太空垃圾

太空垃圾（space debris或space junk），是指在繞地球軌道上運行，但不具備任何用途的各種人造物體。這些物體小到固態火箭的燃燒殘渣，大到在發射後被遺棄的多節火箭。它們有撞擊其它航天器的風險，某些太空垃圾在返回大氣層時也會對地面安全造成威脅。

由於太空垃圾以軌道速度運行，動能巨大（每秒7km以上），若與它們相撞可能會嚴重損壞尚在運作的航天器，甚至威脅到太空人在艙外活動時的生命安全。隨着太空探索的推進，太空垃圾的數量逐年遞增，所帶來的問題日益嚴重受影響°

概要

太空垃圾包括因壽命已盡而報廢、或因事故和故障而失控的人造衛星、發射各類航天器時使用過的火箭本身及其一部分零件、多級火箭分離時產生的碎片、大塊碎片相互碰撞後產生的小碎片、甚至還有太空人遺失的手套和工具等物品。它們與天然岩石、礦物質和金屬等構成的宇宙塵埃、流星體等是不同的概念。

歷史

自蘇聯發射人類第一顆人造衛星斯普特尼克1號以來，全世界各國一共執行了超過4000次以上的發射任務，產生了大量的太空垃圾。雖然其中的大部分都通過落入大氣層燃燒殆盡，但是現在還有超過4500噸的太空垃圾殘留在軌道上。美國於1958年發射的尖兵1號（英語：Vanguard 1）（Vanguard 1）人造衛星報廢后至今仍在其軌道上運行，是軌道上現存歷史最長的太空垃圾。^[1]

產生原因

人為散佈

美國在20世紀60年代曾經執行過西福特計劃，將4億3000萬根^[2] 銅制偶極天線（全長1.78厘米，直徑25.4微米（1961年）/17.8微米（1963年）的針狀物）^[3]^[4]散佈在軌道上形成雲狀環，從而反射無線電信號以便海外的美軍能更好地與本國聯繫。本計劃散佈的針狀物分佈於高度在3500公里到3800公里之間，軌道傾角在96度到87度之間的軌道範圍，最終成為了太空垃圾^[5] 。根據當時美國聯合國大使阿德萊·史蒂文森的說法，在太陽輻射壓力的作用下，這些針將會在短短3年內離開軌道。但事實上直到現在仍有相當數目的針殘留在軌道上，^[6] 偶然才會返回大氣層^[7]。

已報廢衛星與用後的火箭

大部分第一節都會自然落入大氣燒毀，而後面級若能達到入軌高度，一般則會進行反推來回收（早期版本的火箭可能不會擁有此功能），不過少部分情況下，會因為引擎突然爆炸或是零組件遺落、燃料估算錯誤而導致最終可能無法進行所謂可操作墜毀的過程。另外，雖然很多衛星達使用壽命後都會透過變軌來碰撞大氣自毀，但除了高軌道衛星動能龐大、難以墜毀之外，有時候老舊衛星操作也會遇到不可預期的問題而失控。而這是目前大型垃圾的主要來源，如「高層大氣研究衛星」（UARS）、尖兵1號人造衛星。

遺失的器材

在Edward Tufte所著的書籍《Envisioning Information》中提及到現存的太空垃圾當中也包括一隻太空人愛德華·懷特在進行艙外活動時遺失的手套；米高·科林斯在雙子星座10號任務期間遺失的攝影機及和平號空間站運作15年間棄掉的垃圾袋^[1]、一個扳手和一支牙刷。參與STS-116的蘇尼特·威廉斯在一次艙外活動期間也丟失了一個攝影機。STS-120的工作人員在維修國際太空站上一塊太陽能電池板時遺失一對鉗，在STS-126中一名太空人進行艙外活動時丟失了一個與公文包大小相約的工具包。

在STS-126中丟失的工具包(畫面正中)。

反衛星武器

美國與前蘇聯在60至70年代所進行的一系列反衞星武器試驗為太空垃圾的主要來源之一。在理解到太空垃圾的問題與及其嚴重性後，大部份反衞星武器計劃及其試驗皆被終止。當時美國唯一一個能夠運作的反衞星武器「437號計劃」亦於1975年正式關閉。^[8]

