太空残骸——日益增长的危险

发布时间：83年04月28日

Jim. Schefter 编译杜晓明

太空观察者正在竭尽全力地记录10，000个有害飞行物的轨迹

太空浮悬物就像恬静的池塘里的钓鱼浮标。苏联“宇宙1275”号在最近一次短暂的出现时，从广袤的太空中平稳地疾驰而过。

1981年6月4日午后不久，卫星开始作业。50天后，“宇宙1275”号在600英里高空近地极轨道上作例行飞行时，于北加拉斯喀冰冻地带上空裂为碎片。

这是一件不可想象的事。专家们怀疑是否在太空中闪现过一块几乎看不见的金属碎片，撞到“宇宙1275”号上，把它炸得粉碎。就在这1981年7月24日那个几分之一秒的时间内，一个正在工作的太空飞船转眼变成了140块沿轨道运行的碎片。

肯定是“Kessler综合症”造成了这十分惨重的、损失，即空间运动的碎片层导致了轨道上的碰撞事件。

“这仅是推测而已，因为没有人见到它的发生”，美国西部一位这方面的专家说。他向我描述了这架飞船可能发生的情形。“在以往可能发生的碰撞事件中，这次最为严重”。

“我们认为这是颗没有推进器或油箱的重力梯度卫星，[重力梯度空间飞行器靠重力变化反应定向。苏联从来没有透露过它在宇航卫星方面的技术细节。]它的任务是航行，所以不会携带任何可能爆炸的东西，而且它在突然被击得粉身碎骨之前，工作一直很正常”。

另一位专家分析了轨道资料后，表示同意这一观点。他说：“这起事件碰撞的可能性极大，而不是简单的爆炸”。这二位调查者都不希望在研究中相互一致。尽管“宇宙1275”号的不幸事件的具体细节，都已不成其为秘密，但他俩的工作内容还都相互保密。

然而正是1981年发生的这件事，促使人们对太空残骸引起新的日益增长的关注。NASA（国家航空和宇航局）和军界人士都在积极调查日益增多空间残骸造成的危害，因为对宇宙飞船，未来的大型空间航天站和轨道上较小的现役卫星来说，它所造成的潜在威胁变得更为严重了。

为了报道这个极为严重的问题，我走访了休斯敦的琼森太空中心，科罗拉多州斯普林的北美防空司令部（简称NORAD），加利福尼亚州埃尔塞贡多的空军空间部和航空公司等等，与那里的专家进行了交谈，他们说：

将近5000个沿轨道运行的物体已被列入名册加以追踪。这些物体的尺寸从仅数英吋到完整的宇宙飞船和火箭体。其中多半是爆炸产生的残骸物，其，余有的是从仪表舱里排出的防护罩壳、有的是从翻滚卫星上撕落下来的碎片，有的是从其他物体上故意弹射出来的物体或者是像产卵那样撒下来的零件。最近有份报告指出：轨道上还有6000个尚未被跟踪的物体、它们同样也具有危害性。

自从1960年以来，太空中至少发生70次爆炸：事件或“碎裂”事件，其中有些是故意的（包括19次苏联反卫星试验）然而大多数并不是这样，其中有10次是美国“Delta”火箭丢弃的第二级火箭，它们有的在完成任务后，于轨道上飞行了三年才爆炸。单1981年就有7起各种类型的爆炸事件发生。

碰撞的可能性大大地增加了。另有二艘苏联飞行器碰撞后撒下了许多碎片，然而缺乏亮分的证据。一只名为PAGOS的美国通讯信号反射充气气球，在1973年7月，可能由于碰撞而裂为碎片。然而同样缺乏证据。

物体的“近距脱靶”次数正在增长（二物体在三十英里距离内飞行通过）。1981年至少有二颗卫星处于特殊监测之下，因为据NORAD的雷达数据显示，它们与飞行残骸物的最短距离不超过1000码。1981年最后六个月内，仅在地球同步高度（22000英里高空）就有120次“近距脱靶”，1980年4月二颗现役通讯卫星的通过距离为6英里。

微小的金属碎片也同样绕地球运转。阿波罗飞船和太空实验室返回地球时，在其窗户的凹坑上发现留有铝的痕迹，据分析这些铝只能来自于制造零件。这个发现引起了人们对未来仪器的关注，如这些飞行物会使大型电子望远镜降质。

在跟踪和观察方面急需加以改进。NORAD一套新的高质量光学观察系统不久将投入使用。NASA正在研究绕地球飞行的遥感系统，使其成为空间的“警戒哨卫。”

“人们通常争辩说，空间净化是自行进行的”，他解释说：“实际上，在较低的空间范围内，大气中的微粒确实是自行净化的，但在较高的空间则不然。”

“轨道上运行的残骸物有着降雨效应”。（raindown effect）日益增多的专家对这种公害引起关注，他们非正式地把这种效应称之为“Kessler综合症”。甚至连保守的美国航空航宇学会最近也发表了一篇措辞强烈的关于空间残骸物的文章，强调某些科学前沿应立即采取行动，以免问题变得不堪收拾。

