太空碎片的危害程度及表现形式-大小，质量与速度对比

因为太空碎片布满地球轨道，航天器一旦发射入轨，就处在太空碎片包围中，甚至在发射过程中，就受到太空碎片的威胁。近地轨道的轨道速度超过7km/s。碎片与航天器相对平均速度达到10km/s以上，这就给航天器构成巨大的潜在威胁。如何判别这种潜在威胁呢? 1克质量大小的碎片以10km/s速度运行所产生的能量等于100千克质量的物体以100km/h所产生的能量。当然，航天器遭遇各种碎片碰撞的几率，取决于太空碎片分布的密度外，还与航天器暴露表面面积及在轨运行时间有关。如何判定一个航天器被太空碎片碰撞的几率呢? 先让我们做个假定:一个位于825千米轨道高度的一颗卫星，所暴露的表面面积为20平方米，在太空运行1年以上，被各种不同尺寸太空碎片所碰撞的几率如下表3-5所示[1]:

表3-5 不同尺寸太空碎片所碰撞的几率

以上数据就清楚表明越是小碎片，撞击航天器的几率越高。但是，越是大的碎片，撞击航天器的几率越低。如果我们考虑太空环境在时间上是固定不变的，即太空碎片的数量和质量不会随着时间的变化而变化，卫星在同样轨道上总是一直运转下去，一颗卫星被大于10厘米以上碎片所碰撞每10000年才出现2次。就总体而言，每14天有一个大于10厘米的太空碎片在这个卫星1500米范围内通过;美国航天飞机飞行一次，平均需要替换一个因流星体或其他小碎片影响的窗户;需要采取制动措施避免编目碎片的撞击[2]。

到目前为止，已经有4起所编目的太空物体发生碰撞，分别是:1991年12月，俄罗斯导航卫星“宇宙1934”( COSMOS1934)被来自“宇宙926”(COSMOS926)的一块碎片相撞。(这次相撞是在2005年得到确认的，是根据计算推论出来的);1996年7月24日，法国军用卫星“樱桃”(Cerise)被来自阿丽亚娜火箭上部残骸所撞击;2005年1月17日，美国火箭残骸与中国长征4号火箭的残骸相撞;2009年2月11日，美国“铱星33”撞上俄罗斯“宇宙2251”。

碰撞所造成的危害程度及表现形式，主要看太空碎片的大小与质量、速度。这是航天器采取保护措施的前提。一般说来，大于10厘米以上的碎片撞击航天器可致其毁灭性破坏。因为10厘米以上的碎片可以被监控、跟踪、定轨和预警，采取规避手段避免航天器与之发生碰撞。2009年俄罗斯的退役卫星“宇宙2251”这个大碎片撞上有源卫星“铱星33”是一个例外。厘米级的太空碎片可以导致航天器彻底损坏。如一块阿司匹林药片大的残骸将人造卫星撞成“残废”。限于目前的监测水平，现在还无法精密跟踪和定轨这些碎片，也无法逐一预警和规避，又缺乏有效的结构防护方法和手段，因此，它们成为潜在威胁最大的威胁碎片。毫米级的太空碎片可造成航天器舱壁成坑或穿孔、密封舱或压力容器舱泄露、液氧箱爆炸、天线变形、信号失真等后果，如一颗直径为0.5毫米的金属微粒足以戳穿密封的宇航服。微米级的太空碎片后果虽然不会太严重，也不会对航天器的结构强度造成影响，但正如前述的那样，因为其数量庞大，与航天器发射撞击的概率很高，其累积碰撞也会导致航天器表面产生砂蚀和光敏、热敏等元件功能下降甚至失效(见表3-6)。例如，1微米的碎片撞击铝制舱壁，产生的撞击坑直径也只有4微米，深度也只有2微米。尽管这些损伤尺寸不大，但会降低光学表面的光洁度，改变热控表面的辐射特性，击穿抗原子氧腐蚀的保护膜等，累积效应会导致光学表面发生污染和凹陷剥蚀，破坏太阳电池阵电路和热防护系统等易损表面，使航天器功能下降或失效。

