清理低地球轨道的时机已到：应对日益严重的太空垃圾威胁

低地球轨道 (LEO) 长期以来一直是人类太空活动的重要区域，用于承载通信、地球观测、导航和科学研究的卫星。然而，它也成为了太空垃圾的倾倒场——废弃卫星的残骸、废弃的火箭级和意外碰撞。随着轨道上卫星数量的不断增加，出现更多碎片和发生灾难性碰撞的风险也在增加，专家们呼吁立即采取行动应对这一日益严重的环境挑战。

低地球轨道上的空间碎片状况

太空垃圾，也称为轨道碎片或太空垃圾，是指任何绕地球轨道运行的不再有用的人造物体。这包括从废旧火箭级和废弃卫星到卫星碰撞或爆炸产生的碎片。据 NASA 称，目前近地轨道上有超过 34,000 个直径大于 10 厘米的物体，以及估计 900,000 个直径在 1 厘米至 10 厘米之间的碎片，以及超过 1.28 亿个较小的碎片。

虽然这些物体很难追踪，但即使是很小的碎片也可能造成重大风险。以高达 28,000 公里/小时的速度飞行，即使是很小的碎片也可能对运行中的卫星、航天器甚至国际空间站 (ISS) 造成严重损坏。一个著名的例子是 2009 年美国通信卫星铱星 33 与俄罗斯军用卫星 Kosmos 2251 相撞。仅这次事件就产生了 2,200 多块碎片，每一块都增加了进一步碰撞的风险。

凯斯勒综合症：太空污染的恶性循环

凯斯勒综合征以 1978 年首次提出该现象的 NASA 科学家唐纳德·J·凯斯勒的名字命名，描述了当低地球轨道 (LEO) 中的空间碎片密度变得如此之高以至于发生碰撞的风险呈指数级增长时发生的灾难性连锁反应。随着越来越多的卫星和碎片相撞，它们会分解成更小的碎片，从而对其他航天器和卫星造成更大的危害。这种自我延续的破坏循环，每次碰撞都会产生更多的碎片，越来越受到航天国家、公司和科学家的关注。

凯斯勒综合症的机制

凯斯勒综合症不仅仅是一个理论问题——它是一个非常现实的风险，在不久的将来可能会急剧升级。它的工作原理如下：

1. 碎片密度增加：近地轨道（LEO）是距离地球最近的太空区域（低于 2,000 公里），在过去几十年中变得越来越拥挤。数以万计的物体，包括已报废的卫星、废弃的火箭级和以前碰撞产生的碎片，已经在绕地球运行。随着 SpaceX 的 Starlink 等卫星星座的快速扩张，这个问题正在加速。
2. 初次碰撞：当两个物体在低地球轨道相撞时，它们会分裂成数千个较小的碎片。这些碎片虽然比原始物体小，但仍以极高的速度行进——通常约为每小时 28,000 公里。即使是微小的碎片也会对运行中的卫星或航天器造成严重损坏。
3. 碰撞的传播：凯斯勒综合征的主要特征是这些碎片本身就构成了碰撞风险。随着碎片的产生，它们会以高速在太空中移动，从而增加未来发生碰撞的可能性。这些新的碰撞会产生更多的碎片，进而导致更多的撞击，形成一个反馈循环。
4. 指数增长：凯斯勒综合症最令人担忧的方面是其呈指数级增长。在密集的轨道上发生一次碰撞就可能引发一系列碰撞，从而迅速增加太空碎片的数量。每增加一块碎片都会增加未来发生碰撞的可能性，从而导致无法控制且不断加速的破坏循环。

