太空 垃圾

共同努力保护地球免受轨道碎片的影响

《观察》员工

中国于 2007 年对其反卫星能力进行了测试，故意用地面发射的中程导弹摧毁了一颗已停止运作的气象卫星。这次试验产生了 3300 多块直径超过 10 厘米的碎片。欧洲空间局（ESA）认为，与其中任何一块碎片发生碰撞都将对环绕地球的普通卫星——甚至是会对国际空间站造成灾难性影响。

这次导弹试验还产生了 20 多万颗小至1厘米的碎片颗粒，但其大小已足以使航天器失灵或穿透国际空间站的屏蔽罩。即使是与小于 1 毫米的颗粒（如油漆）碰撞，也可能造成卫星子系统被毁坏，因为即便这些颗粒也是在轨道上以每小时 24700 多公里的速度飞行。

1979 年在得克萨斯州休斯敦约翰逊航天中心设立的美国国家航空和航天局（NASA）轨道碎片项目首席科学家尼古拉斯·约翰逊（Nicholas Johnson）解释道， “其中任何碎片都有可能严重破坏或终止在距离地面约 400至 2000 公里的低地球轨道上运行的航天器的任务。他在2007 年的这次试验过后对 space.com表示：

“这颗卫星被击毁造成了 50 年来最多、最严重的碎片污染。”

两年后，一颗重达 950 公斤的废弃俄罗斯卫星“宇宙-2251 号”与一颗正在运行的美国铱星商业卫星相撞并摧毁了这颗卫星，又制造了 2000 块大颗粒和超过 10 万块小颗粒。这两起事件叠加在一起使低地球轨道上的碎片数量增加了 60%，新增的颗粒有三分之一以上将在轨道上再滞留 20 年。

过去十年间，轨道碎片对卫星的潜在威胁一直在增加。欧洲空间局估计，地球轨道上有多达 3.4 万件直径超过 10 厘米的太空垃圾，90 万件直径在 1 至 10 厘米之间的物体以及 1.28 亿件尺寸在1毫米至1厘米之间的物体，总重量超过 8400 公吨，这比埃菲尔铁塔金属结构的重量还要大。这些数字包括 2900 多颗不再运行但仍在轨道的卫星。

为减轻这一威胁，由美国战略司令部 （USSTRATCOM）领导的美国空间监视网（SSN）依靠一个全球伙伴网络来识别、跟踪和分享有关太空物体的信息。美国空军第 18 太空控制中队（该中队负责为美国空间监视网追踪太空颗粒）的空间队长戴安娜·麦基索克（Diana McKissock）表示，美国空间监视网利用一系列国际运营的卫星、传感器、光学望远镜、雷达系统和超级计算机，积极跟踪轨道上超过 2.5 万个大约有垒球大小或更大尺寸的人造物体，然后向全世界的运营方发出碰撞警告。

例如，麦基索克向《观察》杂志表示，2018 年美国空军记录了 942,143 起与活跃卫星的潜在碰撞和 6,469 起潜在紧急情况。运营方根据这一信息每周大概两次重新调整卫星位置。近期最重要的空间危害是 2018 年 4 月 2日中国已停止运转的“天宫-1 号”空间站失控地坠向地球，它在被烈火吞噬之前可能会威胁到地面人群。幸运的是，这些碎片落入夏威夷以南约 4000 公里的太平洋。

拥挤的轨道

管理空间飞行任务产生的人为碎片难度越来越大，特别是如今各国愈发充满抱负，空间变得更容易进入、更拥挤。据设在美国的非营利科学协会“忧思科学联盟”（Union for Concerned Scientists）称，目前有 60 个政府运行着 2060多颗活跃卫星，12 个国家和一个理事机构拥有发射能力。专家们预测，今后十年在轨卫星的数量可能增加至三倍以上，因为现在每年平均发射 300 颗质量超过 50 公斤的卫星，并且预计发射速度将加快。根据航空航天公司（Aerospace Corp）发表的 2018 年政策文件，二十年内环绕地球的卫星数量可能增加 10 至 16,000倍，碰撞警报数量也将随之增加。