表3-6 太空碎片对航天器各分系统碰撞危害

资料来源:王海福、冯顺山、刘有英，《空间碎片导论》，科学出版社2010年版，第5页。

以上谈及的是，太空碎片碰撞航天器所产生的影响，其实太空碎片碰撞航天器所产生的影响并不限于上述所罗列的，碎片碰撞航天器最大的影响就是导致更多的太空碎片，破坏太空环境，因为每一次撞击不仅不能让碎片消失，而是产生更多的碎片，而每增加一块新碎片，又成为一个新的潜在碰撞危险源。如此往复，这样就会导致碰撞的“雪崩效应”。如果这样持续下去，太空将塞满了垃圾，人类探索宇宙和利用太空的机会都没有了。

下面我们将由具体事例谈谈太空碎片对航天器产生的影响。

太空微粒和流星雨对航天器产生重大影响。“陆地卫星5号”或因宇宙尘埃功能紊乱。2009年8月13日在英仙座流星雨达到峰值的时候，美国1984年发射的“陆地卫星5号”( Landsat5)突然出现功能紊乱。负责“陆地卫星5”号任务的美国地质调查局进行调查，是否是宇宙尘碰撞产生的等离子体对卫星的电子设备产生了干扰，导致功能紊乱。该卫星8月17日完全恢复正常功能[3]。

英仙座流星导致“奥林巴斯”1号旋转失控。一般来说，卫星有一定的防护功能。当密集的流星雨就要来临时，卫星会改变太阳能电池板的方向，尽量降低受损机会。然而在1993年8月12日英仙座流星雨发生期间，欧洲航天局的“奥林巴斯”1号(Olympus1)卫星却做不到这一点。因为此前遭受了流星雨的撞击，导致其中一个太阳能电池板上的瞄准控制系统失灵，使它无法改变太阳能电池板的方向，不能躲避流星的袭击。那一年的流星雨非常密集，产生流星雨的斯威夫特-塔特尔(Swift-Tuttle)彗星在这之前刚刚从地球旁边越过，彗尾里的大量太空碎片遗留下来，形成流星。流星雨期间，英仙座流星似乎导致“奥林巴斯1号”卫星因旋转过快失去控制。经过努力，欧空局使之稳定下来，但是消耗了这颗卫星的大部分燃料，最终剩下的燃料只够把它送入“墓地”轨道，确保其不与其他航天器相撞，这样，这颗卫星因此“殒命”[4]。

一块碎片报废一颗军用卫星。航天界第一个确认的撞击发生在1996年7月24日，肇事者是一块欧空局10年前发射的“阿丽亚娜”火箭的残骸，在距离地面700千米的轨道，它以每秒14千米的相对速度撞断了法国的在轨运行1年的电子侦察卫星“樱桃”(Cerise)的重力梯度稳定杆，卫星立刻失去控制姿态。法国对此回天乏术，“樱桃”就此凋落。

小的太空碎片能给航天器暴露的外表造成一定的损害。虽然这类损害不一定立即给航天器造成重大直接损失，但是，如果长期这样下去，而不用新的部件替换这些受损的部件，问题就比较严重。所以，我们看到哈勃望远镜从1990年发射升空以来，到2009年一共进行了5次修理。当然，这5次修理并不完全是因为太空碎片撞击了哈勃身体而需要对其进行修理。在过去的20年里，哈勃向地球传送了近100万张珍贵的天文图片和大量来自宇宙深处的数据。它被认为是改写天文学教科书的最重要的太空观测仪器之一，开创了天文史的新纪元。这5次修理时间分别是1993年12月、1997年2月、1999年12月、2002年3月和2009年5月。几乎每次修理，都会替换一些被碎片撞击的部件，同时安装上功能更强大、更先进的设备。这个超龄老兵，不断创造新的奇迹，为人类探索宇宙建立了不朽功勋。