对太空行动的影响

凯斯勒综合症对太空的持续利用和探索构成了重大挑战。以下是一些最可怕的后果：

1. 运行卫星的风险增加：低地球轨道卫星已经面临与碎片碰撞的巨大风险。随着轨道上物体密度的增加，活跃卫星受损或被摧毁的可能性也在增加。如果被碎片击中，参与地球观测、电信和导航等任务的航天器可能会无法运行。这对政府和商业太空运营都构成了巨大的财务和运营风险。
2. 对载人航天的威胁：国际空间站 (ISS) 和其他载人航天器特别容易受到太空垃圾的侵袭。虽然国际空间站配备了防护罩来抵御较小的碎片，但物体在太空中飞行的速度意味着即使是微小的碎片也可能造成灾难性的破坏。如果某些轨道上的碎片密度继续增加，可能会使太空任务（包括载人航天到月球、火星或其他目的地）变得更加危险和昂贵。
3. 失去可用轨道空间：随着碰撞次数的增加，不仅单个卫星面临危险，整个轨道区域也面临危险。如果凯斯勒综合症达到临界点，整个低地球轨道都可能因碎片的威胁而无法使用。这可能会限制未来的卫星发射，使得在没有碰撞风险的情况下将新卫星送入轨道变得困难甚至不可能。随着地球周围越来越多的空间变得不安全，人类可能被迫完全放弃某些太空区域。
4. 对太空探索的影响：地球轨道以外的太空探索也取决于安全穿越太空的能力。凯斯勒综合症可能会使将航天器送往月球、火星或其他天体等目的地变得更加困难。随着太空垃圾填满低地球轨道，碰撞风险可能会使发射窗口变得更加危险和昂贵，可能会拖延甚至停止探索工作。

临界点：我们是否已经太晚了？

多年来，专家们一直警告我们，我们可能已经接近凯斯勒综合症失控的临界点。一些估计表明，目前的太空垃圾数量，加上卫星星座的快速扩张，可能会导致垃圾产生量超过清除量的情况。这将使太空变得越来越危险和难以进入，有可能使人类陷入风险和成本不断上升的循环。

事实上，我们已经看到了这种现象的警示信号。例如，2009 年，铱星 33 号通信卫星与已报废的俄罗斯卫星 Kosmos 2251 相撞，产生了 2,000 多块碎片。此后，发生了多起险些相撞和险些相撞的事件，低地球轨道上的碎片不断增加。随着太空交通量的增加和发生碰撞的风险越来越大，像 Starlink 这样的巨型星座的激增只会加剧这一问题。

虽然 NASA、欧洲航天局 (ESA) 等组织和私营公司正在研究碎片清除技术，但缓解凯斯勒综合症的挑战仍然巨大。主动碎片清除 (ADR) 系统（例如 Astroscale 和 ClearSpace 正在开发的系统）可能会提供一些解决方案，但它们成本高昂且需要国际合作。如果不迅速、协调地努力清理太空并实施更严格的碎片产生法规，我们可能会面临凯斯勒综合症限制几代人进入太空的未来。

我们如何预防凯斯勒综合症？

预防凯斯勒综合症并减轻其影响需要采取多管齐下的方法，包括：

• 国际合作：太空是全球公域，解决太空垃圾问题需要所有航天国家之间的合作。制定减少和清除太空垃圾标准的国际协议和政策对于防止太空垃圾进一步堆积至关重要。
• 主动碎片清除 (ADR)：ADR 的技术进步有助于减少轨道上的碎片数量。这涉及开发能够捕获和移除太空中废弃卫星和其他物体的系统，防止它们对运行中的航天器造成危害。
• 碎片减缓措施：新卫星设计必须优先考虑减少碎片。这包括卫星任务寿命结束时的自毁机制、更好的屏蔽以及确保卫星可以安全脱离轨道的系统等功能。
• 可持续卫星运行：航天机构和私营公司必须优先考虑其卫星运营的可持续性。这包括减少无法运行的卫星数量、避免故意破坏卫星以及尽量减少太空垃圾的产生。

凯斯勒综合症是人类未来太空生活面临的最大挑战之一。如果不加以控制，地球轨道的广阔区域将无法使用，太空探索和卫星通信将变得越来越困难，甚至不可能。解决这个问题需要全球共同努力、创新技术以及对可持续太空活动的长期承诺。如果我们现在采取行动，我们就可以防止凯斯勒综合症成为现实。

太空垃圾的经济和运营成本

人们越来越认识到太空垃圾不仅是一个日益严重的环境问题，而且也是航天实体面临的重大经济和运营挑战。随着低地球轨道 (LEO) 上的垃圾数量不断增加，卫星运营商、航天机构甚至私人航天公司的财务和运营负担也越来越重。这些成本不仅限于碰撞的直接影响，还源于持续管理和减轻垃圾风险的需要。

增强防撞操作

太空垃圾带来的一个主要运营挑战是卫星运营商需要不断监测和调整航天器的轨迹以避免碰撞。在大多数活跃卫星所在的低地球轨道上，物体的飞行速度高达每小时 28,000 公里（约每小时 17,500 英里）。即使是小碎片，例如来自失效卫星或废火箭级的碎片，也可能对运行中的航天器造成严重损坏。因此，卫星运营商必须准备好定期执行防撞操作。

