人造衛星02：大量“造星”有隠憂 太空垃圾威脅地球？

其實，太空垃圾數量比我們想像的還要多。根據美國航空航天局在5月份所發佈的文告，目前追蹤到有大約2萬7000件太空碎片繞著地球軌道運行，大部分體積是10釐米（cm）或以上；超過1釐米的太空垃圾有50萬件，而大約1毫米（mm）的碎片就超過1億。至於那些無法追蹤和計算的微小碎片更是恆河沙數，圍繞在地球周圍。

或許你會問，為何有這麼多太空垃圾？太空垃圾是指廢棄的航天器殘骸，包括探測器、衛星、火箭零件碎片。航天器又可分為“載人”與“不載人”，前者就如國際太空站、SpaceX的載人龍飛船（SpaceX Dragon）；後者是人造衛星、探測器等。畢業自航天飛行器設計與工程系的劉澤威說，以現在的技術而言，太空垃圾是一個無可避免的副產品。

“人類探索太空的歷史還很短，（當年）只要能夠登陸月球已經值得慶祝，誰又會想到回收太空垃圾？”如今為了確保火箭順利和安全發射，許多國家開始提倡太空安全的概念，陸續構思方案去解決這些太空垃圾。

衛星像是放風箏

衛星就像風箏，那根線是地面控制站遙控衛星的通訊方式。通訊一旦中斷，風箏就放飛自我，漂游在軌道上。“你想像每一個軌道有一個停車位（位置），你需要去申請準證才能發射衛星到那個停車位。”倘若偏離原定的軌道位置，地面控制站又無法遙控，那麼它會變成失控衛星。

當一顆衛星報廢以後，會成為軌道上的永久居民，持續數十年在軌道上運行，有機會威脅到其他航天器。按照正常程序，當衛星壽終正寢，地面控制站可以為它減速，讓它掉入大氣層燃燒殆盡，又或者進行變軌，令它永遠進入“太空墓地軌道”（graveyard orbit）。劉澤威坦言，凡事沒有完美，一切都要講求概率，誰也無法百分百保證通訊系統操作正常、衛星的推進系統完好無缺。

當然不能一直保持負面想法，NASA在1977年派出的“旅行者1號”探測器已經“活”到44歲，是人類最偉大的航天器之一，至今依然正常運作，繼續邁向無垠的宇宙，探索太陽系和外太陽系太空。

【太空垃圾4問】

Q1：太空垃圾有哪些？

一個航天器會變成太空垃圾不外乎3個主要原因：自然“死亡”、發生故障和設計不良。所謂百密必有一疏，即使周密計算也有可能出現細微失誤。假設人造衛星送入軌道後，發現計算不精準，沒有辦法抵達正確的位置。那麼它必須動用儲備的燃料，“駛入”軌道之中，無形中就浪費了部分燃料，會面對提前退役的命運。

另一種人造“殘骸”是火箭發射後所遺留的垃圾，比如保護衛星的整流罩、第一級火箭、助推器等。那麼到底什麼是第一級火箭？

一支火箭是由幾支火箭組合起來，如果火箭要掙脫地心引力飛向太空，需要進行“接力賽”。底部是第一級火箭，當它達到特定速度，耗盡燃料以後會自動脫落。接著，輪到第二級火箭全力加速，以此類推直至衝到外太空。以科學理論來說，這種方式可以超越“第一宇宙速度”，以每秒7.9公里的速度，擺脫地心引力束縛。

那麼單靠第一級火箭可以將衛星送上軌道嗎？答案是不行，因為它最快的速度只有每秒6公里，不能突破“第一宇宙速度”。

第二級火箭無法回收

“火箭最少會有兩級，如果發射低軌衛星，兩級就夠了。如果要奔到月球，可能需要三級以上的火箭。同時，每一級火箭有自己的燃料箱，可以提供特定的飛行速度和航程。”

以往發射火箭是用完即棄，無法回收。不過，隨著科技更迭演進，特斯拉靈魂人物馬斯克的SpaceX公司就有能力回收第一級火箭，留待下一次使用。至今，SpaceX已經成功回收9次“Falcon 9”的第一級火箭。但是，第二級火箭就得看造化，分離之後可能會被大氣層燒燬，又或者變成太空垃圾。

“如果要回收第二級火箭，需要裝備更多燃料，還得具備制導能力，讓控制站操控它安全飛回來。據我所知，目前沒有一間公司能夠做到。”

