2024年12月30日下午,就在全世界人民都在喜迎新年的欢乐气氛中,一块直径超过2.4米、重量超过一吨的环状发光金属从天而降,径直坠落到肯尼亚一个偏远的村庄。

村民们被这突如其来的“泼天富贵”吓懵了。据目击者的回忆,这个不明物体坠落的时候冒出耀眼的红色火光,但是在落到地面之后温度明显降低,外部整体变成了灰色。居民们担心是炸弹,甚至是外星来客。但肯尼亚航天局工作人员来到现场后最终确定,这个物体是太空残骸,即发射火箭的分离环。

“此类物体通常被设计成在重返地球大气层时烧毁或者坠落到海洋等无人区。这次坠落是一起孤立事件”,尽管如此解释,但肯尼亚航天局工作人员也不得不承认,“随着我们人类不断发射航天器到近地轨道,现在我们头顶的这片天空已经不再像以前那样安全了。”

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从天而降的火箭分离环让肯尼亚村庄的居民吓了一跳

“孤立事件”的概率有多小?

通俗地讲,火箭飞行过程中掉下来的部分称之为残骸。在火箭发射后的几分钟内,逃逸塔、助推器、一级火箭和整流罩等重要组成部分在发挥完各自作用后,都会在火箭飞行的不同阶段分离、掉落。

一般来说,这些残骸会分散成为多个部分,其中一部分会随着卫星升入遥远的太空之中,还有一部分会再入大气层烧毁坠落地面。这些残骸在落地之后呈现的状态也是各有不同的,降落的时间也有一定的差异。

火箭发射前,工程师们会根据火箭的弹道、发射场坐标、卫星理论轨道根数等参数,精确预测火箭残骸的可能落点。残骸会按照预定的轨迹回到地面,落在一个事先计算好的范围内。这个范围通常会选择在地广人稀的沙漠、山区或者海洋,以避免对人口稠密地区造成威胁。而且,火箭残骸在再入大气层的过程中,会与大气层发生剧烈摩擦,大部分器件会在这个过程中焚烧殆尽。所以,肯尼亚航天局声称的“孤立事件”也不能说全无道理。

事实上,从20世纪70年代起,每年约有200枚火箭和卫星坠落,其中大部分在大气层就燃为灰烬,每年只有数枚航天飞行器的零部件落到地面,但至今还没有发生过任何一起伤人的事件。

有科学家分析过,被火箭残骸砸中的概率应该远低于被陨石砸中、走在路上被雷劈中、小行星撞上地球的概率。根据网络相关数据估算,在流星雨爆发的时段,每小时约有1000~20000颗陨石落向地球,而普通人被200克以上的陨石砸中的概率是7亿分之一;作为对比,普通人一生中被雷劈的可能性是1.2万分之一。这样一比较,我们根本不需要为这样的事忧心忡忡。

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4500吨各种各样的太空垃圾就在我们的头顶摇摇欲坠

悬在头顶的太空垃圾

话虽如此,但毕竟宇宙中的一粒沙,落在个人的头顶都是难以承受的灭顶之灾。在2024年3月,就曾经出现过类似的情况。当时国际空间站废弃的电池组从太空掉下来,虽然经受高温灼烧,但还有一块金属圆柱体砸到了美国佛罗里达州那不勒斯市的一户居民房屋上,直接砸穿了两层楼。这是太空坠物离伤人性命最近的一次。

近年来,人类频频涉足太空,太空站的建设、航天飞船的停驻、火箭和相关的探测器,种种的航天设备在太空中进行活动和勘测,所产生的太空垃圾数量是极其庞大的,将近有4500吨。