这些操作涉及调整卫星轨道以避免与碎片相撞，但会带来以下几项相关成本：

• 燃料消耗：每次操作都需要燃料，而燃料是卫星上的有限资源。卫星在使用寿命期间需要多次调整，这会很快耗尽燃料储备，从而限制卫星的使用寿命。这意味着卫星可能需要比原计划更早更换，从而增加维护和扩展卫星星座的成本。
• 卫星磨损加剧：卫星每次改变轨道都会给硬件和系统带来额外压力，尤其是推进和姿态控制机制。随着时间的推移，这会加速磨损，导致更频繁的维修甚至过早导致卫星故障。
• 更换卫星的成本：频繁更换卫星不仅会增加直接硬件成本，还会增加与发射和部署相关的运营费用。如果卫星因避撞操作而寿命缩短，则必须提前发射新卫星，这会增加维护卫星网络的总体财务负担。

SpaceX 的 Starlink 星座是卫星通信领域最雄心勃勃的项目之一，它清楚地表明了这一问题的规模。仅从 2022 年 12 月到 2023 年 5 月，Starlink 就必须执行超过 25,000 次防撞操作，以防止其卫星与碎片相撞。该公司计划在其全球宽带网络中部署多达 42,000 颗卫星，这进一步增加了碰撞风险和相关成本。需要执行如此多的操作，凸显了在拥挤的轨道环境中运行的挑战以及管理碎片相关风险的持续财务压力。

监测和追踪碎片

为了降低碰撞风险，卫星运营商和航天机构必须不断跟踪轨道上的碎片。这需要先进的太空监视系统，能够探测直径小至 10 厘米的物体。太空碎片的数量不断增加，意味着跟踪和管理这些碎片所需的资源正在迅速增加。

• 空间态势感知（SSA）：NASA 和欧洲航天局 (ESA) 等航天机构依靠地面传感器、雷达系统和望远镜网络来监测不断增加的太空垃圾量。这些系统生成的数据有助于预测潜在的碰撞，并让卫星运营商及时采取规避行动。然而，维护和升级这些系统的成本很高，尤其是在垃圾量增加的情况下。需要跟踪的垃圾越多，就需要越多的传感器、计算能力和人力资源来确保准确及时的预测。
• 监控基础设施的成本：需要一个强大的全球跟踪网络，这意味着政府和私人实体都必须在基础设施上投入大量资金。除了建造和维护雷达站、天文台和数据处理中心外，还需要不断升级，以确保能够探测到对运行中的航天器构成威胁的较小碎片。随着发射的卫星数量越来越多，监测碎片的财务和技术负担只会越来越大。
• 未检测到的碰撞风险：尽管 SSA 取得了进展，但始终存在着较小的碎片（小于 10 厘米）未被发现的风险。这些较小的碎片构成了太空碎片的大部分，极难追踪，但仍可能造成重大损害。无法检测到此类物体会导致未检测到碰撞的风险增加，从而使问题进一步复杂化。

政府航天机构面临财政压力

美国国家航空航天局 (NASA)、欧洲航天局 (ESA) 和其他航天组织等政府机构也未能幸免于太空垃圾带来的经济影响。虽然这些机构中的许多机构专注于太空探索和科学利用，但它们也负责维护运行中的航天器并确保其任务的安全。随着碎片数量的增加，与碎片跟踪、避免碰撞和缓解措施相关的成本也在增加。

• 增加运营预算：随着碎片数量的增加，政府机构被迫将更多预算分配给太空碎片管理。这包括用于防止碰撞的技术研发的资金，以及碎片跟踪系统和防撞机动的运营成本。例如，NASA 的轨道碎片计划办公室致力于研究如何从太空中清除碎片并防止其造成进一步危害。
• 缓解计划：NASA、ESA 和其他组织正在研究主动碎片清除 (ADR) 系统，该系统旨在捕获并移除已报废的卫星和大型碎片。然而，这些系统仍处于试验阶段，需要大量投资。ADR 技术的开发和部署可能极其昂贵，因为即使从轨道上移除一块大型碎片也可能花费数百万美元。
• 发射成本上升：随着碎片填满低地球轨道，与新航天器相撞的风险越来越令人担忧。这可能会使发射成本更高，因为需要额外的安全措施、保险，以及可能更高的有效载荷保险费。私人和政府太空任务的运营成本增加可能会导致进入太空的成本总体上升，从而影响太空产业的盈利能力。