天基系统为军事和商业部门拥有这些能力的国家带来技术、战术和经济优势。卫星提升了导航、精确定位、无人驾驶飞机操作、通信和战场内外的实时态势感知。SpaceX 和 OneWeb 等一些商业公司计划发射成千上万颗小型卫星。
专家表示，全世界对卫星的依赖日益增加，这更加突出了促进合作和建立伙伴关系的必要性。2018 年 4 月，美国战略司令部计划和政策主任、美国空军少将（Nina M. Armagno）表示：“随着世界各地发射的卫星越来越多，受益于使用这些系统的人越来越多，共同努力确保太空的安全、保障和可持续性符合所有人的利益。“太空领域这种全球性资源最适合集体保护和管理。”

国际合作

各国已在共同努力提高监测能力及控制太空垃圾的技术。为确保在太空的安全运行，美国战略司令部与 89 个实体（包括 14 个国家和两个政府间机构）签署了空间态势感知协定，以分享数据。其中包括澳大利亚、比利时、加拿大、丹麦、法国、德国、以色列、意大利、日本、挪威、韩国、西班牙、阿联酋和英国，以及欧洲空间局和欧洲气象卫星应用组织。自 1957 年苏联发射“人造卫星一号”以来，美国战略司令部一直在监测空间垃圾，他们还与超过 65 家商业卫星公司共享信息，并正在努力扩大该网络。

“世上任何人都可以请求我们提供数据，”麦基索克向《观察》表示。

美国战略司令部的空间态势感知协定共享项目在卫星的整个使用寿命期间提供碰撞警告信息。联合太空运行中心可向外国运营方和商业运营商提供发射前信息，防止太空物体与运载火箭和有效载荷在进入早期轨道时发生碰撞。该项目还进行卫星重返评估，并可帮助跟踪小行星威胁，2013 年 2 月宽 45 米的小行星 2012 DA14 从地球与对地静止卫星之间经过时便是如此。

美国空间监视网包括一颗轨道在地球上空 628 公里的空间监视卫星，由澳大利亚、加拿大、挪威和英国运行的传感器以及由美国国防高等研究计划署开发的空间监视望远镜（SST）。空间监视望远镜可探测到高达 35,400 公里的地球同步轨道上的微弱物体，目前正从新墨西哥州转移到澳大利亚，以加强南半球的发射探测和跟踪。此外，美国升级了一个 C 波段雷达，最近将其从加勒比的安提瓜航空站转移到西澳大利亚埃克斯茅斯的海军通信站 Harold E. Holt。预计该雷达将于 2019 年投入运行。

美国空间监视网还包括空间围栏系统雷达，这是一个第二代空间监控系统，旨在跟踪低地球轨道上的人造卫星和太空碎片。该系统目前已接近完成。最初的大型 S 波段雷达和设施正在马绍尔群岛的瓜加林环礁建造，预计也将于 2019 年投入使用。另外，还可以在西澳大利亚建造另一个雷达站点。增强后的能力将能够更快地警告可能出现的空间碎片碰撞，并能追踪和编目更多的物体——也许多达 20 万个物体，包括直径小至 4 厘米的物体。

1993 年，国际空间社区还成立了机构间空间碎片协调委员会（IADC），充当全球范围内协调与人为和自然太空碎片问题相关活动的国际政府论坛。空间碎片协委会成员包括来自 13 个空间机构的空间碎片专家和其他专家，其中包括加拿大太空局、中国国家航天局、欧洲空间局、印度航天局、日本宇宙航空研究开发机构、韩国航空航天研究所和美国航天局。美国战略司令部还支持空间碎片协委会的工作，并支持联合国外层空间事务厅及其和平利用外层空间委员会为处理太空碎片而开展的工作。

各国正在加大对空间垃圾管理的贡献。例如，到 2019 年日本将在自卫队内部增设一个空间监测司。据《日本时报》 报道，“该部队最初的任务是监测漂浮在地球轨道上的危险碎片，并保护卫星免遭与太空碎片碰撞”。该报指出，日本将与美国军方分享这个新部门所获得的信息，以加强空间合作。