美國在80年代重新啟動反衞星武器計劃，與渥特（Vought）公司簽約研發出ASM-135反衞星飛彈，並在1985年進行實驗擊毀了一個環繞地球525公里重2200磅的衞星，製造了上千顆大於1厘米的太空垃圾。所幸由於實驗在較為低的軌道上進行，大部份的碎片被重力牽引並在大氣層內燃燒殆盡。

中國在2007年進行的反衛星試驗估計共造成了2300件以上（2007年12月13日的數據顯示）的可被追蹤的(尺寸大於高爾夫球)、35000多片大於1厘米的和100多萬個大於1毫米的太空垃圾。^[9]由於在目標衛星的軌道高度大氣阻力非常小，這些太空垃圾將在軌道上運行數十年後才能被逐漸耗盡。

危險性

STS-7 期間，挑戰者號穿梭機的一個窗戶與油漆碎片相撞，在其一處窗戶上形成了一個撞擊坑。

太空垃圾一般在高300-450公里的近地軌道上以每秒7-8公里，而在36000公里高度的地球靜止軌道上則以每秒3公里的速度高速運動，根據軌道傾角碰撞時的相對速度甚至可以達到每秒10公里以上，因此具有巨大的破壞力。因此太空垃圾若與運作中的人造衛星、載人飛船或國際太空站相撞，會危及到設備甚至太空人的生命，據計算一塊直徑為10厘米的太空垃圾就可以將航天器完全摧毀，數毫米大小的太空垃圾就有可能使它們無法繼續工作。而太空垃圾也因此成為了國際問題。

凱斯勒現象

凱斯勒現象理論假設認為新產生的太空垃圾會和正常工作的衛星碰撞，進而產生新的太空垃圾。新的太空垃圾繼續加重已有的問題，產生連鎖反應。^[10] 有些學者認為，當太空垃圾的密度達到一定程度時，會造成太空垃圾佈滿近地軌道，令人類在數百年內無法進行太空探索甚至使用人造衛星。^{[來源請求]}

應對方法

觀測與追蹤

儘管太空垃圾的數目與日俱增，^[11] 由於它們都在各自不同的軌道上運轉，想要將它們回收或是控制非常困難。為了防止碰撞而對地球附近的太空垃圾等物體進行觀測被稱為空間警戒。美國空間監視網絡（US Space Surveillance Network, SSN）、俄羅斯空間監視系統（Space Surveillance System, SSS）等機構對約10厘米以上的較大太空垃圾進行編錄並實時監視，而日本也在美星空間警戒中心、上齋原空間警戒中心進行太空垃圾的觀測工作。已被編錄的大於10厘米太空垃圾現已超過9000個，而1毫米以下的微小太空垃圾可能有幾百萬甚至幾千萬個。

