在新墨西哥沙漠的一个仓库里，一块坚实的铝块在闪烁的荧光灯下闪闪发光。这块铝块的尺寸和形状大致与纽约市的电话簿相似，即使使用大功率步枪整天射击，射手也只能得到酸痛的扳机指，而没有任何成果。然而，这块铝块却被侵犯了。一颗比核桃还小的塑料弹丸，在其中心砸出了一个参差不齐的五英寸孔。这是一个令人警醒的景象，也是美国宇航局轨道碎片计划的一个实物教学：这颗弹丸在靠近拉斯克鲁塞斯的白沙测试场，由一门强大的火炮加速到每小时15000英里，展示了一块轨道太空垃圾对航天器造成的破坏力。“在太空中，相对速度可能超过每小时30000英里，”超高速撞击测试设施的项目负责人唐·亨德森说。相比之下，大功率步枪子弹的速度约为每小时1500英里。“致死是绝对可能的，”测试设施经理贾斯汀·克尔说。“这就是我们努力阻止的。”这是一项艰巨的任务。而这都是我们自找的。自1957年前苏联发射“Sputnik 1”以来，太空国家已经用各种东西填充了近地和远地轨道：几年后报废的卫星、爆炸的火箭级、螺母螺栓、垃圾袋，甚至宇航员排泄的人类排泄物。1999年的一项研究估计，仅低地球轨道（800英里以下）就有1800公吨的碎片在旋转。
平均每天，一个垒球大小或更大的物体会坠回地球大气层，但对地面居民的危害很小。大部分碎片会因大气摩擦而烧毁；剩下的碎片大多落入海洋或澳大利亚内陆等荒凉地区（1979年，美国空间站“天空实验室”的碎片就曾著名地坠落在那里，散落的碎片从不到一盎司到超过一吨不等）。“40年来，我们没有记录到地面人员受伤的事件，”美国宇航局首席轨道碎片科学家尼古拉斯·约翰逊说，但他承认这样的事件可能会发生。今年1月，一个150磅的钛制发动机壳体撞击了沙特阿拉伯沙漠。“显然，”约翰逊说，“如果你当时站在下面，你会倒霉的。”尽管如此，真正的危险还在太空中。虽然低轨道碎片往往会在几个月或几年内坠落并烧毁，“但一旦你超过1000公里，寿命就在一千年或更长，”约翰逊说。由于送入太空的许多物体在太空中停留时间如此之长，而且不断有新物体加入，低地球轨道（航天飞机和空间站飞行的地方）的碎片密度在1960年至2000年间翻了一番。如果碎片都以相同的方向和速度聚集在一起，危险将是最小的。但世界各国的太空计划使用了所有可以想象的轨道——顺行、逆行、极地、椭圆以及它们的变体——而且碎片的速度会随着它靠近地球及其引力而增加。结果：一个太空垃圾的计算机模型就像一群蜜蜂，物体以各种速度、高度、倾角和偏心率呼啸而过。1996年7月，法国军用卫星CERISE与法国10年前发射的Ariane 1火箭上一个公文包大小的碎片相撞。（“它们都是法国的纯属巧合，”约翰逊说。）这次撞击以惊人的每小时31000英里的速度发生，气化了CERISE 20英尺长稳定臂的中心部分，导致卫星在极地轨道上疯狂翻滚。如果这颗卫星是载人航天器，结果可能是灾难性的。但海拔控制软件让地面工程师重新调整了CERISE的方向，并继续执行任务。被剪断的臂加入了不断增长的太空垃圾群，并且像所有其他大型碎片一样，被美国宇航局正式分配了一个目录号：21995-033E。太空碎片是美国宇航局科学家们目前关注的焦点，因为该机构正在组装迄今为止最大的目标：500吨的国际空间站，计划于2006年完工。空间站旨在进行研究——其六个实验室将研究低重力生物学、地球生态学和材料科学——它将漂浮在地球上方250英里处，这是一个被宇宙垃圾纵横交错的区域。“在10年内，”约翰逊说，“发生关键部件损失并可能导致生命损失或受伤的几率为二十分之一。”