太空碎片的产生及来源

太空碎片的来源是多种多样的。正如图3-1“地球轨道物体类型的每月数量变化图”所显示的那样，太空碎片来自于火箭残骸、与飞行相关的碎片、破碎的碎片等。根据相关研究所的编目，太空碎片来自于以下几类:正在运行的航天器遗漏的物品，占总数的7%;废弃的航天器，占总数的22%;运载火箭残骸，占总数的17%;与飞行相关的物体，占总数的13%;其他碎片，占总数的41%(见图3-7)。

但是太空碎片的来源，并不限于以上所谈到的几种。其来源多样化。大体说来，太空碎片来源包括自然因素产生碎片、有宇航员的排泄物、不慎丢失的工具、废弃物、反卫星武器试验产生的碎片、卫星相撞产生的碎片，等等。各种原因所产生的碎片大小有所不同。表3-3所显示的不同来源所产生的碎片尺寸大小。

图3-7 太空碎片来源及比例

资料来源:王汉奎，“空间碎片”，http://www.docin.com/p-65401178.html。

表3-3 不同尺寸的太空碎片来源

资料来源:霍江涛等，“空间碎片研究概况”，《装备指挥技术学院学报》2007年第5期。

一、太空尘埃

我们所看到的流星雨(meteor shower)，在天空产生非常美丽的光影。实际上，流星雨的形成是自然的太空碎片进入大气层燃烧所致。自然存在的太空碎片就是星际间的大量尘埃微粒和微小的固体块。在太阳系中，它们也会围绕太阳运转。在接近地球时，地球引力的作用使其轨道发生改变，这样它们就有可能穿过地球大气层，或者，当地球穿越它们的轨道时，它们也有可能进入地球大气层。由于这些微粒与地球相对运动速度很高(11—72千米/秒)，与大气分子发生剧烈摩擦而燃烧发光，在夜间天空中表现为一条光迹，这种现象就叫流星，一般发生在距地面高度为80—120千米的高空中。造成流星现象的微粒称为流星体。流星体的质量一般很小，比如产生5等亮度流星的流星体直径约0.5厘米，质量0.06毫克。肉眼可见的流星体直径在0.1—1厘米之间。

天然存在的固体尘埃，实质上是由彗星衍生出来的。当彗星接近太阳时，太阳辐射的热量和强大的引力会使彗星一点一点地瓦解，并在自己的轨道上留下许多气体和尘埃颗粒，这些被遗弃的物质就成了许多小碎块。

如果彗星与地球轨道有交点，那么这些小碎块也会被遗留在地球轨道上，当地球运行到这个区域的时候，就会产生流星。如果流星未在大气层燃尽，落到地球表面就成为陨石(包括铁陨石，也叫陨铁，它的主要成分是铁和镍;石铁陨石，也叫陨铁石，这类陨石较少，其中铁镍与硅酸盐大致各占一半;石陨石，也叫陨石，主要成分是硅酸盐，这种陨石的数目最多)。流星体也有小部分因小行星碰撞而形成的。

单个流星的出现时间和方向没有什么规律，又叫偶发流星。许多流星从星空中某一点(辐射点)向外辐射散开，这就是流星雨。在各种流星现象中，最美丽、最壮观的要属流星雨现象。当它出现时，千万颗流星像一条条闪光的丝带，从天空中某一点辐射出来。流星雨以辐射点所在的星座命名，如仙女座流星雨，狮子座流星雨等。

偶发流行与流星雨，在质量上存在较大差异。前者的质量在1—1×10-6范围，后者的质量在1—10-12范围。“流星体轨道扁度极大，远日点常在太阳系以外，近日点往往在水星轨道内。由于受到行星特别是木星和土星引力摄动影响，当其接近太阳时质量损失较多，导致运行轨道很不稳定”[1]。