《观察》杂志为美国北方司令部旗下刊物。

管理威胁
各国正在携手制定从轨道上清除太空碎片的方法，并对国际空间站（ISS）的许多系统进行了测试。萨里大学萨里航天中心主任威廉·尼列蒂
（Guglielmo Aglietti）率领的研究团队一直在开发各种方法，力求将太空垃圾栓住、叉住或网住，并将这些垃圾带到高出地表约 200 公里的地方，使之重新进入地球大气层并烧毁。日本实验模块的机器人臂于 2018 年 6 月从国际空间站部署了携带这些实验前波的 RemoveDebris 卫星，开始进行一系列测试。
空中客车空间系统负责人尼古拉斯·查穆西（Nicolas Charmussy）表示：“我们多年来一直在开发创新型主动清
除碎片系统，以率先解决这一日益严重的太空碎片问题。”
空中客车空间系统开发了 RemoveDebris 卫星上的三项关键技术。“我们将继续与世界各地的团队密切合作，提供我们的专业知识，帮助解决这一问题。”
来自各航天国家的太空科学家也在努力研制能够使各种规模的太空垃圾气化的大功率激光器。2015 年，日本研究人员首次提议将小型激光聚焦成光束，并将其安装在日本的国际空间站模块或安装在卫星上以瞄准碎片。中国西安，中国人民解放军空军工程大学的研究人员建议使用安装在卫星上的激光去摧毁轨道碎片，包括宽度不到 10 厘米的碎片。他们在光学和电子光学国际期刊《Optik》2018 年 2 月的一篇文章中发表了他们的方法。
另据 Live Science 网站 2018 年 6 月报道，俄罗斯航天局下属的研发分支机构精密仪器系统（Precision Instrument Systems）计划建造一台3米光学望远镜，该望远镜能够跟踪轨道上的太空垃圾，然后将其炸毁。

降低未来的风险

未来，随着太空日益拥挤，太空垃圾可能会因为凯斯勒效应而变得更加危险。这个 1978 年提出的概念认为，随着太空物体的密度增加，它们之间发生碰撞的可能性也会随之增加。拥挤的轨道产生凯斯勒效应，一次碰撞会导致另一次碰撞，造成太空垃圾碰撞的灾难性连锁反应，从而可能使近地轨道区域完全无法开展卫星通信。

但大多数太空科学家认为，即便真的会发生这种情况，也不会是在几十年内。在美国空军高级太空行动学校（U.S. Air Force’s Advanced Space Operations School）任教的轨道力学工程师杰西·戈斯纳（Jesse Gossner）向《商业内幕》网站表示：“我不是说情况肯定不会那么糟糕，也不是说不需要保持警惕并设法处理问题。但我并不认为它很快就会成为一个失控的问题。”

戈斯纳和许多其他专家认为，寻找、跟踪碎片并提醒各方注意潜在碰撞仍然是管理碎片的最有效方法。“这只是观测的问题，我们可以通过活跃卫星进行控制，避免碰撞，”戈斯纳表示，“这不仅对卫星来说是一个非常重要的问题，而且对它所造成的碎片来说也是一个非常重要的问题。”目前，一些太空科学家认为，最小的颗粒——那些无法追踪的颗粒，可能会造成最严重的伤害。

随着太空抱负和对太空依赖的增加，各种太空碎片无疑将成为国际社会面临的持续挑战。2016年1月，新美国安全中心（Center for a New American Security）的一位资深研究员埃尔布里奇·科尔比（Elbridge Colby）向《华盛顿邮报》表示：“太空将成为一个脆弱的领域，因此我们必须考虑如何减轻这一风险，并减少这些威胁。”科尔比现担任美国国防部负责战略和部队发展的助理国防部长。

美国总统特朗普于 2018 年 6 月宣布成立的新美国太空部队将迎接这些挑战。特朗普还推动将部分空间态势感知（SSA）责任移交给美国商务部。无论新太空司令部的结构如何，出于国家安全原因，国防部内部的空间态势感知任务将继续维持，现任美国战略司令部司令约翰·海登（John Hyten）将军于 2018 年 6 月 22 日向美国众议院军事委员会提出建议。“这不会改变……因为我们必须掌握这些信息，才能保护自己免受潜在的威胁。”

不这样做的代价可能非常大。南安普敦大学航天研究负责人休·刘易斯（Hugh Lewis）博士于 2017 年 4 月向《英国连线》杂志表示：“我们每天使用并依赖卫星提供的服务，但从未意识到这些服务有多么脆弱。不仅仅是今天、明天卫星可能被太空碎片破坏或摧毁，我们这一代人的行动还可能影响到子孙后代在太空工作、生活的梦想和抱负。”