为了降低风险，美国宇航局将采用一个简单的策略：躲避大型物体，防护小型物体，并尽可能少地增加新垃圾。当发生碰撞时，乘员将用高冲击塑料盘修补较小的孔洞和裂缝，用拨动螺栓和粘合剂从航天器外部粘上。宇航员将通过密封舱门来处理较大的孔洞，就像潜艇漏水时乘员所做的那样。同时，在地球上，美国宇航局将加班加点地引导空间站避开危险。空间监视网络总部设在科罗拉多斯普林斯附近，位于夏延山花岗岩内部约一英里处。在这里，在一个30乘30英尺的简陋房间里，六名技术人员每天监测来自世界各地约8万次雷达和光学观测。美国宇航局还跟踪约9000个直径大于四英寸的轨道物体——其中约600个是工作卫星，其余是垃圾——并使用雷达探测另外10万个直径在一到四英寸之间的物体。“正如你可能猜到的，将所有这些组装起来是一项艰巨的任务，”约翰逊说。到目前为止，Ariane 1碰撞是唯一一次如此规模的碰撞。但每个送入轨道的航天器都会反复遭到撞击，最常见的是不大于沙粒的碎片或微流星体。当美国宇航员大卫·沃尔夫1997年在和平号空间站上时，空间站一度失去动力，他可以听到微流星体像冰雹一样刮擦着外壁。每次任务，碎片平均会在航天飞机窗户上造成32个微小凹坑；美国宇航局不得不更换约120扇航天飞机窗户，因为损坏。通过用电子显微镜分析粘附在窗户上的材料，研究人员发现，碰撞中涉及的碎片中有35%是铝，17%是油漆，11%是钢，4%是铜。微流星体约占碰撞的33%，但它们的密度不到铝的一半，因此相对无害。
来自空间监视网络计算机的数据传送到世界各地的空间机构，每个机构都有自己的防撞计划。克尔说，美国的计划是“超保守的”。如果航天飞机与大型物体碰撞的几率为十万分之一，美国宇航局就会移动航天飞机——在该计划20年的飞行中已经这样做了六次。最难评估的碎片是直径在1到4英寸之间的——大到足以危险，但太小而无法跟踪和避免。因此，夏延山的技术人员别无选择，只能计算几率并掷骰子。“这纯粹是风险管理，”约翰逊说。例如，为了防止航天飞机成为一个太大的目标，克尔的团队会催促任务控制人员将火箭飞机机尾朝向碎片。“有时他们不喜欢这样做，因为它会使任务复杂化，”他说。“但在73号任务中，我们让他们以不同的姿态飞行，并告诉他们关闭有效载荷舱门。碎片击中了那扇关闭的舱门。”克尔说，如果他们没有按建议飞行，碎片可能会刺穿一个压缩气罐，从而终止任务。白沙测试场是美国宇航局关注小事的地方。绝大多数太空碎片直径小于一英寸，因此太小而无法被雷达跟踪。由于这种碎片数以百万计，唯一可能的防御措施是屏蔽。但这提出了一个经典的工程困境：屏蔽太少，宇航员可能会丧生，但每增加一磅发射到航天飞机轨道的额外重量，成本就高达10000美元。多少才刚刚好？为了找出答案，美国宇航局运行着世界上最强大的射击场。在272号建筑中，一个波纹钢棚，两侧是奥根山脉和多尼亚安娜山脉，四门巨大的火炮，称为两级轻气发射器，以接近太空垃圾的炽热速度发射小型铝球。这是一项耐心、细致、重要的工作，但也激发了男性普遍存在的射击和爆炸的冲动。“这是一项非常棒的工作，”亨德森咧嘴大笑着说。一英寸口径的火炮上有一个牌子写着“老蓝”。它后面另一个牌子写着“说出来，做出来，射出来。”一个展示柜展示了太空中微小物体可能造成的破坏：凯夫拉包裹的氧气瓶被撕成两半，钢缆被撕成两半，以及其他类似被侵犯的航天器设备。大部分损坏是由比豌豆还小的铝球造成的。今天，“老蓝”将向一个俄罗斯制造的对接舱段的船体样本开火——这是国际空间站上“联盟号”飞船将连接的部分。“俄罗斯人长期以来一直使用这种屏蔽，除非他们确信有必要，否则他们不想改变它，”克尔说。他小心翼翼地拿着一平方英尺的截面。它由一层玻璃纤维绝缘层、一张铝板、一个一英寸的空气间隙、另一张铝板、另一个空气间隙，以及最后内层由玻璃纤维和铝制成的承压壁组成。克尔认为该截面需要在空隙中填充一些合成纤维填充物，这将有助于吸收更多的动能。
