新維京時代的太空危機
藍天百家
作者：邢強
國際航空聯合會把地麵以上100千米的高度定為大氣層與太空的分界線，並將這條線命名為卡門線，以此來紀念美國噴氣推進實驗室（簡稱JPL）的創始人、錢學森先生的導師馮·卡門教授。從幾何意義上來說，卡門線無非是一層包裹著地球的球殼，但是對於處於太空探索時代的人類而言，其象征意義無異於維京時代那條將陸地與海洋分隔開來的海岸線。實際上，那些跨過卡門線進行太空探索的科學家和宇航員們在冒險程度和開拓精神上並不遜於維京時代的航海家。將現今的太空探索時代稱作新維京時代也未嚐不可。
維京海盜瘋狂的掠奪行徑使其身背野蠻人的烙印，但優秀的造船和航海技術以及大無畏的探險精神也為其贏得了榮譽。俄羅斯人就以這些北歐海盜的俄語叫法“瓦良格”命名過好幾艘軍艦。
如果你去問一個維京海盜船長，在航海過程中他最懼怕什麼。最可能的回答應該是：我不害怕戰爭與瘟疫，但卻恨極了不體麵的死法。比如撞上北冰洋的冰山隨船沉沒、被船上突發的大火所吞噬、墜入冰冷的海洋與千萬浮冰永遠做伴。捫心自問，在科技發達物質豐富的現代，我們仍然無法完全避免戰爭和疾病。在新維京時代，我們又能否徹底戰勝冰山、大火和墜海這些事故呢？
2013年最震撼人心的電影之一——《地心引力》將空間碎片撞擊、空間站大火以及孤零零墜入太空三種危險以3D電影的方式呈現在我們眼前，向我們展示了在新維京時代進行太空探索的危險以及人類的智慧和勇氣。
冰山，空間碎片的威脅
廣闊無垠的太空中自由漂浮似乎可以不用像維京人那樣擔心狂風暴雨和凶險的冰川暗礁了。很抱歉提醒前往太空的乘客：當船進入太空後，冰山暗礁也跟著進入了太空，那就是空間碎片。
在航天器的發射和運行過程中，由於破損、碰撞和爆炸等原因會產生大量空間碎片。這些碎片在軌道上高速運行，給航天器帶來了極大威脅。現在太空中有大約10萬個直徑大於1厘米的碎片，其中1.2萬塊直徑大於10厘米的碎片足夠且隨時會成為飛船或空間站的殺手。雖然這些碎片比起冰山從體量上來說顯得極微不足道，但繞地軌道賦予其的極高速度使得碎片擁有巨大的破壞力。
在300千米到500千米高的軌道上，空間碎片以接近8千米/秒的速度飛行，當碎片以一定的角度與航天器相撞時，相對速度能夠達到10千米/秒以上（1996年，一塊撞斷法國電子偵察衛星重力梯度穩定杆的碎片與該衛星的相對速度為14千米/秒）。一塊從運載火箭上剝落的直徑1厘米，厚度1毫米的漆片在碰撞瞬間能夠給航天器送上高達4 800焦耳的動能。該能量和一枚7.92毫米毛瑟步槍專用S.m.K.H. 穿甲彈的出膛動能相當。美國科學家凱斯勒在1978年提出了一種理論假設：“當在近地軌道運轉的物體的數量達到一定程度時，這些物體在碰撞後產生的碎片將形成更多的新撞擊，從而引發連鎖效應。這意味著近地軌道將被危險的空間碎片所覆蓋。由於失去了能夠安全運行的軌道，在之後的數百年內太空探索和人造衛星的運用將變得無法實施。”
按他的推斷，今後在近地軌道運行的空間站將陷入槍林彈雨之中。既然目前所在的軌道上有危險的空間碎片，那為什麼不把軌道高度降低到300千米以下或者升到500千米以上呢？
影響空間站軌道高度的因素有很多。比如用戶需求，用於對地觀測尤其是對地軍事偵察的空間站的軌道較低，以確保觀測圖像有較高的分辨率；而對於長期無人值守且沒有較強軌道機動能力的空間站來說，軌道越高則越有利於延長其使用壽命。另外，限於目前運載火箭的運輸能力，大型空間站的組件也隻能發射到低近地軌道的高度了。
決定軌道高度的另一個要素是補給。早期低近地軌道（低於500千米）空間站的補給品中，占最大份額的不是宇航員的飲水和食品，而是供空間站維持軌道所需的燃料。雖然在太空運行，但空間站軌道高度上仍然有稀薄大氣存在。這些大氣帶來的飛行阻力，隨時都在拉低空間站的高度。以蘇聯“禮炮”係列試驗型空間站為例，當空間站運行在200千米到300千米之間軌道上時，每天耗費15千克燃料以維持軌道高度，否則每過24小時，空間站的軌道就會降低3千米，不出半個月空間站就會栽入稠密大氣成為一顆綻放的禮花了。可是，每過兩個多月就得補充1噸燃料的空間站實在是個耗能大戶。因此後來的“禮炮”6號空間站的軌道提升到了349千米，“禮炮”7號更是升到了475千米，在這樣的高度下每天用不到0.5千克的燃料就足以維持空間站軌道高度。