Q2：低軌商機越大，危機越高？

“如今因為商業價值因素，可以預想低軌道的太空垃圾會比其他軌道來得多。”嚴格來說，衛星是難持續在既定的軌道上面。劉澤威以低軌衛星為例，除了受到空氣阻力影響，還要顧慮攝動的因素，那就是會被其他天體的引力所影響，從而偏離軌道。因此，地面控制站需要觀察人造衛星的移動軌跡，不時讓衛星變軌一次。“所以為什麼衛星需要燃料，如果燃料耗盡，這顆衛星會受到擾動，慢慢遠離軌道，任由太空中各種引力去指引這顆失效衛星運行。”

不過，無需太擔心低軌衛星會相撞。倘若一家公司要組織低軌衛星的星網，這些衛星體積較小，兩顆衛星之間的距離可以相差幾萬公里。他說，軌道不是高速公路，它是一個廣闊無垠的空間。因此，低軌衛星相撞是一件低概率的事，但這些衛星是有可能撞到廢棄衛星，“雖然是一件低概率（相撞）的事，萬一發生意外會造成很大禍害。如果不小心撞到國際太空站，駐守的太空人很可能命喪太空。”

換一個角度思考，由於太空軌道是有限的資源，許多大國也想在太空部署軍事力量，開發專屬的導航衛星，以便能應用在軍事行動。無論是軍隊通訊、導彈系統、戰鬥機、航空母艦都需要衛星服務。倘若發生軍事衝突，雙方恐怕會率先摧毀敵方的衛星。

Q3：該不該擔心太空垃圾？

劉澤威說，大部分的第一級、第二級火箭會經過大氣層燒燬，或以受控方式掉入海里。反觀第三或第四級火箭已經是朝向月球的方向，便會留在太陽軌道，或地球跟月球之間的軌道。

不過，他認為，平民百姓不需要過度擔心太空垃圾，因為還不會威脅到人類的生命。除非太空垃圾數量太多，已經形成太空蔽障，令到火箭無法順利發射。

“對我來說是概率的問題，比如說我現在發射火箭，被撞到的概率是多少？如果概率很高，那麼我就擔心了。比方說一個數十億的發射項目，我的火箭有5%的概率會被太空垃圾撞到，那我肯定不敢發射。實際上，這個是很難片面回答的問題，需要有一個機構去定義什麼程度被歸類為危險，超過多少顆衛星才被定義為擁擠。”

Q4：誰已經著手處理太空垃圾？

這幾年多家公司開始測試和發射特殊衛星，希望可以儘早清除太空軌道的垃圾。英國太空署（UKSA）2021年撥出70萬英鎊，與瑞士新創公司ClearSpace、日本清除軌道碎片公司Astroscale簽署合約，要求他們提出解決方案，以便能在2025年之前清除兩顆失效的衛星。

歐洲太空總署（ESA）則將在2025年發起清理太空垃圾任務，ClearSpace會製造一款擁有4個手臂的“ClearSpace-1”特殊衛星，去捕捉約100公斤重的太空垃圾，然後拖到大氣層燒燬。據ESA文告指出，在正式執行任務以前，“ClearSpace-1”會先發射到距離地球500公里遠的軌道進行測試。

【重點資訊】

凱斯勒現象

1978年，美國航空航天局（NASA）科學家唐納德．凱斯勒（Donald J. Kessler）曾發表一篇關於太空碎片的論文，題為“Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”（《人造衛星的碰撞頻率：碎片帶的誕生》）。他認為，隨著人造衛星數量越來越多，彼此相撞的幾率也會越來越高。當衛星相撞，會造成很多太空碎片，形成一種惡性循環，慢慢變成一個太空碎片地帶，進而有可能讓人類無法繼續發射火箭探索太空。

衛星墳場與軌道

據NASA資料顯示，在太平洋有一個特定區域被稱為“衛星墳場”。衛星運營商可以將這個地點設置為退役航天器的最終目的地。當大型的航天器經過大氣層時，未必會全數燒燬，剩下的殘留物便會墜海。針對退役的衛星，有兩種做法，第一是降速，讓它進入大氣層；第二是將它推送到“太空墳場軌道”。這個軌道比地球靜止軌道（GEO）高出數百公里，因此不會危害到正在運行的衛星。

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