轨道碎片追踪：缓解太空垃圾的新兴解决方案

太空垃圾已成为环绕地球运行的卫星和航天器面临的一个日益严重的问题。从报废的卫星到废弃的火箭级，太空中越来越多的垃圾对运行中的航天器构成了重大风险。情况十分危急，特别是在低地球轨道 (LEO)，那里有数千个物体以超过每小时 28,000 公里的速度飞行。如果不加以处理，这些物体不仅会威胁到任务的安全，还会威胁到太空运营的长期可持续性。近年来，NASA 等政府机构和私营公司都在开发先进技术来追踪和缓解轨道垃圾。

本文深入探讨了追踪太空垃圾的各种方法，重点介绍了最近的发展和创新。从 NASA 的经济高效策略到 Arcsec 等公司的开创性工作，本分析探讨了处理轨道垃圾的技术、挑战和潜在解决方案。

日益严重的轨道碎片问题

随着全球航天工业在过去几十年的发展，地球轨道上的碎片越来越多。这些人造垃圾包括从微小碎片和油漆斑点到大型报废卫星、火箭级和过去碰撞的残留物等各种物品。目前太空中物体的数量和多样性对未来太空任务的安全性和可持续性构成了重大挑战。欧洲航天局 (ESA) 目前追踪了 34,000 多个大于 10 厘米的物体，但这只是冰山一角。实际上，还有数百万个较小的碎片，据估计，地球轨道上有超过 1.3 亿个小于 0.4 英寸（1 厘米）的碎片，其中许多碎片仍未被当前的监测系统发现。

轨道碎片的成分

轨道碎片通常被称为“太空垃圾”，由各种各样的物体组成。其中包括：

• 已停运的卫星：已完成任务且不再运行的卫星。
• 火箭阶段：将卫星发射入轨道的火箭的废弃部件。
• 碰撞产生的碎片：过去卫星碰撞或其他太空事件产生的碎片。
• 微陨石和油漆斑点：即使是很小的颗粒也可能很危险，其飞行速度可能会摧毁或损坏正在运行的航天器。
• 其他人造物体：太空任务期间丢失或遗弃的工具、螺栓和其他设备。

虽然这些物体中有许多都很小，飞行速度高达每小时 28,000 公里（每小时 17,500 英里），但即使是微小的碎片也会对活跃的卫星和航天器造成严重威胁。由于速度极快，与小至 1 厘米的碎片相撞可能会导致灾难性的破坏。

太空碎片事件的影响

几起引人关注的事件发生后，轨道碎片问题变得十分突出。其中最重大的事件之一是 2007 年中国反卫星导弹试验，该试验故意摧毁了风云一号气象卫星。这次试验产生了数千块碎片，其中许多碎片至今仍在轨道上。这颗卫星的毁坏大大恶化了低地球轨道 (LEO) 本来就拥挤不堪的状况，并引起了全球对碎片风险的关注。

2009 年，铱星 33 号通信卫星与宇宙 2251 号卫星发生了一次更意外但同样具有破坏性的碰撞。碰撞发生的相对速度约为每秒 11 公里（25,000 英里/小时），产生了 2,000 多块碎片，进一步增加了碎片追踪和管理工作的难度。这起事件还凸显了太空碎片的相互关联性——一次碰撞可能会产生更多碎片，从而产生连锁反应，使问题更加严重。

凯斯勒综合症和连锁碰撞的风险

这些事件提高了人们对凯斯勒综合征日益严重的威胁的认识，凯斯勒综合征是一种以美国宇航局科学家唐纳德·J·凯斯勒命名的现象。凯斯勒提出，如果特定轨道上的物体密度达到某个阈值，就会发生连锁反应。在这种情况下，每次碰撞都会产生更多的碎片，从而导致更多的碰撞，形成一个自我延续的循环。随着时间的推移，这可能会使某些太空区域无法用于新的任务，严重阻碍太空探索和卫星运行。

随着太空中物体数量的增加，尤其是 SpaceX 的 Starlink 和 OneWeb 等卫星星座的激增，凯斯勒综合征的风险也越来越真实。虽然这些星座提供了至关重要的全球通信服务，但它们也加剧了本已拥挤的轨道，增加了发生碰撞的可能性。

太空活动增多导致的风险上升

商业企业、政府项目和私营公司推动的太空任务数量不断增加，这只会加剧这一问题。随着卫星技术的进步和对卫星服务的需求不断扩大，发射到轨道上的物体数量也在不断增加。当前的跟踪系统难以跟上太空交通的快速增长。这不仅增加了碰撞风险，而且还给碎片的跟踪和管理带来了额外的挑战。