除了火箭残骸之外,在近地轨道飘荡的卫星、探测器、飞船残骸之类的太空垃圾越来越多,虽然它们在外太空飞行,但是最终还是会坠落地球大气层,这是没法避免的事情。这是因为在近地轨道依旧存在稀薄的空气,这也就意味着这些航天器、太空垃圾在飞行过程中不可避免会面临空气阻力。在空气阻力及地球重力等多方面因素的影响下,这些航天器、太空垃圾的飞行速度会逐渐变慢,随着它们的飞行速度不断减慢,飞行轨道高度也会随之下降,最终会一头扎入大气层。

当这些太空垃圾、航天器坠落地球大气层时,会因为坠落时速度相当快,气动加热效应很强烈,温度急剧上升到1000℃以上。一般的材料难以承受这么高的温度,就会直接燃烧殆尽,而有一些耐高温的材料没法完全燃烧殆尽就会掉下来。

人类现在仍在不断发射航天器,在近地轨道的航天器、太空垃圾会越来越多,不过科学家们也开始意识到了这一系列的问题,所以已经采取各种措施来解决了。随着太空技术的不断进步,新的技术和方法也在不断涌现,如人工智能、先进传感器和材料科学,可以提高太空垃圾管理的效率和效果。

在南太平洋有一片被俗称“航天器墓地”的无人区水域,多年来这里已成为250多颗卫星的最后安息之地。然而,要精准击中“航天器墓地”这个靶心并不容易。在低地球轨道上,卫星相对于地面的速度为每秒7.8千米,约等于步枪子弹速度的8倍。在坠落撞击的那一刻,卫星碎片的速度可能会减慢到每秒270米,但此间卫星碎片可能会覆盖大范围的地面或海面。

为了缩短碎片轨迹并控制卫星的撞击区,就需要让碎片尽可能笔直并迅速地降落。这就需要故意扰乱卫星的轨道,使卫星在某一时刻的运行方向从环绕地球变为穿过地球。如果此时出现任何问题,比如系统故障或者撞上其他太空碎片,那么残骸可能会偏离轨道,而任何人对此都将无能为力。

最大的太空垃圾就要来了

在地球的近地轨道上,太空垃圾的问题日益严重,已成为威胁太空安全不可忽视的因素。据统计,目前轨道上已有密布上亿个太空碎片在运行,其中约3.6万个碎片的直径超过10厘米。这些高速飞行的“垃圾”如同太空中的定时炸弹。

据《新科学家》杂志报道,国际空间站将在2030年前后退役,回归地球。尽管几乎每天都有人造卫星再入大气层。但是,耗资1500亿美元的国际空间站是迄今为止人类建造的规模最大、结构最复杂的卫星,其质量相当于一架满载的巨型喷气式飞机。如何才能使这样一个重达420吨的庞然大物安全降落并销毁?这真是一个令全世界科学家都捏一把汗的问题。

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国际空间站5年后将作为最大的太空垃圾砸向地球

从理论上讲,国际空间站可以继续运行,比如被助推到更高的轨道,使其无需更多推进剂就能无限期地运行下去。但美国宇航局在2024年发布的一份白皮书指出,这个选择存在问题:一方面,到2030年前,空间站的大部分组件都将超出其最初的结构寿命,发生故障的风险也将越来越高;另一方面,在更高轨道高度上,空间站与太空垃圾发生碰撞的风险也更大——一次巨大的撞击可能会将国际空间站炸得粉碎,所释放出的大量碎片可能使任何近地轨道在几百年里对人造天体都不再“宜居”。

因此,国际空间站必须坠落。美国宇航局已委托SpaceX开发一艘专用脱轨航天器,负责将国际空间站推入地球大气层。2030年左右,航天器将与空间站对接,届时,短短几小时内,空间站的高度将下降到120千米。此时,快速增厚的大气层足以撕裂空间站的太阳能电池板。再下降20千米,核心模组将破裂,在足以熔化钛的高温下划过天空。随着模组一个接着一个解体,最终,没有烧光的残骸将像一阵滚烫的碎片雨划破遥远的太平洋洋面,最后坠入南太平洋偏远水域“尼莫点”——属于它的“墓地”。这也将是最理想的一种情况。