已经开始对Delta火箭的爆炸原因进行调查。加利福尼亚州亨廷顿比契（Huntington Beach）的制造Delta火箭的麦克唐纳、道格拉斯宇航工厂正在进行检测工作，以寻找自燃燃料和氧化剂之间的舱壁可能产生爆炸的因素。（自燃燃料会因摩擦而自行引燃）这种舱壁在产生15磅/英寸²的压力差时便会破裂。

在执行贯彻的航行任务中，Delta火箭通风活门在仪表舱启用之后便关闭了。被排弃的漂浮的废船在日光中进进出出，引起压力上升，直至舱壁破裂。1981年1月27日在南极洲Edith Range Land上空一架Delta火箭的爆炸就是这样引起的，它在空中飞行了近三年，而有的Delta火箭弃入轨道仅一天就爆炸了。

这个问题已被查明，麦克唐纳、道格拉斯工厂知道该怎样办。“我们改变了第二级火箭从仪表舱上脱离下来的程序，先点燃发动机，把燃料耗尽，”Delta程序负责人Rayburn说，“然后打开阀门，把多余的推进器抛除。”

这样做似乎有些用处，新制造的Delta火箭从此以后就没有爆炸过。但是一些老的火箭仍然留在轨道上，它们会渐渐地变成大量的残骸。

“大多数Delta火箭在900英里上空爆炸”，凯斯雷（Kessler）说，“那里残骸物的密集度最大，并成为降落到较低空间的大量残骸物的源泉。”另外在其上方500英里处发现了密集度较大的残骸区。航空公司空间故障办公室负责人V · A · 可波托夫（V. A. Chobotov）说：其中大多数是苏联反卫星试验造成的残骸物。苏联“狩猎卫星”会在其目标的五英里范围内爆炸，向空间散射出大量的榴霰弹。

尽管这一地带并不是宇宙飞船通常执行任务的地方，但它还是在飞船飞行的极限范围之内，而且空间残骸物还会筛滤到飞船通常工作的高度范围内。

“空间碰撞事故随飞行器的半径增长而增长”，可波托夫解释说，“当然就现在而言，这个问题还未十分严重”。可波托夫算出宇宙飞船在170英里高空进行为期四天的飞行任务中，会有67次遇到一米以上的残骸物（指在120英里距离内），碰撞几率为1/10⁶。

“但是会有更多较小的物体降落到这部分空间。”可波托夫警告说，“将来需要更多的空间交通管理。”

降落到那里的飞行物体的数量每年都在增长，NASA的凯斯雷相信：在10年内，自我相撞——绝大多数是所弃废船的碎片之间的相互碰撞，将会成为造成空间残骸物的主要根源。

凯斯雷不仅调查了切实存在的那些飞行残骸对现役飞行器所造成的危险，而且还考察了残骸区域的扩散方式。他通过以高速向金属板发射微小碎片的试验，证明任何碰撞都会产生大量的新的碎片。这些碎片各自在自己的轨道上飞行，并渐渐地在空间扩散开来。

在一次实验中，把一颗1/10英时的玻璃球以每秒钟4.5英里的速度射向一块四分之一英时厚的铝板，结果在铝板上留下了一个为球直径8倍的碰撞陷坑。

在另一次实验中，把一颗重六克的豆般大小的弹丸射向一块重500克砖那般大小的铝板，结果铝板被打得碎片四飞。

一只重1000磅的宇宙飞船撞碰后可能产生一百万块碎片，Kessler说：但更常见的是几百块碎片。“最可能发生的地点就是轨道的交点”，凯斯雷说，“碰撞速度可从0到每秒钟10英里。”

大量的监测卫星经常通过的地极轨道和通讯卫星相对地球固定的轨道交点，都会成为危险区域，因为有许多Delta火箭的碎片留在地极轨道上。

鉴于空间存在如此繁多的残骸物，NORAD对此保持了精确的资料记录。“我们力图做到每天对一轨道进行六次观察，作为对此轨道的日常维护。”指挥控制系统部的负责人P · H · 洛伊（P. H. Roe）空军中校对我说、其中包括现役卫星，尤其是军事卫星和其他一些所感兴趣的物体。

对于3000英里高度以下所有的物体，NORAD力图做到每天观察一次。洛伊说，对进入大气层的物体，NORAD通过遥感探测器，对它作连续的跟踪。

宇宙飞船也受到NORAD的充分关注。宇宙飞船的轨道途径输入计算机，不断地与和此途径有关的所有已知物体轨道进行比较。“我们用6 ~ 12小时，便可在宇宙飞船前建立起一个保护网。”洛伊说“这是我们计算机的主要任务”。

如果预测到将发生一次“近距脱靶”，便会立即通知NASA。如有必要，该系统还可通知卫星控制人员。但NORAD强调所有跟踪数据都会有错差，尤其是那些对之每天只作一次观察的物体。

