人造卫星02：大量“造星”有隠忧 太空垃圾威胁地球？

其实，太空垃圾数量比我们想像的还要多。根据美国航空航天局在5月份所发布的文告，目前追踪到有大约2万7000件太空碎片绕着地球轨道运行，大部分体积是10厘米（cm）或以上；超过1厘米的太空垃圾有50万件，而大约1毫米（mm）的碎片就超过1亿。至于那些无法追踪和计算的微小碎片更是恒河沙数，围绕在地球周围。

或许你会问，为何有这么多太空垃圾？太空垃圾是指废弃的航天器残骸，包括探测器、卫星、火箭零件碎片。航天器又可分为“载人”与“不载人”，前者就如国际太空站、SpaceX的载人龙飞船（SpaceX Dragon）；后者是人造卫星、探测器等。毕业自航天飞行器设计与工程系的刘泽威说，以现在的技术而言，太空垃圾是一个无可避免的副产品。

“人类探索太空的历史还很短，（当年）只要能够登陆月球已经值得庆祝，谁又会想到回收太空垃圾？”如今为了确保火箭顺利和安全发射，许多国家开始提倡太空安全的概念，陆续构思方案去解决这些太空垃圾。

卫星像是放风筝

卫星就像风筝，那根线是地面控制站遥控卫星的通讯方式。通讯一旦中断，风筝就放飞自我，漂游在轨道上。“你想像每一个轨道有一个停车位（位置），你需要去申请准证才能发射卫星到那个停车位。”倘若偏离原定的轨道位置，地面控制站又无法遥控，那么它会变成失控卫星。

当一颗卫星报废以后，会成为轨道上的永久居民，持续数十年在轨道上运行，有机会威胁到其他航天器。按照正常程序，当卫星寿终正寝，地面控制站可以为它减速，让它掉入大气层燃烧殆尽，又或者进行变轨，令它永远进入“太空墓地轨道”（graveyard orbit）。刘泽威坦言，凡事没有完美，一切都要讲求概率，谁也无法百分百保证通讯系统操作正常、卫星的推进系统完好无缺。

当然不能一直保持负面想法，NASA在1977年派出的“旅行者1号”探测器已经“活”到44岁，是人类最伟大的航天器之一，至今依然正常运作，继续迈向无垠的宇宙，探索太阳系和外太阳系太空。

【太空垃圾4问】

Q1：太空垃圾有哪些？

一个航天器会变成太空垃圾不外乎3个主要原因：自然“死亡”、发生故障和设计不良。所谓百密必有一疏，即使周密计算也有可能出现细微失误。假设人造卫星送入轨道后，发现计算不精准，没有办法抵达正确的位置。那么它必须动用储备的燃料，“驶入”轨道之中，无形中就浪费了部分燃料，会面对提前退役的命运。

另一种人造“残骸”是火箭发射后所遗留的垃圾，比如保护卫星的整流罩、第一级火箭、助推器等。那么到底什么是第一级火箭？

一支火箭是由几支火箭组合起来，如果火箭要挣脱地心引力飞向太空，需要进行“接力赛”。底部是第一级火箭，当它达到特定速度，耗尽燃料以后会自动脱落。接着，轮到第二级火箭全力加速，以此类推直至冲到外太空。以科学理论来说，这种方式可以超越“第一宇宙速度”，以每秒7.9公里的速度，摆脱地心引力束缚。

那么单靠第一级火箭可以将卫星送上轨道吗？答案是不行，因为它最快的速度只有每秒6公里，不能突破“第一宇宙速度”。

第二级火箭无法回收

“火箭最少会有两级，如果发射低轨卫星，两级就够了。如果要奔到月球，可能需要三级以上的火箭。同时，每一级火箭有自己的燃料箱，可以提供特定的飞行速度和航程。”

以往发射火箭是用完即弃，无法回收。不过，随着科技更迭演进，特斯拉灵魂人物马斯克的SpaceX公司就有能力回收第一级火箭，留待下一次使用。至今，SpaceX已经成功回收9次“Falcon 9”的第一级火箭。但是，第二级火箭就得看造化，分离之后可能会被大气层烧毁，又或者变成太空垃圾。