外力移除

由外層空間以高能雷射或太陽能，可以聚焦擊毀或使其減速墜入大氣層。

自行消滅

必須建立在尚可控的條件下，例如啟動火箭來使其減速。

產生大量太空垃圾的歷史事件

參考資料

^ ^1.0 ^1.1 Smith, Julian. "Space Junk."^{[永久失效連結]} USA Weekend, 26 August 2007.
^ I. I. Shapiro; H. M. Jones; Perkins, C.W.: Orbital properties of the West Ford dipole belt （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）; Proceedings of the IEEE; Volume 52, Issue 5, May 1964 Page(s): 469 - 518 (Abstract, english)
^ Lovell, A. C. B.; Blackwell, M. Ryle; D. E.; Wilson, R., West Ford Project, Interference to Astronomy from Belts of Orbiting Dipoles (Needles), Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, June 1962, 3: 100 [2011-10-20], （原始內容存檔於2018-08-09）
^ Wiedemann, C.; Bendisch, J.; Krag, H.; Wegener, P.; Rex, D., 寫於Darmstadt, Germany, Sawaya-Lacoste, Huguette , 編, Modeling of copper needle clusters from the West Ford Dipole experiments, Proceedings of the Third European Conference on Space Debris (Noordwijk, Netherlands: ESA Publications Division), March 19–21, 2001, 1: 315–320 (October 2001) [2011-10-20], ISBN 92-9092-733-X, （原始內容存檔於2018-08-09）
^ Position Paper on Space Debris Mitigation - Implementing Zero Debris Creation Zones (PDF), International Academy of Astronautics Final Issue Approved for Publication (Paris, France: International Academy of Astronautics), 2005-10-12 (2005-10-15) [2011-10-20], （原始內容 (PDF)存檔於2012-02-05）
^ Hall, Christopher D., West Ford dipoles, Blacksburg, Virginia: Virginia Tech Department of Aerospace and Ocean Engineering, 2003-09-18 [2011-10-20], （原始內容存檔於2007-03-12）, many clumps of the needles are indeed still in orbit
^ Barhorst, L.J.C. (編), 寫於Medemblik, The Netherlands, RAE Table of Earth Satellites, Farnborough, England: Royal Aerospace Establishment / Defence Research Agency: 34, 2008-01-20 [2011-10-20], （原始內容存檔於2011-10-03）, 148 pieces, 94 have decayed
^ Clayton Chun, "Shooting Down a Star: America's Thor Program 437, Nuclear ASAT, and Copycat Killers", Maxwell AFB Base, AL: Air University Press, 1999. ISBN 1-58566-071-X.
^ "Fengyun 1C - Orbit Data."^{[永久失效連結]} Heavens Above.
^ Donald J. Kessler and Burton G. Cour-Palais. Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt. Journal of Geophysical Research. 1978, 83: 63 [2010-09-01]. （原始內容存檔於2009-05-02）.
^ Orvital Debris Quarterly News. [2010-09-01]. （原始內容存檔於2010-05-27）.

外部連結

[usaweekend-1] 1.0 ^1.1 Smith, Julian. "Space Junk."^{[永久失效連結]} USA Weekend, 26 August 2007.

[2] I. I. Shapiro; H. M. Jones; Perkins, C.W.: Orbital properties of the West Ford dipole belt （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）; Proceedings of the IEEE; Volume 52, Issue 5, May 1964 Page(s): 469 - 518 (Abstract, english)

[Lovelletal1962-3] Lovell, A. C. B.; Blackwell, M. Ryle; D. E.; Wilson, R., West Ford Project, Interference to Astronomy from Belts of Orbiting Dipoles (Needles), Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, June 1962, 3: 100 [2011-10-20], （原始內容存檔於2018-08-09）

[Wiedemannetal2001-4] Wiedemann, C.; Bendisch, J.; Krag, H.; Wegener, P.; Rex, D., 寫於Darmstadt, Germany, Sawaya-Lacoste, Huguette , 編, Modeling of copper needle clusters from the West Ford Dipole experiments, Proceedings of the Third European Conference on Space Debris (Noordwijk, Netherlands: ESA Publications Division), March 19–21, 2001, 1: 315–320 (October 2001) [2011-10-20], ISBN 92-9092-733-X, （原始內容存檔於2018-08-09）

[debris-5] Position Paper on Space Debris Mitigation - Implementing Zero Debris Creation Zones (PDF), International Academy of Astronautics Final Issue Approved for Publication (Paris, France: International Academy of Astronautics), 2005-10-12 (2005-10-15) [2011-10-20], （原始內容 (PDF)存檔於2012-02-05）

[vt-6] Hall, Christopher D., West Ford dipoles, Blacksburg, Virginia: Virginia Tech Department of Aerospace and Ocean Engineering, 2003-09-18 [2011-10-20], （原始內容存檔於2007-03-12）, many clumps of the needles are indeed still in orbit

[rae-7] Barhorst, L.J.C. (編), 寫於Medemblik, The Netherlands, RAE Table of Earth Satellites, Farnborough, England: Royal Aerospace Establishment / Defence Research Agency: 34, 2008-01-20 [2011-10-20], （原始內容存檔於2011-10-03）, 148 pieces, 94 have decayed

[8] Clayton Chun, "Shooting Down a Star: America's Thor Program 437, Nuclear ASAT, and Copycat Killers", Maxwell AFB Base, AL: Air University Press, 1999. ISBN 1-58566-071-X.

[9] "Fengyun 1C - Orbit Data."^{[永久失效連結]} Heavens Above.

[kessler-10] Donald J. Kessler and Burton G. Cour-Palais. Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt. Journal of Geophysical Research. 1978, 83: 63 [2010-09-01]. （原始內容存檔於2009-05-02）.

[11] Orvital Debris Quarterly News. [2010-09-01]. （原始內容存檔於2010-05-27）.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]