此外，巨型卫星群（大型卫星网络）的日益普及也引发了人们对“卫星群碰撞”可能性的担忧，即大型卫星群中的一颗卫星与另一颗卫星相撞。这种情况可能会在很短的时间内产生数百或数千块新的碎片，进一步加剧碎片问题。

需要更好的跟踪和缓解措施

随着太空垃圾不断增加，对先进跟踪系统和缓解策略的需求变得更加迫切。目前的太空垃圾监测主要依靠地面雷达和光学传感器，它们可以跟踪大于 10 厘米的物体。然而，该技术仍然不足以探测同样危险的较小碎片。太空篱笆雷达系统和可以探测较小碎片的星体跟踪器等新创新正在帮助弥补这一差距。然而，这些技术在追踪小于 1 厘米的碎片时仍然面临限制，而这占太空碎片的大多数。

主动碎片清除 (ADR) 系统和改进的防撞技术的发展也至关重要。诸如欧空局的 ClearSpace-1 任务等旨在捕获和脱离轨道的报废卫星的项目代表着向前迈出的重要一步。然而，这些系统仍处于试验阶段，大规模部署将需要数年时间才能实现。

碎片产生的风险越来越大，太空作业也越来越复杂，这就要求采取更全面的空间碎片管理方法。这包括更好的国际合作、更严格的监管以及跟踪、减缓和清除碎片的创新技术，确保太空活动的持续安全和可持续性。

随着太空探索的加速和地球轨道变得越来越拥挤，轨道垃圾的挑战将持续增长，但在政府、航天机构和私营公司的共同努力下，我们有希望管理好这些垃圾，为子孙后代确保太空安全。

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碎片追踪技术的进步

由于太空中物体数量众多且速度极快，追踪轨道碎片一直是一项重大挑战。传统上，太空碎片追踪依赖于地面雷达系统，这些系统可以有效探测大于 10 厘米的物体。这些系统由美国空军、欧洲航天局 (ESA) 和国家航天局等机构运营，为太空态势感知 (SSA) 提供重要数据，有助于监测和预测对卫星和航天器构成威胁的碎片的移动。

然而，地面雷达系统存在明显的局限性。虽然它们可以探测较大的碎片物体，但很难追踪较小的碎片，尽管碎片体积很小，但仍可能对航天器构成重大威胁。小到几厘米的物体可以以高达 28,000 公里/小时（17,500 英里/小时）的速度飞行，因此在碰撞时能够造成重大损坏。这种追踪能力的差距提出了对创新技术的需求，这些技术可以改善对较小碎片的检测和监测。

小型垃圾的挑战

较小的碎片（尺寸从 1 厘米到 10 厘米不等）是太空垃圾问题中相当重要的一部分。这些碎片太小，传统雷达系统无法探测到，但大到足以对活跃卫星造成严重损害。一个显著的例子发生在 2016 年，当时一块子弹大小的太空碎片击穿了 Sentinel-1 卫星的太阳能电池板，该卫星是欧洲地球观测计划的一部分。虽然卫星继续执行任务，但如果碎片击中卫星更关键的部分，例如主体或重要电子设备，卫星将无法运行。

无法跟踪这些小物体会给未来的太空行动带来严重风险，尤其是随着卫星星座和新任务的增加。即使是小碎片也会造成损害，这凸显了改进监测和跟踪系统的需求，以便实时检测这些具有潜在危险的碎片。

Arcsec 的突破性技术：用于碎片探测的星体跟踪器

碎片追踪技术中最有前景的进步之一来自比利时公司 Arcsec，该公司开发了一种创新系统，能够探测到更小的碎片——小至 1 英寸（2.5 厘米）。Arcsec 的系统利用星体追踪器，这是一种通常用于航天器的光学传感器，通过探测夜空中星星的位置来保持方向。星体追踪器长期以来一直用于帮助卫星在太空中导航，提供相对于天体的精确方向测量。然而，Arcsec 的创新扩展了星体追踪器的功能，使其能够探测太空碎片。

在这个系统中，星体跟踪器分析碎片经过恒星前方时的运动情况。通过捕捉碎片的轨迹、亮度和运动，跟踪器可以确定物体的大小和速度。这一过程使系统能够评估与运行中的卫星相撞的潜在风险，为太空运营商采取预防措施提供宝贵的实时数据。

Arcsec 的技术之所以具有突破性，是因为它能够探测到传统雷达系统无法探测到的物体。即使是其他方式可能无法探测到的小碎片，现在也可以被识别、跟踪和分析。这让人们能够更全面地了解太空中的碎片环境，并帮助航天机构和运营商做出更明智的防撞决策。