二、宇航员活动产生的碎片

俄罗斯“和平”号空间站虽为人类太空探索作出过重大贡献，但在运行过程中也产生了200多包垃圾。飞船与空间站对接期间也会产生金属片，也是太空碎片产生的来源。宇航员在维修太空物体时，不慎丢失的螺母和螺栓、其他工具，也是太空垃圾。美国“双子星座”4号宇航员爱德华·华特于1965年丢失的手套，以每小时2.8万千米的速度飞行，被专家称为“危险性最大的太空垃圾”。因无心之过，宇航员在环绕地球的太空轨道中丢下了近10万件不同寻常的太空垃圾，包括剃须刀、牙膏、剃须乳液、螺栓，等等。

如果说上述人造垃圾有些是出于生理需要，或者出于无心之过，但是有些人造物体恐怕就是人类有意而制造太空垃圾。例如，在太空打高尔夫球。2006年11月23日，国际空间站工程师、俄罗斯宇航员米哈伊尔·秋林(Mikhail Tyurin)出于商业目的，在太空行走中打了一杆高尔夫球。这个球是地道的太空垃圾。作为俄联邦航天署与加拿大一家高尔夫球具公司的商业合作内容，此次太空高尔夫表演吸引了世界众多航天迷和高尔夫球迷的目光。此次太空高尔夫球表演所用的镀金球杆由加拿大公司提供，而使用的高尔夫球也与众不同，重量仅为3克，而普通高尔夫球重约45克。从理论上讲，不管多小的高尔夫球在太空飞行，就变成了一个太空碎片，对航天器都构成潜在威胁。为了跟踪这个太空碎片，高尔夫球内装有无线电发射装置。尽管有专家认为，这枚击出的高尔夫球只会在太空中飞2至3天，然后进入地球大气层并烧毁，不会威胁航天器的安全，但也有专家预测，该小球可能在环地球轨道飞行3年半后才会坠入地球大气层。因此，太空碎片中又有了“新品种”。秋林的这一杆不是第一次在太空击球，此前的1971年美国登月宇航员艾伦·谢泼德也曾在月球表面打过高尔夫球。

三、火箭产生碎片

如同前述，运载火箭部件也是太空碎片的重要组成部分。

在火箭发射过程中，完成了使命的部件会掉下来，如第一级火箭。在火箭发射后不久，它就完成了推进任务，离开火箭，向地面以抛物线运动下落。末端火箭部分残骸成为太空碎片。比如，当火箭带着卫星穿过稠密大气层后，整流罩也就“卸任”了，分成两瓣(多瓣)自行剥落。整流罩的大部分进入大气层，或燃烧掉，或残骸落回地面。但是，在整流罩“卸任”时，一些小零部件，如星箭分离用的爆炸螺栓、卫星包带和弹簧等，不会随着整流罩一起“行动”，而是成为太空碎片。也就是说火箭的末端箭壳部分成为太空碎片。下图3-8显示的是美国“德尔塔”火箭(Delta)发射部分箭体成为太空碎片的情况。每一次发射肯定会或多或少留下“污点”，如1991年5月1日，美国用Delta火箭发射雨云6号卫星(Nimbus6)，就产生了237块太空碎片(见图3-8)。表3-4显示的是有关火箭发射产生的大约10厘米的太空碎片情况。截至2007年1月，被编目的火箭残骸达到1500个，还不包括火箭残骸内部和外部爆炸所产生的大小碎片[2]。1999年10月14日中国用长征四号发射风云一号时，第三级火箭遗弃在轨道上，2000年3月11日，燃料箱推进剂混合爆炸，产生316块碎片。

图3-8 美国Delta火箭部分箭体成为太空碎片

说明:圈中的物体是要发射的航天器。下级火箭主要进入大气层燃烧，上级火箭主要进入太空成为碎片。来源:王汉奎，“空间碎片”，http://www.docin.com/p-65401178.html。

表3-4 火箭发射过程中产生大于10厘米的碎片事件

Source:Richard Crowther，Orbital debris: a growing threat to space operations，p.161. http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/361/1802/157.full.pdf.

