空间碎片问题的起源现状和发展中科院物 [复制链接]

作者：汤靖师1,程昊文2(1南京大学天文与空间科学学院)(2中国科学院国家天文台)本文选自《物理》年第5期摘要字面意义上的空间碎片指的是解体产生的碎片，但一般也包含火箭残骸、废弃卫星等各类无功能人造物体。随着人类探索、利用太空的步伐，空间碎片逐渐开始成为影响并威胁人类空间活动不可避免的问题。文章主要介绍空间碎片问题的起源、当前的状况、人们如何应对以及未来可能遇到的问题。关键词空间碎片，空间环境，卫星碰撞，超大规模星座，凯斯勒效应1什么是空间碎片空间碎片有时又称为空间垃圾、空间目标等。从字面来看，这三者的含义并不相同。但从潜在的威胁、数据处理流程来看，特定的物体是卫星还是碎片、是工作卫星还是弃置卫星并没有十分显著的区别，而且逻辑上这三者之间也存在联系。因此，在空间碎片的问题上，三者的问题是相通的，有时也用空间碎片代指空间中所有在轨的物体，既包括卫星解体造成的碎片，一般也包括火箭末级、弃置卫星等废弃的航天器，而且非严格意义上有时也包括在轨正常工作的卫星。目前编目在册“有迹可循”的空间碎片已超过2万个，而受观测手段限制尚不能跟踪到的更小的碎片预计过亿。关于空间碎片的危害，在不少科普作品和流行文化中都有涉及，其中让人印象最为深刻的当属奥斯卡热门电影、年的《地心引力》。空间碎片先后撞毁了空间望远镜和国际空间站，女主人公最终借助中国的神舟飞船返回地球。这部电影有非常逼真的电脑特效，有评价戏称其中除了男女主人公的脸，其他的画面都是电脑特效。而相比之下，这部电影的科学背景则“真实”许多。其实早在20世纪70年代就有科学家提出，卫星等航天器因碰撞而解体，甚至由此引发连锁反应。年美国航天局(NASA)约翰逊航天中心(JohnsonSpaceCenter)的科学家DonaldKessler与同事提出了几点关于未来空间碎片演化的预测[1]：(1)在不远的将来，很可能在年以前，卫星碰撞解体将成为卫星碎片的新来源；(2)在碰撞解体(持续)发生的情况下，即使保持零发射，从长期来看碎片流量也会随时间呈指数增长；(3)卫星碰撞将产生更多的碎片，每个碎片都会增加未来碰撞的机率，最终形成环绕地球的碎片环带。这一系列预测就是大家所熟知的“凯斯勒效应”(Kesslersyndrome)。简单来说就是除非大尺寸废弃物体的数量显著降低，否则随着物体间随机碰撞的发生，碰撞产生的碎片将成为新碎片的重要来源。凯斯勒效应的一个极端场景，就是碎片等物体间的碰撞产生连锁反应，逐渐包围地球，使得新的航天发射无法进行。虽然目前也有对凯斯勒效应的质疑，认为其夸大了空间碎片的演化趋势。但不管随机碰撞对碎片数量增加的定量贡献是否被夸大，人们一致认可的是，如果空间中废弃物体的数量不加以控制，那么空间碎片的数量一定会增加，“连锁反应”的出现很可能只是时间问题。正因为空间碎片对空间中航天器存在致命的威胁，并且可能会持续恶化空间环境，目前世界多国和国际机构都对空间碎片相关问题保持