太空碎片使得维修航天器、太空舱外行走是一件非常冒险的事情。如同前述，一颗直径为0.5毫米的金属微粒足以戳穿密封的航天服，也就是说人肉眼无法辨别的尘埃(如油漆细屑、涂料粉末)都能使宇航员殒命。因此，维修航天器、出舱行走都是非常冒险的事情。如图3-2“近地轨道编目物体分布密度随轨道高度变化情况”所显示的那样，哈勃望远镜所处的500多千米高度的轨道上的太空碎片，比国际空间站所处的距离地面360千米的轨道上的碎片要多，太空碎片碰撞宇航员和航天飞机的几率(美国专家估计航天飞机与太空碎片相撞的几率是1/229)，比碰撞国际空间站的几率要高些，而且，航天飞机远离国际空间站，使得宇航员可能失去了一个紧急避难所。因此，在对哈勃望远镜进行维修之际，地面控制人员时刻密切监视太空碎片的动向，以便及时向航天飞机下达规避指令，避免不幸的事情发生。但是，宇航员出舱对国际空间站进行外部维修时，同样也不能大意，地面控制人员也时刻监视太空碎片的动向。(www.xing528.com)

太空碎片让宇航员逃往救生舱。2011年6月28日，一块未知的太空碎片飞临国际空间站，最近距离只有250米，迫使6名宇航员躲进俄罗斯两艘“联盟”号宇宙飞船避难。两名宇航员大约在俄罗斯飞船内待了半个小时，随后返回国际空间站。此次事件非常罕见，但是并非绝无仅有的一次，2009年3月12日也曾出现过类似的情况，有一块碎片非常接近空间站，迫使宇航员采取临时避难措施[5]。

微小尘埃让航天飞机停飞。1983年6月18日，美国“挑战者”号航天飞机在升空的过程中，它左侧的一处舷窗被一块只有2微米宽的含钛油漆碎片撞击，当即在舷窗上留下了一个4毫米直径的深坑。航天飞机每次往返地天之间，总是“遍体鳞伤”。返航后，总要进行彻底诊断，在解决问题之前，禁止太空飞行。截至2001年，美国就因为太空碎片的撞击而更换了80块航天飞机的舷窗，而替换一块舷窗的费用需要5万美元[6]。

以上是太空碎片撞击航天器使之造成不同程度的损害。还有一些碎片，尽管不会撞击航天器，但是改变航天器发射日期，或迫使航天器采取规避措施。如中国最初预定在1999年11月18日发射“神舟”一号飞船，但为了躲避当日“狮子座”流星雨爆发的高峰，不得不推迟到11月20日发射。发射人员采纳了中国科学院空间环境预报中心提交的报告，“推迟两天发射，与流星体碰撞的概率将减小到峰值的1/1000”。对于来袭的大太空碎片，航天器只能采取紧急规避。1991年9月15日，美国发射的“发现者”号航天飞机差一点与前苏联的火箭残骸相撞，当时“发现者”号与这个“不速之客”仅仅相距2.74千米，幸亏地球上的指挥系统及时发来警告信号，它才免于丧生。“和平号”空间站曾经两次点火加速飞行;美国的航天飞机也有6次变轨记录[7]。截至2006年6月，国际空间站曾6次避让可能与之相撞的太空垃圾。到2009年2月，又增加了2次。