对未来太空发展和创新的影响

太空垃圾的经济影响还对未来的太空探索、卫星网络和技术创新产生了更广泛的影响。随着处理太空垃圾的运营成本上升，启动新任务（尤其是那些依赖低地球轨道的任务）的财务可行性可能会受到质疑。公司和政府将面临越来越大的压力，需要开发减少垃圾的解决方案，这将需要对新技术和国际合作进行大量投资。

此外，太空垃圾还可能阻碍发射新型卫星，例如用于全球互联网覆盖（例如 Starlink）、地球观测和科学研究的卫星。由于与垃圾相关的风险，卫星建造、发射和运行成本不断上升，这可能会限制任务的数量，从而抑制卫星服务和太空探索的创新。

主动碎片清除 (ADR) 技术的作用

随着太空垃圾不断积累，主动碎片清除 (ADR) 技术已成为减轻碰撞风险的关键重点。ADR 涉及使用专门的航天器或机器人系统捕获并清除轨道上的报废卫星、废弃火箭级和其他碎片。通过这样做，ADR 有助于防止对运行中的卫星和太空任务造成进一步的风险。

正在开发中的 ADR 技术

目前，人们正在探索多种清除碎片的技术，其中包括：

• 渔网和鱼叉：用于捕获较大碎片。
• 机械臂：旨在物理抓取并清除轨道上的碎片。
• 太空激光器：建议将小碎片推入较低轨道，并在重返大气层时烧毁。

关键 ADR 举措

• ClearSpace 英国：专注于使用捕获机制移除废弃卫星。
• Astroscale 的 COSMIC 使命：旨在开发一种可在一次任务中清除多块碎片的航天器。
• 移除碎片：欧盟支持的一个项目，测试网、鱼叉和其他捕获太空垃圾的技术。

挑战

尽管 ADR 前景光明，但仍存在一些挑战：

• 成本高昂：所需的技术和任务的开发和运行成本很高。
• 瞄准碎片：由于速度高且物体尺寸各异，捕获轨道上的碎片十分复杂。
• 技术开发：ADR 技术仍在现实条件下进行测试和完善。

长期重要性

尽管面临挑战，ADR 对于确保太空活动的可持续性至关重要。通过清除碎片，ADR 技术有助于防止未来发生碰撞，保护运行中的卫星，并确保太空仍可用于未来的任务。尽管仍处于开发阶段，ADR 被视为长期太空安全的重要组成部分。

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防止产生新的垃圾：国际法规的作用

虽然清除现有碎片至关重要，但防止进一步堆积也同样重要。这需要全球合作，制定和执行旨在减少太空垃圾产生的法规。目前，没有一个国际机构负责监督太空垃圾管理，航天国家也未能实施有效的法规来遏制这一问题。

联合国外层空间事务办公室 (UNOOSA) 和其他国际组织已经制定了减少太空垃圾产生的指导方针，例如要求航天器在任务结束时携带足够的燃料进行脱轨机动。然而，这些指导方针不具约束力，各国和私营公司的遵守情况也大不相同。需要制定更严格的法规和国际协议，为太空垃圾制造者制定可执行的规则和惩罚措施。

太空军事化为碎片管理增加了另一层复杂性。反卫星 (ASAT) 试验是故意摧毁轨道上的卫星，是造成太空垃圾的最危险因素之一。2007 年中国进行的 ASAT 试验使跟踪碎片的数量增加了 25%，而俄罗斯 2021 年的 ASAT 试验产生了数十万个新碎片，威胁着国际空间站和其他卫星。这些行动不仅产生了更多碎片，还破坏了国际社会规范太空活动和维护环境安全的努力。

结论

低地球轨道 (LEO) 上的空间碎片问题正从一个遥远的担忧迅速演变为对当前和未来空间活动的迫在眉睫的威胁。随着太空中卫星（包括运行中的和退役的）变得越来越拥挤，发生碰撞、产生更多碎片的风险以及发生凯斯勒综合症等灾难性事件的可能性呈指数级增长。需要立即采取行动，确保太空仍可用于科学、商业和国防目的。虽然主动碎片清除 (ADR) 等技术解决方案前景广阔，但它们并不是灵丹妙药。协调一致的国际做法，以及严格的法规和政府、机构和私营部门之间的积极合作，对于可持续的空间环境至关重要。

此外，虽然清除现有碎片至关重要，但重点还必须转移到防止进一步产生碎片。这包括改进卫星设计、制定管理卫星报废程序的法规，以及减少增加轨道污染的太空军事化。只有采取结合预防、缓解和积极清理的平衡方法，我们才能确保太空探索和利用的长期可行性。

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