如果说火箭发射成功，产生的碎片较少，那么，火箭发射失败可能产生更多的、更大的碎片。1986年“阿丽亚娜”号火箭进入轨道之后不久便爆炸，成为564块10厘米大小的残骸和2300块小碎片。再如1996年6月3日，美国一枚飞马座火箭(Pegasus)发生爆炸，共产生了约300000个危害性碎片。

四、碎片相撞产生碎片

碎片相撞也会产生碎片。2005年1月17日，距离地球表面885千米的近地轨道，寂静的太空突然传出震耳欲聋的巨响，黑暗中闪出一团巨大的红色火球，随后大小不一的碎片伴随着巨大的冲击波迸向四方。美国宇航局太空监视网络系统准确地捕捉到了这令人震惊的一幕——美国31年前滞留在太空的火箭残骸和5年前中国滞留在太空中的火箭残骸当空相撞。事情是这样的:1974年，美国成功发射了Thor Burner2A火箭并将一颗人造卫星顺利送入了预定轨道。随后，该火箭的最后一级推进器就一直滞留在近地轨道上，这就是在NASA的编号为“07219”的1平方米大小的火箭残骸，在太空滞留了31年;2000年，中国的“长征4号”运载火箭顺利升空，第三级火箭在完成使命后，也顺势滞留在了太空中，并在相邻的近地轨道上运行，但是它的燃料贮箱里还剩有一些推进剂。2000年3月11日，这些推进剂意外混合发生爆炸，产生了316个碎片，其中之一便是NASA编号为“26207”碎片。编号为“07219”和“26207”碎片终于在2005年1月17日“握手”相见。中美火箭残骸碰撞瞬间的相对速度为每秒15.73千米，碰撞结果是:长征四号火箭残骸的近地点轨道下降了14千米，美国的火箭废弃物则被当场撞碎，一分为四，还有许多小碎片。火箭残骸相撞情况详见图3-9。

图3-9 中美火箭残骸当空相撞示意图

五、废弃航天器

废弃的卫星本身就是太空碎片。卫星到了寿命期，如果有足够的燃料，地面控制中心可以通过指令，让其实施机动，改变轨道，飞向大气层，或焚烧掉，或返回地面。但是如果没有足够燃料，地面无法控制其飞行状态，就成为僵尸，漂浮在太空，因此也就成为太空碎片。废弃的卫星，占到被编目太空碎片的一部分。根据欧空局的年度报告显示，到2009年年底，有21颗地球同步轨道航天器达到寿命期限，只有11颗卫星制动到大约38500千米的轨道上，其中3颗俄罗斯的卫星完全失控漂移在地球同步轨道上[3]。

根据报道，在未来几年，欧空局将成为世界上可能是最大、最危险的太空碎片所有者，而且这一纪录恐怕要保持150年。欧空局享有如此“殊荣”，是因为一颗17636磅(约8吨)的地球“环境卫星”(Envisat，音译为恩威萨特)在2013年退役，但是没有足够的燃料让其在大气层“自我了断”，只能让其在太空成为“孤魂野鬼”，飘荡在784千米的近地轨道上空。该卫星价值29亿美元，是目前世界上最大的非军事卫星，该卫星在轨尺寸为26米×10米×5米，它的天线在使用10年后变得更脆弱，这意味着如果有小碎片撞上，将产生更多碎片。针对该卫星的分析还显示，美国航空航天局认为，在报废后的150年里，它与其他垃圾相撞的概率为15%—30%，而这一推断还是建立在当前太空垃圾数量基础上的[4]。出现这种情况的原因，是因为该卫星为躲避太空碎片进行了太空变轨，导致燃料不足。来自美国军方太空监视网和德国雷达监视网的信息表明，2010年1月，欧空局的“恩威萨特”与中国留在太空的火箭残骸(重约1500公斤)近相距160英尺(大约50米)。为了躲避火箭残骸，欧空局专家紧急对卫星进行变轨[5]。然而正是这次变轨，消耗了该卫星的大量燃料，影响到该卫星重返大气层。原本该卫星的寿命为11年，从2002年发射升空，计划要到2013年结束其使命[6]，然而正因为此次变轨，没有足够的燃料使之返回地面，或者使之重返大气层让其焚毁。这是该卫星在150年内成为最大的太空碎片的主要原因。(www.xing528.com)

