碰撞已经从理论走向了现实。
在这次事故发生后不久，一个名为“空间监测网”的军事单位马上开展行动。在位于加利福尼亚州范登堡空军基地的联合太空作战中心的指挥下，该监测网开始利用雷达装置和光学传感器系统监测太空垃圾。
他们早在美俄两颗卫星发生碰撞事故前，就对120颗活动卫星进行了跟踪，发现其中5颗每天都有可能发生碰撞。但这次事故使所有人都感到意外，因为这两颗卫星根本就不在那天可能发生事故的名单中。
联合太空作战中心迅速行动，将计算机处理能力提高一倍。到2010年年初，被列入电脑监测范围的活动卫星已经达到1000颗，失效卫星和火箭推进器3700件，此外还有拳头般大小的物体15300个，所有这些物体平均每天发生碰撞的可能性高达75%。然而，被计算机忽略的微型碎片估计有50万个，它们也可能对卫星造成威胁。这些碎片由于太小，无法被地面跟踪系统定位，但它们都具有严重破坏卫星的能力。
美俄两颗卫星发生碰撞事故仅仅过去一个月，又发生了一起太空电机碎片险些撞击国际空间站的事故。在美国东部时间2009年3月中午12时左右，宇航员们正在国际空间站里进行日常维护工作，突然他们接到警告，要为可能发生的碰撞做好准备。于是他们听从指令钻进国际空间站附近的救生艇，即俄罗斯制造的联盟号密封舱，它能在必要时刻为宇航员提供逃生机会。几分钟后，电机碎片在与国际空间站相距只有几公里的地方擦肩而过。
然后在同年12月1日，几乎没有警告，1.6公里之外的一块卫星小残片，直接朝国际空间站撞去。它就像一颗呼啸而来的子弹，产生的能量相当于一卡车的炸药。
自太空时代起，美国宇航局便按照所谓的“大天空理论”办事。该理论认为，太空宽广无边，足以容纳完成各种使命后的人造卫星或废弃的火箭推进器；而且这些物体迟早会从轨道上掉下来，在重返地球大气层的过程中被烧毁，唯一的问题是什么时候。有些废弃物也许要等上数年，而那些滞留在高轨道上的物体，可能几十年都不会掉入大气层。
“对于这个问题我们当时都没有多加考虑。”美国宇航局高级安全官员、前宇航员布莱恩·奥康纳如是说。俄罗斯和其他国家在实施发射任务时，也抱有类似的观点：即使真有一块巨型太阳能电池板从卫星上脱落下来，人们唯一能做的就是祝它一路顺风。
实际上，克斯勒尔并不是唯一对大天空理论发出不同声音的专家。英国著名科幻作家、国际通讯卫星的奠基人阿瑟·克拉克，1979年写了小说《天堂的喷泉》，书中提到太空聚集的所有垃圾“都被定位，并以某种方式处理。”他甚至设计出这样的清理行动：空间堡垒利用高能激光器对天空进行大扫除，把垃圾蒸发掉。
克拉克警告说，如果我们不采取行动，地球与外界联络的通道将被切断，我们将失去通过卫星进行通讯和探索太空的能力。他这样写道：“人类将重新回到闭塞时代，由此而产生的一片混乱中，疾病和饥饿会把人类逼入绝境。”
为了推迟这一天的到来，克斯勒尔和轨道碎片项目组的同事们，制定了减缓太空垃圾堆积的有关规则。这些规则对太空可遗弃物作出了限制，他们要求卫星运营商帮助清理3.6万公里高度、地球同步轨道堆积的垃圾，把退役飞船送到位置更高的“墓地轨道”，以免伤及其他。截至2008年，世界主要空间机构都采纳类似规则。
新规则确实减缓了太空垃圾的增加。但是，由于地球引力的作用，天空始终有东西掉下来。在美国官方记载的碎片目录中，每天都有物体坠落，它们一旦脱离飞行轨道，在重新进入大气层时便化为灰烬。
而那些体积较大或高密度的物体，在重回大气层时会逃过一劫，落到地球表面，不过它们通常会掉入海洋或无人居住的旷野。也有例外：有一次一个火箭前级坠落在沙特阿拉伯的沙漠地区，给当地的牧羊人造成不小的震撼；1997年，一个钢质燃料箱掉入美国得克萨斯州一户人家的院子里。
美俄两颗卫星发生碰撞事故，终于宣告一度主导空间开发的“大天空理论”的破产。联合太空作战中心专家克里斯·莫斯指出：“这种理论对空间开发不再具有可行性。”
美国宇航局官员现在承认，轨道碎片是对国际空间站的最大威胁。欧洲航天局碎片问题专家海纳·克林克拉德呼吁全世界采取统一行动：“清除碎片是治愈克斯勒尔征候群唯一有效方法。”