“数据可精确到2000米，有正负40米的误差。”[译者注：原文为正负40公里]洛伊说：“不可能知道卫星在2000米范围内的准确位置。一般取其算术平均值。”

所有的数据都储入NORAD的指挥中心，这个指挥中心在科罗拉多州斯普林附近夏延山下巨大的隧道和人工挖凿的洞穴内。那里成排的计算机不停地区分各种信息，它们可以从所储存的空间残骸物的记录资料数据中，迅速地辨别出哪些是导弹或是其他攻击武器。

早在六十年，NORAD的全套设备就投入了使用。这是一个独立完整的指挥中心，它深藏在数千英尺的花岗岩之下，以防原子弹的攻击。最近我有幸参观了这套系统。

我们乘车通过14.00英尺的隧道，来到第一道检查站。从那里我们再步行到更深的地下迷宫。门口有二扇厚三英尺重二十五吨笨重大门，以防冲击波，它们可在警报发出的三十秒钟内迅速关上。

从1961年起，开始爆破这近三英里长近40英尺高的隧道。在这隧道内NORAD建造了15座钢制建筑物，大部分都高达三楼，它们都是用巨大的绕线弹簧和避震装置支承。安装在这些大楼内的精密计算机、通讯设备、电子雷达和其他设备，足以防止原子弹直接落在山上引起的震动所造码的损坏。

过隧道的一个拐弯处，我惊愕地看到50码前面第一幢三楼高的建筑物单调的钢板侧面。不一会儿我们进入一座普通的政府印刷所，在那儿很容易忘记竟是在地下。在以后的几小时内，我参观了电子车间、计算机室，甚至还参观了药房和餐厅。

但我们的注意力更多地集中在指挥中心，那屋里都是仪表板、电视荧幕、信息转换器和一个连接NORAD司令的通讯系统，他的助手们和白宫及所有的军事指挥部都有直接的联系。

NORAD的设备中包括雷达和光学设备，如有名的Baker-Nunn摄像机，十年来它给空间观察者提供了精良的服务。它能在低空轨道上发现几英吋大的残片，在同步轨道上能看到一米大的物体。

一个安装在四个地球覆盖位置的名叫“外层空间地面电光监测”的新系统，不久便可投入使用，它将给监测工作带来具有重大意义的改进。这种监测系统通过巨大的天文望远镜、用摄像机灵敏的感光视像管聚焦，然后把所测的光学结果用数据形式输入计算机。

这样便可发现3000英里上空任何穿过星场的极小的运动物体。它可辨别出只有16.5星等的暗淡物体。这相当于在22000英里上空发现一只足球。

利用NORAD的轨道数据，指挥中心二位富有工作经验的分析家在测定轨道残骸物的来源和分析潜在的碰撞方面，作出了令人瞩目的贡献。P. Landry加巴德（J. Gabbard）倡导了对计算机程序所作的重大改进，即从轨道途径反推是什么物体，在什么地方碎裂了。

加巴德也碰到了一些疑难之处，即如何确定物体是爆炸还是碰撞。“我们还未曾遇到这样的问题，即不能断定是哪个物体碎裂了。”他告诉我说，“但琴断定是什么原因引起它碎裂，则要困难得多。”

只能靠推导和推测的方法寻找最可能的碰撞物。PAGEOS是一只1966年射入轨道的充气气球，其直径为100英尺，用来反射无线电讯号，1975年PAGEOS不引人注目地部分放了气。

NORAD跟踪观察到这颗无动力气球突然出现了70多块分离的碎片。加巴德推理说，如果是一物体刺破了气球，那么碎片应分为二个组——一组朝刺进洞去的方向，一组是出口方向，计算机指出了这个可能性。

加巴德甚至发现了这一可能的碰撞物，即存在于这一区域的唯一的一块旧卫星的小碎片，这块碎片从此以后便从来没有被发现过。

当然证据不够充分，因为追踪不—定完美无缺。“想象和推测既可能使你得出一个重要结论，也可以给你带来麻烦”。Landry在谈到试图从空中精确拍摄到空间碰撞情景时说：“我们还没有所需要的十分巨大的功率，所以还得靠推测。”

出于对日益增长着的相撞危险的深切关心，NASA已提出通用电气公司制造用于轨道警戒遥感器的计算仪器，用以追踪火箭飞径的那些区域中的残骸。

“我们正在考察三种形式的设备，即雷达、光达和无源光学系统”，通用电气公司的S · 奈斯特（S. Neste）说。在这些系统中，都把遥感器放在绕地球运行的160 ~ 680英里上空的飞行器上，以监测所有从0.1 ~ 10 cm的微小物体。“我们着重于较小的残骸物，因为地面雷达可发现10 cm以上的残骸物。”Nate说“我们希望增加有用的数据，不仅是重复录制这些数据。”