Arcsec 解决方案在空间态势感知方面的潜力

Arcsec 的碎片跟踪系统特别具有创新性，因为它可以改装到已经在轨的现有卫星上，从而立即提高太空态势感知能力。这意味着目前运行的卫星可以配备该技术，而无需重新发射，从而有助于扩大太空中的碎片传感器网络。Arcsec 的技术已经在全球销售了约 50 台星体跟踪器，有望成为太空碎片监测生态系统的重要组成部分。通过部署这些先进跟踪器的大型网络，可以监测更大范围的太空碎片，有助于提高对地球轨道上碎片密度和分布的了解。

与传统雷达系统相比，该技术还具有多项优势。首先，它不受地面传感器视线限制，可以在卫星绕地球运行时持续跟踪碎片。此外，由于它使用光学检测而不是雷达，因此可以识别更小的物体，从而提供更完整的太空碎片场图像。Arcsec 的系统还可以与现有的卫星基础设施集成，而无需进行大修，使其成为一种高效且经济的解决方案。

对太空安全的更广泛影响

Arcsec 的星体跟踪器碎片探测系统得到广泛采用，可以提高碎片跟踪工作的准确性和覆盖范围，从而大大提高太空安全。它还可以补充雷达等其他跟踪技术，填补对运行中的卫星构成最大风险的较小碎片的监测空白。

此外，随着商业太空任务数量的增加，这种增强的态势感知对于管理日益增多的太空物体至关重要。随着轨道上卫星数量的增加，发生碰撞和产生新碎片的可能性只会增加。通过主动监测和跟踪较小的碎片，Arcsec 的技术可以在减轻与轨道碎片相关的风险和维持太空活动的长期可持续性方面发挥至关重要的作用。

随着太空探索和卫星服务不断扩展，显然 Arcsec 系统等创新是向前迈出的必要一步。有了更精确、实时的碎片跟踪技术，太空界将能够更好地避免碰撞，减少新碎片的产生，并最终保护太空中宝贵的资产，这些资产使从全球通信到地球观测等一切成为可能。

地面和空间传感器的作用

随着地球轨道上的物体数量不断增加，追踪太空垃圾已成为一项日益复杂和紧迫的任务。为了应对日益增长的碰撞威胁，地面和太空传感器的结合对于提供全面的太空态势感知 (SSA) 至关重要。这些传感器协同工作，监测各种尺寸的碎片，从可能刺穿卫星表面的小碎片到能够摧毁运行中的航天器的较大物体。地面和太空跟踪技术的进步在防止这些碰撞和确保太空活动的长期可持续性方面发挥着关键作用。

地面传感器：提高覆盖范围和精度

几十年来，地面传感器一直是太空垃圾探测的基石。这些系统使用雷达、光学望远镜和激光跟踪来监测地球轨道上的碎片。地面跟踪领域最重大的进步之一是太空篱笆，这是美国空军运营的最先进的雷达系统。太空篱笆位于太平洋的夸贾林环礁，是美国军方跟踪和监测太空垃圾努力的重要组成部分。

太空篱笆旨在探测和跟踪低地球轨道 (LEO) 上最小 1 厘米的物体，大大提高了美国国防部监控太空垃圾的能力。这种下一代 S 波段雷达系统预计将使可跟踪的物体数量从大约 23,000 个增加到超过 200,000 个。通过探测较小的物体，例如旧卫星、火箭级和以前碰撞产生的碎片，太空篱笆将提供关键数据，有助于防止这些碎片与运行中的航天器相撞。这种增强的跟踪能力对于管理太空垃圾的风险至关重要，尤其是在许多运行卫星所在的低地球轨道 (LEO)。

除了太空篱笆，其他地面系统也在升级，以改善对较小碎片的跟踪。澳大利亚等地的光学跟踪系统也在得到改进。这些光学系统使用望远镜和照相机捕捉太空物体的图像，从而可以更精确地跟踪雷达无法探测到的微小物体。雷达和光学系统的结合可以更全面地了解碎片环境，因为光学传感器可以跟踪雷达信号通常难以到达的高空物体。

太空传感器：扩大检测网络

虽然地面传感器提供了必要的数据，但由于地球曲率、视线限制以及无法追踪位于高海拔或地球远端的碎片，它们也存在一定的局限性。这就是太空传感器发挥作用的地方。太空碎片跟踪涉及将传感器放置在卫星上或专门用于探测和监测轨道碎片的太空任务上。

