空间碎片：运行中卫星的噩梦

空间碎片的起源与性质

多种且明确识别的来源

空间碎片来自退役卫星、废弃火箭级、轨道上碰撞或爆炸产生的碎片。2025年，超过68,450个大于10 cm的物体被监视网络追踪，此外还有约150万个1至10 cm的碎片和2.3亿个毫米级碎片。 它们的相对速度可达\(v \approx 7,8 \, km/s\)，在撞击时赋予这些碎片可怕的动能。

空间碎片主要产生事件表

下表列出了自太空活动开始以来空间碎片的主要产生事件。

凯斯勒综合征：令人担忧的风险预测

1978年设想的灾难情景

凯斯勒综合征是美国天体物理学家唐纳德·J·凯斯勒（1940-）于1978年提出的灾难情景。它描述了太空中的多米诺骨牌效应，即地球轨道上空间碎片的密度变得如此之高，以至于物体之间的碰撞产生更多碎片，形成无法控制的连锁反应。 从长远来看，某些轨道可能数十年无法使用，威胁GPS导航、电信和地球观测。

空间碎片的主要后果

对太空活动的多重影响

与运行中卫星的碰撞和低轨道饱和构成两个最直接的威胁。

• 数千个超高速碎片导致低地球轨道（LEO）饱和。
• 与运行中卫星碰撞的风险增加，威胁电信、导航（GPS）和地球观测。
• 数十年内太空通道受阻，使某些轨道无法使用。

空间碎片后果表

下表总结了空间碎片对太空和地面活动的主要后果。

限制问题的解决方案

两个互补方向：减缓与修复

为防止近地空间变成真正的垃圾场，航天机构和企业正在研究各种解决方案。两个主要方向被区分：避免增加新碎片和清理已有碎片。

主要技术和政治解决方案

解决方案分为减缓和修复，并辅以国际协调措施。

• 减缓：为避免产生更多碎片，当卫星完成任务时，应将其从轨道上移除，而不是任其废弃。国际规则建议在25年内使其坠入大气层，在那里像流星一样燃烧殆尽。
• 修复：为回收现有碎片，一些项目正在测试能够捕获碎片使其坠向地球的网、鱼叉或机械臂。2018年，欧洲的RemoveDEBRIS任务证明了这是可能的。
• 使用地面激光：想法是从地面用激光照射碎片，给予足够的小推力以改变其轨道并使其更快坠落。
• 电推进和制动帆：一些卫星可以携带增加空气阻力的大型帆，帮助其在寿命末期更快下降。
• 国际协调：任何国家都无法单独管理这一问题。因此，联合国和几个国际组织正试图制定共同规则，使所有太空行为者承担责任。

太空污染演变情景

三种可能轨迹

轨道环境的未来直接取决于今天在碎片管理方面所做的选择。专家设想了三种主要情景：

• 乐观情景：严格执行国际规则（25年后脱轨、级钝化、更好的发射协调）。 在这种情况下，碎片密度可能稳定在可管理的水平，允许地球周围空间的可持续利用。
• 趋势情景：继续当前的发射和碎片产生速度，仅采取部分减缓努力。 将出现碎片的缓慢但持续增加，使某些轨道越来越危险且开发成本越来越高。
• 悲观情景：意外或故意事件（碰撞、反卫星试验）倍增，触发凯斯勒综合征。 连锁碰撞可能使低地球轨道（LEO）在数十年内基本无法使用，对电信、导航和科学研究产生重大影响。

不作为，失控的风险

这些情景表明，不作为大大增加了不可控失控的风险。相反，迅速而雄心勃勃的国际合作可以将太空维持为子孙后代可及的共同财富。