俄羅斯進行了一場反衛星導彈試驗，將己方一顆廢棄衛星擊碎。 衛星位於地球上空約480公里，服役近40年。 這隨即引發美俄雙方激烈爭執。 俄國防部稱，”按照試驗時間和軌道參數，所產生的碎片未曾、也不會對空間站、航太器和太空活動構成威脅。 ”

（示意圖）廢棄衛星或衛星解體等產生的碎片垃圾存量超過了8000噸。

空間碎片危機何解？

本刊記者/杜瑋

發於2021.11.29總第1022期《中國新聞週刊》

美官員則稱，試驗產生的1500多個可追蹤碎片及更多不易發現的小碎片將在軌道上停留數年或更久。 這會對包括國際空間站、各種人造衛星在內的各類航太器安全造成影響。

不容忽視的是，廢棄的衛星或衛星解體，以及與火箭殘骸碰撞等產生的碎片將帶來大量太空垃圾，這一問題由來已久且日漸凸顯。 人類頭頂上方，就是浩瀚無邊的垃圾場，垃圾存量超過8000噸。 可以想像，各類航太器的運行就是在大大小小、飛速運行的垃圾間閃轉騰挪。

在地球上，實行的是「誰污染、誰治理」的原則，但這一切在太空尚屬空白。

北京大學地球與空間科學學院教授焦維新對《中國新聞週刊》說，清除太空垃圾的根本難題並非在於技術。 最關鍵的是，迄今為止，從發射衛星到清除垃圾，都缺少國際性公約以及法律法規的約束。

碎片超億的太空垃圾場

俄羅斯廢棄的衛星名為Kosmos-1408，是一顆軍用偵察衛星。 國際空間站飛行在距地大約420公里的高度，較Kosmos的飛行高度低五六十公里。 當Kosmos「粉身碎骨」後，碎片四散到更高或更低的離地高度。 國際空間站每90分鐘繞地球一圈，這意味著每90分鐘空間站會靠近或通過碎片帶。 空間站上有七名太空人，四名來自NASA（美國宇航局），兩名來自俄羅斯，一名來自歐洲宇航局。 在導彈發射後最初幾小時內，七名太空人一度躲進美國太空探索技術公司（SpaceX）的載人龍飛船和俄羅斯聯盟號宇宙飛船中。 最壞的打算，太空人們將乘坐這些「救生艇」逃離太空，回到地球。

焦維新說，早期一些照相偵察衛星及用於探測低層大氣的科學衛星會處在離地400公里左右的高空，屬低軌道衛星。 除此之外，絕大部分應用衛星，包括氣象衛星、對地觀測衛星等的飛行高度都在700公里到1200公里之間。 圍繞地球的所有太空垃圾中，失效衛星以及衛星、火箭殘骸等碰撞、解體而形成的碎片佔比近八成。 失效衛星本身就是一個大碎片。

處於不同軌道高度的空間碎片，壽命也不同。 比如，高度在400公里以下的碎片，在四處遊蕩的過程中，因為有一定大氣阻力，壽命衰減就會較快，幾個月就壽終正寢，進入大氣層，回地球”入土為安”。 600公里高度的碎片軌道壽命為幾年，600公里至800公里為十幾年，800公里至1000公里為幾十年。 如果是1000公里或2000公里高度以上的碎片，壽命則可長達百年乃至上千年。

焦維新分析說，俄羅斯這次擊碎衛星產生的低軌碎片在太空中停留的時間不會太長。 而且，碎片衰減還受到空間天氣如太陽耀斑等的影響。 若空間天氣較惡劣，其軌道衰減會加快。

越是衛星密集軌道，空間碎片數量越多。 高度在2000公里以下的近地球軌道LEO，20000公里左右的中地球軌道MEO，以及高度在36000公里左右的地球同步軌道GEO是空間碎片的密集運行區域。 碎片家族有著個頭大小之分，根據歐洲航太局的最新預估，圍繞地球運行直徑大於10釐米的空間碎片有34000個，1釐米到10釐米的碎片數量約為90萬個，直徑在1毫米至1釐米之間的碎片有1.28億個。

碎片無論大小，危害都不容小覷。 在科幻電影《地心引力》中，美航天飛機維修哈勃望遠鏡期間，因俄羅斯擊碎一顆俄方廢棄衛星，導致大量空間碎片產生，將航太飛機及望遠鏡擊毀。 通常空間碎片都以第一宇宙速度（7.9公里/秒）量級的速度運行，這相當於狙擊步槍子彈飛行速度的幾倍。 一個直徑10釐米的太空垃圾就可以將航太器完全摧毀。 一顆以第一宇宙速度運行的衛星，被1釐米大小、以同樣速度運行的碎片撞擊，後果相當於衛星受到一輛1噸重、以50公里/小時速度行駛汽車的撞擊，只能”以身殉職”。 數毫米大小的太空垃圾可能使航太器無法繼續工作。 小於0.1毫米的碎片主要引起航太器表面燒蝕和賤蝕，會使太陽能電池效率降低。