太空传感器的一项进步来自 Arcsec 公司，该公司使用星体跟踪器探测传统雷达系统无法探测到的较小碎片。通过分析碎片经过恒星前方时的运动和亮度，Arcsec 的技术为监测太空碎片提供了宝贵的工具。将此类太空传感器与地面系统相结合对于全面跟踪碎片至关重要，因为它可以创建一个更加全球化和连续的监测网络。

太空传感器在覆盖范围和实时监测方面也具有显著优势。配备传感器的卫星可以追踪全球范围内的碎片，而不受地球表面或大气干扰的限制。这可以实现对轨道环境的连续、全天候监测，特别是在地球同步轨道 (GEO) 和更高海拔地区，地面传感器很难有效观察这些区域。随着太空任务的增加和卫星星座的增长，对更多太空传感器来监测这些轨道的需求将变得更加迫切。

国际合作与商业参与

虽然碎片跟踪技术进步至关重要，但国际合作才是管理日益严重的空间碎片问题的关键。空间数据协会 (SDA) 等组织促进卫星运营商之间的合作，以提高对潜在碰撞的认识，并帮助减轻与空间碎片相关的风险。SDA 使空间机构和私营公司能够共享碎片跟踪数据，帮助识别潜在危险，并允许卫星运营商进行防撞操作。

随着越来越多的私营公司进入太空行业，对商业太空态势感知 (SSA) 服务的需求也日益增加。这些服务可以补充政府运营的系统，因为政府系统可能并不总是有资源或能力来处理越来越多的在轨卫星。商业 SSA 服务可以根据卫星运营商的特定需求提供实时碎片跟踪、碰撞预测和避免解决方案。这一点尤为重要，因为卫星数量不断增加，许多小型卫星被发射用于全球互联网覆盖、地球观测和其他服务。

SpaceX、OneWeb 和亚马逊等私营太空公司的发展为与政府组织和国际机构合作创造了机会，以共享数据、协调努力并防止太空垃圾成为无法克服的问题。商业实体可以通过提供创新的太空垃圾跟踪、数据共享和操作安全解决方案发挥重要作用。

整合地面和太空系统

成功的碎片监测策略的关键在于地面和太空传感器的整合，以及国际合作框架。太空篱笆等雷达系统、光学传感器和 Arcsec 星体跟踪器等太空技术相结合，可以更全面、更准确、更实时地观察太空环境。这些传感器共同构成了一个强大的系统，不仅能够监测大型碎片，还能监测对运行中的卫星构成最大风险的较小碎片。

此外，私营公司、政府机构和国际组织之间的合作提高了碎片管理战略的整体有效性。通过共享数据和利用尖端技术，航天界可以大大降低碰撞风险，并为太空探索的长期可持续性做出贡献。

商业公司越来越多地参与太空垃圾管理是一个积极的发展，但很明显，太空垃圾的挑战需要航天工业所有部门的协调努力。只有通过持续投资先进的传感器技术、协作和全球合作，我们才能为后代的太空任务保护地球轨道。

轨道碎片的缓解和补救

虽然跟踪轨道碎片对于态势感知至关重要，但缓解和补救措施对于降低太空垃圾带来的长期风险同样重要。解决轨道碎片问题需要采取预防和主动策略。预防措施侧重于减少新碎片的产生，而补救措施侧重于清除或消除对运行中的卫星和太空任务构成威胁的现有碎片。NASA 关于太空碎片的第二阶段报告深入探讨了这两种方法的各种策略，概述了几种有前景的技术和方法来处理这个问题。

退役卫星脱离轨道

减少碎片的最有效和最具成本效益的方法之一是快速将废弃卫星脱离轨道。废弃卫星一旦完成任务，如果继续留在轨道上，就会继续造成危险。这些物体通常会留在所谓的墓地轨道上，在那里它们会无限期地留在太空中，慢慢分解成更小的碎片。

根据 NASA 的研究结果，通过机载推进系统或使用外力快速使卫星脱离轨道是减少碎片风险最直接、最实用的方法之一。机构间空间碎片协调委员会 (IADC) 制定了指导方针，建议低地球轨道 (LEO) 卫星在其使用寿命结束后 25 年内脱离轨道。这将防止它们留在轨道上并加剧碎片场。

一些卫星运营商和航天机构目前正在制定卫星报废计划，以确保卫星安全脱离轨道。例如，欧洲航天局 (ESA) 制定了脱离轨道的具体指导方针，其中包括使用卫星推进系统降低轨道，直到大气阻力加速卫星重返大气层并确保卫星安全燃烧。

多项研究都表明了卫星脱离轨道的成本效益。主动移除卫星通常成本更高，因此，采取预防措施（例如确保卫星在任务结束时得到妥善处置）可以减少后期昂贵的清理工作，从而从长远来看节省资金。

