卫星会不会砸中你的脑袋?

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“这些东西还不是最疯狂的,”我此时正在访问德国航天局位于科隆的风洞设施,科学家塞巴斯蒂安·威廉(Sebastian Willems)一边带我走过一个摆满了造型科幻的亮银色流线型航天飞机模型的玻璃箱,一边对我说。除此之外,复古风格控制室里的指针式仪表、开关和旋钮也不算是疯狂的东西。

我们通过一个大型防爆门,走进一个没有窗户的房间。房间的墙壁被熏成黑色,空气中弥漫着令人不安的硝烟气味。这是一个测试火箭发动机空气动力学特征的实验室。

但是这仍然不是真正疯狂的东西。

威廉真正的“疯狂”实验是:用该中心的风洞模拟卫星再入大气层的过程。

“轨道上有很多卫星,它们迟早都会掉到地球上来,”他说。“再进入地球过程中,卫星可能会解体。我们面临的问题是:坠落物造成损失的概率有多高?”

换句话说,坠落卫星的碎片是否会在经历“再入”的过程后留存下来,并且击中物体,甚至人?

威廉在实验里使用的风洞类似一个与高压锅连接起来的,被拆解后的巨大吸尘器,整个系统安置在混凝土地面上。闪闪发光的设备表面覆盖着错综复杂的管道和电缆。这台风洞能够生成11倍音速的气流,用来对超音速和极超音速飞机设计方案进行测试。

风洞的核心是一台两米高的球形金属实验舱,测试样本通过特殊夹具固定在实验舱里。威廉在自己的实验里没有使用这些夹具,而是让样本在速度达3000千米/小时(1860英里/小时)的高速气流中自由运动,从而模拟卫星碎片再入大气层的过程。

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Image caption 大多数卫星在“再入”大气层过程中会崩解成碎片

“我们让样本在气流中下落,”威廉说。“我们想研究样本在气流中坠落的自由落体过程中呈现的特性。”

我们只有0.2秒的实验时间,”他说,“但是在这短短的一瞬间我们能拍摄大量照片,并且采集海量测量数据。”实验数据输入计算机模型后,能够帮助人们预测卫星的坠落轨迹。

环绕地球轨道运行着多达50多万件太空垃圾。这些太空垃圾尺寸相差悬殊,小至极小的金属碎片,大至公共汽车大小的大型卫星,例如2012年4月突然和地面失去联系的欧洲航天局Envisat卫星。

“我们正在跟踪的太空垃圾数量不断攀升,”位于英格兰南部的南安普顿大学航天工程学讲师休·刘易斯(Hugh Lewis)说。

随着轨道上太空垃圾数量不断增加,太空垃圾击中其他卫星或载人飞船的可能性也随之增大。事实上,国际空间站就必须定期移动至新轨道以防止遭遇此类撞击。

“从太空时代刚刚揭幕时起,就不断有航天器坠入大气层,”刘易斯说。“一般来说,每隔3-4天就会有一个大型物体坠入地球大气层——在未来很长时间里,这都是一个持续困扰我们的问题。”

尽管卫星会在再入大气层的猛烈过程中四分五裂,但是很多大型碎片会存留下来。“比如,卫星燃料箱,”刘易斯说。“菱形燃料箱的尺寸大概和小型轿车差不多。”

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Image caption 多数卫星在受控情况下坠落,从而让碎片落入远离人群的海洋

德国航天局的风洞不可能给威廉测试小汽车大小物体的机会,但却足以据此分析大型物体的崩解规律,从而了解哪些碎片会最终在再入后存留并坠落在地球表面。

“不同碎片周围的气流会相互影响,”他说,“和分别单独再入相比,它们的存留规律存在差异。”

既然这些太空垃圾每天都在从太空中坠向地面,那么它们为什么没有遍布我们的花园,砸穿屋顶,甚至直接砸中我们的脑袋?

多数情况下,航天任务控制专家会对失效卫星返回地球的过程进行规划——专家会使用剩余燃料将卫星推入受控轨道,从而使其在坠入偏远海洋的过程中燃烧殆尽。与之相比,非受控坠落过程则具有一定的危险性。

最近的一次非受控坠落是2011年美国航天局的“上层大气研究卫星”(UARS)。尽管地球表面70%的面积为海洋,并且绝大多数陆地地区的人口也非常稀少,但是刘易斯说,UARS卫星坠落后会导致地面人员伤亡的概率仍然有2,500分之一。

“如果卫星坠落伤人概率达到1万分之一,我们就要对此提高警惕,”他说。“这个概率并不是你被砸中的概率——这个概率极低——而是有任何人遭到伤害的概率。”

考虑到每年道路交通事故死亡人数高达100万人,被退役卫星的碎片砸中的概率是微乎其微的。然而,各国发射航天器受到联合国公约的限制,必须在法律和经济方面承担责任。各国航天部门都致力于把太空垃圾坠落造成损害的风险降至最低。德国航天局进行的实验将帮助科学家更深入地了解太空垃圾的性质并增强跟踪能力,即便对于非受控坠落,也能实现更精确的监控。

随着航天发射费用不断降低,卫星尺寸不断缩小,在未来数十年内,将会有越来越多的航天器进入太空。“我们通过利用太空获得了更多利益,但太空垃圾问题却日趋严重,”刘易斯说。“更多的卫星意味着更多的坠落事件。”

所以,尽管你被坠落卫星砸中的概率微乎其微,但是每年从太空掉向地面的太空垃圾数量却在不断增长。任何东西发射进入轨道最终都会叶落归根。

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