2009年12月，美国国防部高级研究计划局和美国宇航局，共同举行有关轨道碎片清除问题的国际会议。这次会议的目的是敞开大门“集思广益”，重头戏是太空碎片的权威唐纳德·克斯勒尔所做的发言。
国防部高级研究计划局以前不关心太空碎片问题，但现在不得不重视起来，这次会议由计划局战术问题主任戴维·内兰主持开幕式，他指出，“计划局的参与可能使大家感到意外，其实计划局是为了防止轨道碎片造成意外事故，而被迫寻求不同技术领域间的通力合作。”这也正是美国为间谍卫星的安全担忧而产生的结果。
这次会议上，不少专家学者提出了一些解决方案，例如：向太空发射巨型粘球，把粘住的垃圾拖出轨道；给太空垃圾装上帆，把它们缓缓地导向地球……
一位前美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家提出一项长期计划，要在夏威夷山顶建一座大型激光站。一位教授建议，在卫星上安装激光装置，把垃圾轰入大气层。
总的来说，有三种方案似乎有可行之处。第一种方案的提出者是美国南卡罗来纳州星体科技与研究公司总裁罗姆·皮尔森，他认为完成这项任务需要7年时间。
首先，利用其他运载工具把12个手提箱大小的太空飞行器送上轨道，每个飞行器装有100张轻质网，每张网有一座房子那么大。地面遥控人员通过机载摄像机撒网罩住太空垃圾，然后操作飞行器将垃圾拖离轨道，飞行器完成任务后返回重新工作。
皮尔森声称，他的系统可以在最拥挤和危险的低地球轨道，捕获到2500块左右的碎片，估计费用约2.4亿美元。
第二种方案由美国宇航局的专家杰克·培根提出。根据他的设计，将一艘10吨重的母船送上太空，此母船能捕获10多吨大批量生产的微型卫星。微型卫星一旦接近母船，就可以抛出网罩住它们，然后把这些碎片拖入大气层。这种方法非常适合用来清理位于低地球轨道、重量不到1公斤的太空垃圾，但是无法清理更重的物体，如火箭外壳或失效卫星。据他估计，发射一艘母船的费用约1亿美元，总共能执行12次任务。
第三种方案是美国西雅图地区太空业务承包公司泰特尔公司的首席执行官罗布·霍伊特提出的。15年来，霍伊特一直在开发一种用于清理低地球轨道太空垃圾的鲁斯特勒系统。
他的设想是：利用发射的卫星搭载重量约180公斤的中型航天器。进入轨道后，这种飞行器会缓缓接近太空垃圾，布下一根9.6公里长的导线，然后给导线施加1安培的电流。该电流会与地球的磁场相互作用产生一股推力，将垃圾送入大气层。霍伊特的设计得到了克斯勒尔等人的赞扬，因为它简单而成本相对低廉。据霍伊特测算，一次任务可清除数吨垃圾，所需费用仅数百万美元。
对于太空垃圾的危害程度，在美国宇航局约翰逊航天中心工作的埃里克·克里斯琴森可以说最清楚，他领导的一个团队专门研究轨道物体遭到碰撞后，会发生什么后果。他的实验室名叫超高速撞击技术实验室。美国宇航局进行碰撞试验的测试区建在新墨西哥州白沙地区，在那里，技术人员操作一门大炮，利用火药和加压氢气把塑料塞子射向防护罩。就像真正的太空垃圾，“炮弹”飞行的速度可以达到每秒8公里。
克里斯琴森和同事对实验结果进行研究，然后利用自己的成果协助开发更牢固的材料，并改进航天器的设计。他们还致力于开发能使航天器免遭“流弹”袭击的保护装置。克里斯琴森指着一种专为国际空间站设计的多层纤维和陶瓷面板介绍说：“这是目前最轻盈的防护罩，能够抵挡2厘米大小的弹丸冲击。”
美国宇航局原先的宏伟计划是，在2020年把宇航员重新送上月球。随着航天飞机最终退出历史舞台，以及美国的航天发射终将实现私有化，这一切似乎意味着美国宇航局的工作重点将进行调整。也许这正是认真考虑给太空进行清理的有利时机。
当然，目前主要的障碍是资金问题。但是美国宇航局在为2011年制定的预算方案中第一次出现了一笔40万美元的奖励基金，准备授予为清除轨道碎片做出贡献的研究人员。该项拨款将是新工程“空间技术”的一部分，在未来5年内总资金将达到近50亿美元。
对于现在已经70高龄的唐纳德·克斯勒尔来说，这无疑是个令人欣喜的好消息。
他说：“任何人都可以用肉眼看到卫星，每小时都有好几颗在上空掠过。”他常说，他最担心听到传来不幸的消息，例如哪颗卫星被撞毁了，或者所有的太空任务因为碎片原因而使危险性大增。