主动碎片清除 (ADR) 技术

虽然脱离轨道是防止未来出现碎片的一种非常有效的方法，但它并不总是足以处理现有的太空垃圾，尤其是对运行中的航天器构成最大威胁的较大物体。从轨道上移除大型碎片物体（通常称为主动碎片清除 (ADR)）正成为减轻碰撞风险的必要步骤，越来越受到关注。一些公司、研究团体和航天机构正在开发专门用于捕获和移除这些危险物体的技术。

该领域最杰出的参与者之一是 ClearSpace-1，这是一家由欧洲航天局 (ESA) 支持的瑞士初创公司。ClearSpace-1 正在研究一种解决方案，利用机械臂和其他先进技术捕获并脱离大型碎片物体（例如废弃卫星或火箭级）。ClearSpace-1 背后的理念是部署一艘配备机械臂的航天器，该机械臂可以抓住碎片，然后将其拉入地球大气层，碎片在重返大气层时会燃烧殆尽。

ClearSpace-1 任务定于不久的将来发射，目标是低地球轨道上的一颗已报废的 ESA 卫星，这是它首次尝试清除碎片。这次任务代表着太空碎片清除技术向前迈出了重要一步，并可能为未来清理地球周围空间的努力铺平道路。这项技术本身虽然仍处于开发阶段，但被视为解决大型危险碎片问题的一种有希望的方法，这些碎片无法通过脱离轨道等被动方式轻易清除。

清除碎片的其他方法

除了 ClearSpace-1 任务外，还在探索其他技术来主动清除太空垃圾。这些包括：

• 鱼叉系统：一些航天机构和公司正在研究使用类似鱼叉的装置来捕获太空垃圾。这些鱼叉将从卫星或航天器发射，用于捕获较大的碎片物体，然后将其拉入安全轨道以脱离轨道。
• 电动力系绳：另一个潜在解决方案是使用电动系绳，即利用地球磁场产生力的长电缆，将碎片物体拉入较低轨道，最终在大气层中燃烧殆尽。这种方法提供了一种非机械的碎片清除解决方案，有可能降低主动碎片清除系统的复杂性和成本。
• 激光烧蚀：一些研究人员还提议使用激光瞄准并蒸发小碎片或改变较大物体的轨迹。虽然这种方法仍处于实验阶段，但它有望成为一种消除现有跟踪系统可能无法检测到的小碎片的方法。

这些清除太空垃圾的各种方法代表了创新和前瞻性的解决方案，但它们也并非没有挑战。其中许多技术仍处于测试阶段，其成本效益、可靠性和长期可持续性仍有待完全确定。然而，人们对主动清除太空垃圾的兴趣日益浓厚，凸显了解决太空垃圾问题的紧迫性，尤其是随着太空中卫星和太空任务变得越来越拥挤。

国际合作的重要性

鉴于太空探索的全球性，国际合作对于有效减缓和清除太空垃圾至关重要。太空垃圾是影响所有航天国家和私营公司的共同问题，解决这一问题需要跨国界的协调努力。联合国外层空间事务办公室 (UNOOSA) 的《太空垃圾减缓指南》等倡议和机构间太空垃圾协调委员会 (IADC) 等国际机构致力于制定防止和清除太空垃圾的最佳做法和指南。

此外，航天机构、公司和研究组织之间的国际合作也有助于加速碎片清除技术的开发。例如，欧空局正在与 ClearSpace-1 等公司合作，为主动碎片清除任务提供资金和支持。此类合作对于汇集资源、共享专业知识以及确保碎片清除工作尽可能有效和广泛至关重要。

结论

轨道碎片的挑战仍然是太空可持续发展面临的最紧迫问题之一。随着地球轨道上堆满了废弃卫星、废弃火箭级和碰撞碎片，对先进跟踪和碎片缓解策略的需求从未如此强烈。NASA 对碎片修复成本效益的新研究以及 Arcsec 等公司开发的创新技术提供了有希望的解决方案，以增强太空态势感知并降低较小碎片带来的风险。然而，前进的道路需要的不仅仅是技术创新；它需要国际合作、更严格的监管以及航天机构和私营运营商之间更好的协调。

随着我们继续开发更好的碎片追踪方法，例如使用星体跟踪器和太空篱笆雷达，并投资于碎片清除技术，我们正朝着确保太空长期适合科学探索和商业活动的目标迈进。全球政府和私人组织之间日益加强的合作是克服太空垃圾带来的挑战的关键。通过立即采取行动，我们可以保护轨道上宝贵的基础设施，并为子孙后代保障太空任务的未来。

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