太空碎片的危害不仅仅限于对航天器构成威胁，而且也会对地面构成安全威胁。从大的方面来说，对国家安全构成威胁，从小的方面来说，对人身构成伤害。前者以核能为动力的航天器坠落地面为代表，后者以小碎片砸中人、房屋为代表。美国和苏联在太空的核反应堆中有1吨的铀—235及其他核分离物。前苏联共发射31颗核动力侦察卫星，其中已有两颗给地面带来污染:1978年，“宇宙954”号大量放射性残骸落入加拿大的斯克拉芬海;1983年，“宇宙1402”号的反应堆芯落入南大西洋。1978年的“宇宙954”坠毁造成的危害最大。1977年9月17日，苏联发射了一颗由小型核反应器驱动的人造卫星“宇宙954号”，该卫星携有50公斤浓缩铀一235。但是在1978年1月24日，该核动力卫星因故障失控，在重返大气层时烧毁，其所产生的放射性残片坠落在加拿大境内西北部，造成核辐射，引起居民的万分恐慌。在美国支持下开展的“晨光”行动，加拿大在其西北部近5万平方千米的区域内共搜集到60多公斤残片，其中90多块残片和4000多个颗粒带有放射性，幸好绝大部分放射性较低，对人体无危险，但有几块放射性较强，最强的每小时辐射量达200伦琴，如人体直接接触就会受到危害。为了清除上空的核辐射，美国和加拿大在该地区实施作业，以清除核物质。在此过程中花费了相当大的资金和时间成本，从1978年1月24日到1978年10月15日，出动各种型号的飞机就飞行了2400多个小时(这里需要说明的是，美国人提供的“帮助”的真实意图就是想要了解苏联这个侦察卫星秘密)。

2009年7月，一块滚烫发红的金属块从天而降，砸穿了英国东北部赫尔市的一对老年夫妇家的房顶。英国皇家空军经过鉴定后在10月15日宣布，这可能是来自太空中的太空垃圾。这块金属块有5英寸(约12厘米)长、3英寸(约7厘米)宽、1.5英寸(约4厘米)厚，重4磅(约1.8公斤)。如果说这对老年夫妇很不幸，那么比他们更不幸的要数美国的一位妇女。1997年1月，美国俄克拉菏马州一妇女出门时突遭当头一击，一块烧焦的织物材料碎片砸到她的肩部。经专家确认，这个罪魁祸首是约12厘米碎片，来自德尔塔2型火箭的油料罐。不幸中的万幸，就是这两起碎片都没有造成重大的人身伤害。

一国太空碎片溅落他国领土，可能引起外交纠纷，严重时影响国际安全。1979年7月11日，美国天空实验室曾解体，解体的天空实验室便像一条火龙划破长空，穿过大气层，最后化成无数碎片，坠落在澳大利亚西部地区和南印度洋。澳大利亚当地委员会对此表示强烈不满，随后时任美国总统的吉米·卡特打电话给当地一家摩托车旅馆表示道歉。上述的苏联核动力卫星溅落到加拿大，引起加拿大的严重抗议。加拿大把苏联告上联合国，要求苏联赔偿600万美元，而苏联拒绝承担任何责任。经过3年的艰苦谈判，苏联同意支付300万美元。

[1] Risques Lies Aux Debris. http://debris-spatiaux.cnes.fr/english/risques_debris_eng.html.

[2] Ibid.

[3] Sigrid Close，Shooting Stars Can Shoot Down Satellites. April2010. http://spectrum. ieee. org/aerospace/satellites/shooting-stars-can-shoot-down-satellites; Landsat5，http://en. wikipedia.org/wiki/Landsat_5.

[4] Sigrid Close，Shooting Stars Can Shoot Down Satellites. April2010. http://spectrum. ieee. org/aerospace/satellites/shooting-stars-can-shoot-down-satellites; Landsat5，http://en. wikipedia.org/wiki/Landsat_5.

[5] Duncan Geere，Orbital debris forces ISSevacuation aler，June28，2011.http://www. wired.co.uk/news/archive/2011-06/28/debris-iss-evacuation-alert.

[6] “中美火箭残骸太空碰撞，看空间交通事故”，http://www.jxgdw.com/news/itxw/2005-04-30/3000041973.html.

[7] “中美火箭残骸太空碰撞，看空间交通事故”，http://www.jxgdw.com/news/itxw/2005-04-30/3000041973.html.