今年5月，在對國際空間站機械臂的一次常規檢查中，專家發現機械臂上有一個被微小碎片撞擊的小孔。 但好在這是一次「幸運的撞擊」，並未影響機械臂階段性運行。

LEO的凱斯勒效應已開始

讓焦維新更擔憂的是， 如今像SpaceX、One Web等衛星運營商打著聯通全世界的旗號，在低地軌道布設小衛星，將增加衛星碰撞的可能性，”這將是未來太空最大的危險”。 2009年2月10日，在西伯利亞泰梅爾半島上空770公里的高度，美國銥衛星公司的銥星33號和俄羅斯的宇宙2251衛星發生碰撞，撞擊時的相對速度為11.6公里/秒，產生至少2000多片碎片。 這是人類歷史上首次近地軌道人造衛星碰撞事件。 碰撞時，銥星仍處於工作狀態，俄國衛星已廢棄多年。

馬斯克的SpaceX計劃於2027年前實現「星鏈」宏圖，部署共計12000顆低軌道衛星，至今已有1700顆衛星在軌運行。 除此之外，馬斯克預計還將向低地軌道貢獻30000顆小衛星。 SpaceX的競爭對手波音、亞馬遜等近來也在向聯邦通信委員會提交申請，預計向近地軌道發射總計35000顆商用衛星。 此外，One Web也將像SpaceX一樣，發射總計超過40000顆衛星。 今年10月，非洲國家盧安達宣佈了更為瘋狂的發射計劃，將在未來發射32萬顆小衛星。 根據聯合國的外層空間物體指數，截至 2021 年 9 月，LEO 總共有大約 7500 顆運行中衛星。

焦維新說，地球同步軌道衛星的發射，會由國際電信聯盟進行調解，以保持衛星間有一定間隔，彼此不干擾，發射數量有限定。 但除此之外，尤其對於低地軌道衛星發射來說，在哪裡發射、發射多少顆並沒有一定之規，通常是各國先到先得，跑馬圈地。

1978年，美國宇航局科學家唐納德·凱斯勒曾提出一種假設，當低地軌道物體密度足夠高時，物體間碰撞會產生碎片，碎片又會與其他物體碰撞，產生更多碎片。 一系列連鎖反應后，最終，會導致衛星軌道資源被碎片包圍，造成永久性破壞，以致無法開展太空活動。 這被稱為「凱斯勒效應」。 凱斯勒認為，目前業界已達成共識，碎片環境已達到臨界點，即便現在停止所有發射，碎片依然會繼續增加。 至於凱斯勒效應，”它已經開始了，雖然碰撞尚不劇烈，規模也還不大”。

亞倫·博利是英屬哥倫比亞大學的一名天文學家。 他在今年3月發表在《科學報告》上的一篇文章中提到，在LEO軌道，已有超過12000個直徑10釐米及以上、可追蹤的碎片。 如果統計直徑降至1釐米，碎片數目可能達上百萬個。 諸如星鏈等低成本衛星的普遍擴散進一步加劇了LEO的環境壓力。 博利還分析說，雖然SpaceX聲稱發射衛星將在5到6年使用壽命結束時主動離軌，但離軌的整個過程需要6個月。 如果其他公司也如此操作，這意味著數以千計的離軌衛星將緩慢穿過同一個擁擠的空間，構成碰撞風險。 離軌的衛星將被追蹤，以避免和碎片近距離交會。 但能否真正避免太空交通事故，這取決於各個運營商間能否持續溝通與合作，目前這樣的合作是”臨時和自願”的。

焦維新分析說，像星鏈計劃中的小衛星姿態控制等都更隨意，在太空中的運行也更”任性”。 根據美國哈佛大學天體物理家喬納森·麥克道威爾的分析，截至去年10月，SpaceX發射的衛星中大約有2.5%可能已失效。 麥克道威爾說，這一故障率並不高，但如果乘以星鏈計劃龐大的總量，這將意味著會製造出大量的”硬核”垃圾。