“如果要回收第二级火箭，需要装备更多燃料，还得具备制导能力，让控制站操控它安全飞回来。据我所知，目前没有一间公司能够做到。”

Q2：低轨商机越大，危机越高？

“如今因为商业价值因素，可以预想低轨道的太空垃圾会比其他轨道来得多。”严格来说，卫星是难持续在既定的轨道上面。刘泽威以低轨卫星为例，除了受到空气阻力影响，还要顾虑摄动的因素，那就是会被其他天体的引力所影响，从而偏离轨道。因此，地面控制站需要观察人造卫星的移动轨迹，不时让卫星变轨一次。“所以为什么卫星需要燃料，如果燃料耗尽，这颗卫星会受到扰动，慢慢远离轨道，任由太空中各种引力去指引这颗失效卫星运行。”

不过，无需太担心低轨卫星会相撞。倘若一家公司要组织低轨卫星的星网，这些卫星体积较小，两颗卫星之间的距离可以相差几万公里。他说，轨道不是高速公路，它是一个广阔无垠的空间。因此，低轨卫星相撞是一件低概率的事，但这些卫星是有可能撞到废弃卫星，“虽然是一件低概率（相撞）的事，万一发生意外会造成很大祸害。如果不小心撞到国际太空站，驻守的太空人很可能命丧太空。”

换一个角度思考，由于太空轨道是有限的资源，许多大国也想在太空部署军事力量，开发专属的导航卫星，以便能应用在军事行动。无论是军队通讯、导弹系统、战斗机、航空母舰都需要卫星服务。倘若发生军事冲突，双方恐怕会率先摧毁敌方的卫星。

Q3：该不该担心太空垃圾？

刘泽威说，大部分的第一级、第二级火箭会经过大气层烧毁，或以受控方式掉入海里。反观第三或第四级火箭已经是朝向月球的方向，便会留在太阳轨道，或地球跟月球之间的轨道。

不过，他认为，平民百姓不需要过度担心太空垃圾，因为还不会威胁到人类的生命。除非太空垃圾数量太多，已经形成太空蔽障，令到火箭无法顺利发射。

“对我来说是概率的问题，比如说我现在发射火箭，被撞到的概率是多少？如果概率很高，那么我就担心了。比方说一个数十亿的发射项目，我的火箭有5%的概率会被太空垃圾撞到，那我肯定不敢发射。实际上，这个是很难片面回答的问题，需要有一个机构去定义什么程度被归类为危险，超过多少颗卫星才被定义为拥挤。”

Q4：谁已经着手处理太空垃圾？

这几年多家公司开始测试和发射特殊卫星，希望可以尽早清除太空轨道的垃圾。英国太空署（UKSA）2021年拨出70万英镑，与瑞士新创公司ClearSpace、日本清除轨道碎片公司Astroscale签署合约，要求他们提出解决方案，以便能在2025年之前清除两颗失效的卫星。

欧洲太空总署（ESA）则将在2025年发起清理太空垃圾任务，ClearSpace会制造一款拥有4个手臂的“ClearSpace-1”特殊卫星，去捕捉约100公斤重的太空垃圾，然后拖到大气层烧毁。据ESA文告指出，在正式执行任务以前，“ClearSpace-1”会先发射到距离地球500公里远的轨道进行测试。

【重点资讯】

凯斯勒现象

1978年，美国航空航天局（NASA）科学家唐纳德．凯斯勒（Donald J. Kessler）曾发表一篇关于太空碎片的论文，题为“Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”（《人造卫星的碰撞频率：碎片带的诞生》）。他认为，随着人造卫星数量越来越多，彼此相撞的几率也会越来越高。当卫星相撞，会造成很多太空碎片，形成一种恶性循环，慢慢变成一个太空碎片地带，进而有可能让人类无法继续发射火箭探索太空。

卫星坟场与轨道

据NASA资料显示，在太平洋有一个特定区域被称为“卫星坟场”。卫星运营商可以将这个地点设置为退役航天器的最终目的地。当大型的航天器经过大气层时，未必会全数烧毁，剩下的残留物便会坠海。针对退役的卫星，有两种做法，第一是降速，让它进入大气层；第二是将它推送到“太空坟场轨道”。这个轨道比地球静止轨道（GEO）高出数百公里，因此不会危害到正在运行的卫星。

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