衛星會不會砸中你的腦袋?

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「這些東西還不是最瘋狂的,」我此時正在訪問德國航天局位於科隆的風洞設施,科學家塞巴斯蒂安·威廉(Sebastian Willems)一邊帶我走過一個擺滿了造型科幻的亮銀色流線型航天飛機模型的玻璃箱,一邊對我說。除此之外,復古風格控制室裏的指針式儀表、開關和旋鈕也不算是瘋狂的東西。

我們通過一個大型防爆門,走進一個沒有窗戶的房間。房間的牆壁被熏成黑色,空氣中彌漫著令人不安的硝煙氣味。這是一個測試火箭發動機空氣動力學特徵的實驗室。

但是這仍然不是真正瘋狂的東西。

威廉真正的「瘋狂」實驗是:用該中心的風洞模擬衛星再入大氣層的過程。

「軌道上有很多衛星,它們遲早都會掉到地球上來,」他說。「再進入地球過程中,衛星可能會解體。我們面臨的問題是:墜落物造成損失的概率有多高?」

換句話說,墜落衛星的碎片是否會在經歷「再入」的過程後留存下來,並且擊中物體,甚至人?

威廉在實驗裏使用的風洞類似一個與高壓鍋連接起來的,被拆解後的巨大吸塵器,整個系統安置在混凝土地面上。閃閃發光的設備表面覆蓋著錯綜複雜的管道和電纜。這颱風洞能夠生成11倍音速的氣流,用來對超音速和極超音速飛機設計方案進行測試。

風洞的核心是一台兩米高的球形金屬實驗艙,測試樣本通過特殊夾具固定在實驗艙裏。威廉在自己的實驗裏沒有使用這些夾具,而是讓樣本在速度達3000千米/小時(1860英里/小時)的高速氣流中自由運動,從而模擬衛星碎片再入大氣層的過程。

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Image caption 大多數衛星在「再入」大氣層過程中會崩解成碎片

「我們讓樣本在氣流中下落,」威廉說。「我們想研究樣本在氣流中墜落的自由落體過程中呈現的特性。」

我們只有0.2秒的實驗時間,」他說,「但是在這短短的一瞬間我們能拍攝大量照片,並且採集海量測量數據。」實驗數據輸入計算機模型後,能夠幫助人們預測衛星的墜落軌跡。

環繞地球軌道運行著多達50多萬件太空垃圾。這些太空垃圾尺寸相差懸殊,小至極小的金屬碎片,大至公共汽車大小的大型衛星,例如2012年4月突然和地面失去聯繫的歐洲航天局Envisat衛星。

「我們正在跟蹤的太空垃圾數量不斷攀升,」位於英格蘭南部的南安普頓大學航天工程學講師休·劉易斯(Hugh Lewis)說。

隨著軌道上太空垃圾數量不斷增加,太空垃圾擊中其他衛星或載人飛船的可能性也隨之增大。事實上,國際空間站就必須定期移動至新軌道以防止遭遇此類撞擊。

「從太空時代剛剛揭幕時起,就不斷有航天器墜入大氣層,」劉易斯說。「一般來說,每隔3-4天就會有一個大型物體墜入地球大氣層——在未來很長時間裏,這都是一個持續困擾我們的問題。」

儘管衛星會在再入大氣層的猛烈過程中四分五裂,但是很多大型碎片會存留下來。「比如,衛星燃料箱,」劉易斯說。「菱形燃料箱的尺寸大概和小型轎車差不多。」

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Image caption 多數衛星在受控情況下墜落,從而讓碎片落入遠離人群的海洋

德國航天局的風洞不可能給威廉測試小汽車大小物體的機會,但卻足以據此分析大型物體的崩解規律,從而了解哪些碎片會最終在再入後存留並墜落在地球表面。

「不同碎片周圍的氣流會相互影響,」他說,「和分別單獨再入相比,它們的存留規律存在差異。」

既然這些太空垃圾每天都在從太空中墜向地面,那麼它們為什麼沒有遍布我們的花園,砸穿屋頂,甚至直接砸中我們的腦袋?

多數情況下,航天任務控制專家會對失效衛星返回地球的過程進行規劃——專家會使用剩餘燃料將衛星推入受控軌道,從而使其在墜入偏遠海洋的過程中燃燒殆盡。與之相比,非受控墜落過程則具有一定的危險性。

最近的一次非受控墜落是2011年美國航天局的「上層大氣研究衛星」(UARS)。儘管地球表面70%的面積為海洋,並且絕大多數陸地地區的人口也非常稀少,但是劉易斯說,UARS衛星墜落後會導致地面人員傷亡的概率仍然有2,500分之一。

「如果衛星墜落傷人概率達到1萬分之一,我們就要對此提高警惕,」他說。「這個概率並不是你被砸中的概率——這個概率極低——而是有任何人遭到傷害的概率。」

考慮到每年道路交通事故死亡人數高達100萬人,被退役衛星的碎片砸中的概率是微乎其微的。然而,各國發射航天器受到聯合國公約的限制,必須在法律和經濟方面承擔責任。各國航天部門都致力於把太空垃圾墜落造成損害的風險降至最低。德國航天局進行的實驗將幫助科學家更深入地了解太空垃圾的性質並增強跟蹤能力,即便對於非受控墜落,也能實現更精確的監控。

隨著航天發射費用不斷降低,衛星尺寸不斷縮小,在未來數十年內,將會有越來越多的航天器進入太空。「我們通過利用太空獲得了更多利益,但太空垃圾問題卻日趨嚴重,」劉易斯說。「更多的衛星意味著更多的墜落事件。」

所以,儘管你被墜落衛星砸中的概率微乎其微,但是每年從太空掉向地面的太空垃圾數量卻在不斷增長。任何東西發射進入軌道最終都會葉落歸根。

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