除了使太空更為擁擠，小衛星的集聚還會對天文觀測造成影響。 太陽光從航太器上反射，會使得天空可能變亮兩到三倍。 由於衛星大部分為鋁製，大量衛星及碎片再入大氣還會帶來鋁在大氣中的沉積，火箭發射產生的黑碳、煙灰會使得氣候變暖，破壞臭氧層。 當碎片落回地球，還有可能給人類帶來意外襲擊。

公地悲劇

面對無處不在的空間碎片，一句適用的古話叫”惹不起，躲得起”。 主要航太國家和國際組織都會對其重點航太器執行碰撞預警和機動規避。 截至2020年，國際空間站已執行規避危險碎片操作28次，僅2020年就有3次。 歐洲航太局平均每顆低軌衛星每年需執行兩次避碰操作。

實現規避和預警，就要建立對空間碎片的觀測和預報系統。 2020年3月，美空軍新一代地面雷達系統——”太空籬笆”上線。 這一雷達系統位於北太平洋馬紹爾群島屬地內，可追蹤到近地軌道尺寸為1釐米至10釐米間的20萬件太空垃圾。 2017年，美國宇航局將一太空碎片感應器連接至國際空間站的一實驗艙外部，用以探測在地面上難以查明的毫米級碎片。 焦維新說，美國、歐洲航太局都有較為成熟、完善的空間碎片資料庫，能實現對空間碎片的動態預報。 航太器進而通過調整發射時間，或在軌運行時，改變與碎片碰頭時間或軌道高度，達到規避目的。

中國科學院院士、中國科學院國家空間科學中心主任王赤去年底接受媒體採訪時曾表示，中國在空間態勢感知、碎片減緩等技術方面雖取得一定進展，但仍無法滿足太空活動治理要求。 在空間目標監測上，中國主要依靠地面系統，存在”看不全、看得慢”的問題。 空間碎片減緩與清除方面，主動移除技術基礎薄弱，距離形成常態化運行系統要求差距明顯，低成本業務化服務能力不具備。

並不是所有碎片都能及時預報，完美閃躲。 凱斯勒認為，在當今太空日益擁擠形勢下，清理部分太空垃圾應成為優先項。 多國已展開了一些「太空大掃除」的試驗和行動。 2018年4月，英國薩里航太中心聯合歐洲多家研究機構，啟動了”清除碎片”項目，測試了用網、魚叉等捕獲太空垃圾的方法。 “太空魚叉”可以擊碎較大的太空垃圾，碎片再通過垃圾搜集網和脫軌裝置進入大氣層自行焚毀。

今年3月，一家日本衛星服務公司研發的「終結碎片生命」衛星由俄羅斯聯盟號火箭發射升空。 這款「神器」的「殺手鐧」在於其磁性系統，既能抓住平靜如水的物體，也能捕獲興風作浪的碎片。 當將「兇手」捉拿歸案後，衛星將和碎片重回大氣層，同歸於盡。 2025年，歐洲航太局還將聯手一家瑞士初創公司，啟動首個清除過往太空垃圾的任務。 這次任務將啟用一個實驗性的四臂機器人，來捕獲2013年發射的織女星火箭留下的碎片。 這塊太空垃圾位於距地球800公里的上空，重約100公斤。

焦維新說，未來發射的衛星，最理想的報廢方式是接近軌道壽命時，還留有些燃料，主動減速，進入更低軌道，最終墜入大氣層銷毀。 目前，對於太空垃圾的處置方式基本上任其自生自滅。 就處理空間碎片而言，最大問題是沒有國際上的公約來約束。 “一件事情既沒有利益驅使，又沒有法律約束，誰會有自覺性去做。” 焦維新說。 得克薩斯大學奧斯丁分校軌道碎片專家Moriba Jah分析說，至少從目前看，空間碎片清除的商業案例並不能貨幣化，與其說是真正的市場，不如說是PPT演講。

另一重隱憂還在於，如今開發的清除碎片”利器”都可用作反衛星的武器。 美國喬治亞理工學院國際事務學院副教授瑪麗埃爾·博洛維茨說，近年來，對航太器的在軌維修等操作都引發了軍事人員的極大興趣。 這些快速發展的技術有著雙重用途，”有可能用於和平的太空活動，也可能用於太空戰爭”，”不能提前確定它們在哪一天將如何使用”。 這樣的迷局需要外交談判和協商，以及國際層面的信任來解決。

1968年，美國生態學家加勒特·哈丁在《科學》雜誌上提出”公地悲劇”的概念，指面對有限的資源，如果每個人只從自身短期利益出發，一切將變得不可持續。 此時此刻，在人類頭頂上方，正在經歷著一場太空公地悲劇。 越來越多衛星湧入近地軌道，人們對此的態度總是寬容的：似乎總有空間，能再發射一次。