还有一种情况导致航天器成为太空碎片。那就是，因为发射任务失败而丢弃的航天器。如，美国1958年3月17日发射的“先驱者”1号(Pioneer1，有的翻译为“先锋”1号)，因上级火箭程序错误，未能达到设计速度，没能进入月球轨道而成为太空垃圾。不过“先驱者1号”只在太空飘荡了43个小时，进入大气层而损失速度，最后坠入南太平洋。1958年12月发射的“先驱者”3号，也是因为第二级火箭故障，未能进入预定轨道，在运行了38小时后，坠落在非洲大陆上。再如，2009年8月25日，韩国“罗老”号运载火箭未能将卫星送入预定轨道，卫星估计在大气层中烧毁了。

但是，并不是所有的废弃卫星，都会进入大气层或返回地面，有些废弃卫星还会在太空飘荡。目前，地球同步轨道上的废弃卫星最多。废弃的卫星在轨道上漂移过程中，也会出现解体，就会产生更多的碎片。即使欧空局的环境卫星不被其他碎片撞击，形成新的碎片，但是卫星在150年飘荡过程中，也会分裂为许多太空碎片。因此，在很大程度上可以这样说，大卫星就是大威胁。美国太空监视网所编目的太空碎片中的最大类型就是由卫星解体形成的碎片。到2006年，美国太空监视网记录了3600个此类碎片[7]。

六、卫星与卫星相撞产生碎片

2009年2月11日0时55分(北京时间)，美国和俄罗斯的两颗通信卫星发生相撞，地点位于西伯利亚上空约805千米。美国的一颗通讯卫星以至少每小时24140千米的速度撞上一颗已失效的俄罗斯军用卫星。这两颗卫星分别是美国“铱星33”和俄罗斯“宇宙2251(Cosmos 2251)”。“铱星33”是1997年发射的，它是绕地球低轨道运行的66颗卫星中的一颗。铱星系统为25万用户提供声音和数据通讯服务。俄罗斯“宇宙2251(Cosmos2251)”重约1吨，是1993年发射升空的，估计有10年不曾工作。两颗卫星碰撞示意图(见图3-10)。卫星碰撞将产生数千个太空碎片，详见碎片分离示意图(图3-11)。

根据美国航空航天局(NASA)的估计，两颗卫星相撞产生了超

图3-10 俄美卫星碰撞示意图

资料来源:http://imgl.cache.netease.com/cnews/2009/2/12/20090212145659125bc.jpg。

图3-11 相撞后碎片分离示意图

说明:2009年2月，美国的“铱星33”通信卫星与俄罗斯的一颗废弃的军事卫星——“宇宙2251(Cosmos2251)”相撞，产生的大量碎片从它们所在的轨道抛出，散布到广阔的太空。

资料来源:http://tech.sina.com.cn/cl/2009-11-19/1143607010_3.html。

过1300个太空碎片[8]，还可能演变为更多的碎片。NASA预计两颗卫星相撞6个月之后，因为碎片在轨道上的寿命不同，碎片将逐渐分散开来，形成一个围绕地球的甲壳，参见图3-12。

图3-12 两颗卫星相撞6个月之后想象中碎片的演变

资料来源:Orbital Debris Quarterly News，Orbital Debris Quarterly，Volume13，Issue2，April 2009，p.2。