技术人员将部件用螺栓固定在枪的靶罐中，然后抽空罐中的空气以模拟太空真空。这支枪——一根40码长的钢管，末端与靶罐相连——结构简单但设计巧妙。近四磅的爆炸火药驱动聚乙烯活塞沿着压缩室向下运动，将内部的氢气压缩到每平方英寸超过10万磅。巨大的压力将一个由塑料外壳包裹的铝球发射出去。然后，一个锥形钢剥离器将外壳从球上剥离，球呼啸着进入靶罐并击中目标。当球击中时，一台以每秒1亿帧速度运转的数码相机捕捉到撞击的纳秒瞬间。靶罐会释放X射线，设备理论上可能会破裂并将弹片飞溅到房间各处，因此克尔和技术人员在混凝土衬里的地下掩体中等待。在那里，火药爆炸的声音几乎听不到，只是一声闷响。今天的测试结果喜人。一个以每小时15000英里速度发射的11/64英寸铝球——大约玉米粒大小——穿透了模块的外层和中层，但未能穿透压力壁。“这很好——保持压力壁的完整性才是最重要的，”克尔说，他盯着凹陷的铝板。但他仍将继续争取增加填充物：这是一种相对便宜且轻量化的增加抵抗力的方法，而且在其他速度和角度下的测试已使他相信至少应该添加一些填充物。对于不经意的观察者来说，这种看似脆弱的三层铝和织物墙能够以如此高速阻止一个球体，这似乎很奇怪，但克尔说，巧妙的工程创造了一种物理柔术——粒子巨大的速度被用来对付它。“粒子耗尽其能量，在穿过外层时基本上蒸发并扩散，”他说。“所以它像雾一样撞击压力壁。”蒸发的趋势意味着“有时弹丸速度越快，压力壁支撑得越好。”这类测试导致航天器设计发生变化。航天飞机充氨散热器面板的穿孔风险（这些面板用于排出设备和乘员舱的余热）曾经是每62次任务一次——考虑到单次穿孔就能终止任务，这个几率很低。仅仅增加一层1/50英寸厚的铝条，就能将穿孔几率提高到千分之一。“我们绝对可以接受这个，”克尔说。规避、屏蔽和计算风险帮助美国宇航局迄今为止避免了严重的太空垃圾灾难。但如果我们继续用垃圾填满天空，任何事情都无法解决这个问题。最坏的情况是“级联效应”，即碎片变得如此之多，以至于它们相互碰撞，分解成无数碎片，使轨道空间变得像狙击场一样危险——且不适合居住。但这只有在太空国家无所作为的情况下才会发生。在美国宇航局的推动下，它们实际上正在做大量工作。现在有100多名科学家和工程师全职或兼职从事轨道碎片问题，美国宇航局工程师相信灾难可以无限期地推迟。“我听到有人持有天要塌下来的观点，他们说风险变得不可接受，”克尔站在“老蓝”旁边说。“坦率地说，我们是在轨道上操作航天器的人。我们没有把头埋在沙子里。我们正在管理这个问题。”一些人会补充说，美国宇航局牵头是合适的：美国和前苏联是迄今为止最大的太空污染者。截至2001年4月，跟踪到的8831个大型物体中，44%是美国的，44%是苏联的，其中大部分是爆炸火箭的碎片。一些科学家提出用地球上的激光束消灭碎片，用伞状捕获器清除污染最严重的轨道，甚至发射一个半英里宽的“Nerf球”来吸收碎片。但克尔说，任何清洁设备都无法做出好的经济论证。到目前为止，唯一可行的解决方案是减缓太空垃圾的产生速度。美国宇航局认为，最好的办法是首先防止旧火箭爆炸。当火箭与地球引力抗争时，它必须抛弃级数以减轻质量，使其能够爬得更高。只要这些碎片保持完整，它们就不会造成太大问题：它们巨大，易于追踪，易于规避。但美国宇航局在20世纪70年代末发现，用过的级有爆炸的倾向。当它们在太空中漂浮时，太阳辐射会使燃料箱中的氧化剂沸腾。如果（经常发生）燃料箱的溢流阀失灵，或者氧化剂和燃料之间的壁破裂，由此产生的爆炸可能会使整个级解体。美国宇航局工程师很快学会了调整推进剂系统，使它们燃烧或排出，直到排空。但俄罗斯人在解决这个问题上比较慢。1992年，约翰逊不得不亲自前往俄罗斯，说服科学家们效仿美国宇航局的做法。“自1996年以来他们发射的所有东西，都没有问题了，”他说。世界其他航天机构也热情地采用了美国的协议，更严格的联合国指导方针将于2004年投票通过。但太空正在迅速私有化。自1999年以来，波音公司与几家国际航空航天公司完全商业合作的“海上发射”已从其浮动赤道平台成功发射了六次任务，更多私人太空计划正在进行中。然而，约翰逊说，到目前为止，主要航空航天公司已同意遵循美国宇航局的标准。“他们认识到，维护轨道空间的安全符合每个人的最佳利益。”在白沙，天色渐晚。染红的沙漠阳光透过超高速测试中心的敞开大门，并透过铝板上的大孔发光。看着这件偶然的现代艺术品，很难不想到人类肉体的相对脆弱，想到A任务中一管废弃的花生酱如何能在R任务中穿透宇航员。克尔也想到了这一点，但他坚称自己并不担心。“太空中总会有危险，轨道碎片只是其中一部分，”他说。“从现在开始，至少在未来15年内，太空中总会有人类。我们不会达到他们像普通人走在街上一样安全的程度，但他们可以像试飞员一样安全。我们正在为他们制造一个盾牌。我个人愿意站在那个盾牌后面。” 为飞船加固防护 为飞船加固防护以抵御太空碎片，从字面上看，就是火箭科学——一项艰巨的工程任务，有各种可能的解决方案。
惠普尔防护罩（Whipple shield），由天文学家弗雷德·惠普尔发明，于20世纪40年代推出并沿用至今。它由一个0.08英寸厚的牺牲性缓冲层（通常由铝制成）和其后方四到八英寸的压力壁组成。穿透缓冲层的碎片会碎裂成细小的雾状，分散如此多的动能，以至于它们相对无害地喷洒在内部压力壁上。一种“填充式”惠普尔防护罩还在缓冲层和壁之间的空间中添加了凯夫拉层，这是一种用于防弹衣的合成材料。火星舱防护罩是一种为未来载人火星之旅开发的原型，它由迈拉尔、Nextel（一种编织陶瓷织物）、凯夫拉和泡沫层组成。泡沫设计成可压缩的，因为整个火星“Transhab”飞船必须适应航天飞机的货舱。最关键的区域由多重冲击防护罩保护：Nextel的分层以不同的距离彼此错开。这些层反复减缓和粉碎进入的碎片，使其无害地喷洒在压力壁上——如果它们能到达壁的话。——B.L. 《轨道碎片季刊》（Orbital Debris Quarterly News），一份美国宇航局的在线通讯，包含与太空碎片相关的最新研究信息，包括有关太空中垃圾数量的最新统计数据：www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/newsletter/ news_index.html。有关白沙测试设施的更多信息，请访问www.wstf.nasa.gov。美国宇航局的超高速撞击技术设施网站解决了轨道碎片问题：hitf.jsc.nasa.gov/ hitfpub/main/index.html。国家研究委员会空间碎片委员会的《轨道碎片：技术评估》可在国家科学院出版社网站获取：www.nap.edu/catalog/4765.html。