七、攻击卫星产生碎片

对卫星实施攻击，也会产生大量碎片。冷战时期，美苏为了争夺太空控制权，设想用各种武器打击对方卫星，并进行了试验。最为典型的攻击武器就是弹道导弹。美苏都进行了导弹打击卫星的试验。1985年9月13日，一架F-15战斗机在1.2万米高空发射导弹摧毁了一颗退役通信卫星，在560千米的高度产生了285块碎片。美国海军“伊利湖”号巡洋舰于美国东部时间2008年2月20晚10时26分(北京时间21日上午11时26分)，在夏威夷以西太平洋海域发射一枚标准-3型导弹，3分钟后在距离地面247千米外的空中成功击中失控侦察卫星USA-193。美国在声明说由于拦截高度相对较低，卫星被击中后所产生的碎片会立即坠向地球大气层，不会成为太空垃圾，预计未来24小时至48小时内，进入地球大气层的几乎所有碎片都将燃烧殆尽，还有一些零星碎片也将在未来40天内进入地球大气层。

攻击卫星产生的碎片更为严重，来源于这样一个假设。即，来自因为攻击卫星而产生的碎片，在向外扩散过程中，对称地分布在原先这个卫星质量中心的周围。根据NASA的分解模型，因攻击卫星而产生的碎片粒子中的绝大多数的轨道速度，以相对于碎片云质量中心来衡量，会远远小于原先的卫星的速度。尤其是，对于大于10厘米的碎片来说，80%的碎片粒子的相对速度小于0.25km/s，只相对于在轨运行卫星7.5km/s速度的3%。对于较小碎片粒子而言，这个结果同样也是适用的。因为绝大多数碎片粒子的相对速度小于卫星的轨道速度，碎片粒子的总体速率将非常接近卫星的在轨运行速率，这样，碎片粒子，尤其是那些较大质量的碎片粒子，将会在接近原先卫星的轨道高度上运转。在几天之内碎片沿着原先卫星的轨道散布开来(见太空碎片演变图图3-13中的a和b)。碎片一旦散布开来，就会产生对所有经过这个高度的卫星产生潜在碰撞的威胁。随着时间的推移，因为地球重力场的不同力量，导致碎片轨道围绕地球轴线旋转，这样，碎片将飞出原先的轨道平面(见图3-13示意图c)。对于近似极轨上的碎片来说，几年之后，碎片粒子一贯不变地分布在一个围绕地球的甲壳中(见图3-13示意图d)[9]。

图3-13 太空碎片的演变示意图

资料来源:David Wright，“Space Debris”，Physics Today，October2007，p.40.

[1] 王海福、冯顺山、刘有英:《空间碎片导论》，科学出版社2010年版，第4—5页。

[2] Jeff Hetch，Spate of rocket break-upsc reates new space junk，17January2007.http://www. newscientist.com/article/dn10979.

[3] Space Security Index2010，p.38.

[4] Peter B.de Selding，Huge Satellite Pose150-year Threat of Space Debris. 27 July 2010. http://rss.msnbc.msn.com/id/38431649/ns/technology_and_science-space.

[5] Leonard David，Space Junk Mess Getting Messierin Orbit，23February，2010. http://www.space.com/missionlaunches/space-debris-getting-messier-100223.html.

[6] 不过“环境卫星”用的是法国“斯波特-4”(Spot-4)遥感卫星配备的燃料箱，而后者的发射重量不到“恩威萨特”的一半。燃料箱如此之小，根本无法在运行11年后将卫星送回地球(Peter B.de Selding，Huge Satellite Pose150-year Threatof Space Debris.27July2010. http://rss.msnbc.msn.com/id/38431649/ns/technology_and_science-space)。

[7] Michael W.Taylor，Orbital Debris: Technical and Legal Issuesand Solutions，August 2006，p.15.

[8] Orbital Debris Quarterly News，Orbital Debris Quarterly，Volume13，Issue2，April 2009，p.2.

[9] David Wright，“Space Debris”，Physics Today，October2007，pp.39-40.