莫让致命“碎片云”包围地球！数十亿太空垃圾如何治？有多难？

在“天宫”多停留了9天后，神舟二十号航天员乘组临时改乘神舟二十一号载人飞船，于11月14日顺利返回地面。“借船”回家，这在中国航天史上还是头一回。

这是因为已发现“神二十”载人飞船疑似遭到了空间微小碎片撞击，无法满足载人安全返回的放行条件。经综合评估，为保证航天员的安全，决定实施“临时改乘”方案，神舟二十号载人飞船则继续留轨开展相关试验。

太空垃圾示意图（图/视觉中国）

自人类开展太空活动以来，已在地球周遭空间产生了大量尺寸不一的空间碎片。由于它们飞行速度极快，即使个头再小，也可能给在轨工作的航天器带来不可预测的威胁。就像这次，区区1毫米的空间微小碎片，直接导致了一次太空之旅的延误。

不过，人们已经注意到空间碎片带来的危害，开始想办法减少此类太空垃圾的产生，同时也在积极寻找清除它们的办法。

一旦形成“碎片云”，将彻底阻断航天路

空间碎片也叫太空垃圾，指的是在地球轨道上运行的各种人造物体的碎片。由于空间碎片飞行速度很快，它们会对在轨运行的航天器产生巨大危害，甚至威胁到航天员的生命安全。

随着人类发射的航天器越来越多，空间碎片也相应增加。据统计，目前至少有超过3000吨的空间碎片绕着地球飞奔，且数量正以每年2%至5%的速度增加。例如，2024年10月19日，国际通信卫星IS-33E在地球静止轨道上发生意外解体，给地球同步轨道区域新增了至少500块空间碎片。

空间碎片数量以每年2%-5%的速度增加。

由于空间碎片运动速度普遍在7—10千米/秒，而破坏力与速度的平方成正比，因此哪怕一个仅10克重的空间碎片，其太空撞击能量不亚于一辆时速100千米的小汽车。当空间碎片的能量足够大时，不仅会改变航天器轨道或打散其整个结构，甚至可导致航天器爆炸。

一般而言，毫米级碎片会划伤航天器舷窗、太阳翼，导致透光率下降或供电效率受损。厘米级碎片可直接穿透航天器外壳，击穿燃料箱、管线等关键部件，引发泄漏或爆炸；即使未完全穿透，其撞击产生的冲击波也可能震坏内部精密仪器，导致导航、通信等系统失灵。

空间碎片曾给国际空间站（ISS）留下多道“伤痕”。2016年，直径几微米的金属碎屑在其舷窗上留下直径7毫米的撞击坑；2021年，一块不在监控范围内的空间碎片击中ISS上的加拿大机械臂二号，留下一个直径近10毫米的穿孔；2022年，停靠于ISS的联盟MS-22飞船外壳出现一个0.8毫米的小孔，导致44公斤冷却剂泄漏。

空间碎片更是时刻威胁着航天员的安全。在太空行走时，航天员对微小空间碎片几乎没有防护能力——即使是0.1毫米的超细空间碎片，也可能穿透航天服的防护层，使航天员受伤。若航天器因空间碎片撞击失压，也会直接威胁到舱内航天员的生命安全。

如今，空间碎片的数量已十分庞大，达到数十亿量级。当低地球轨道空间碎片密度达到临界值时，一次空间碎片撞击产生的新碎片会引发更多撞击，形成多米诺骨牌效应。最终，空间碎片可能在轨道上形成一层“碎片云”，彻底阻断人类进入太空或使用卫星的通道，这将是长期灾难性的影响。

此外，当空间碎片再入大气层时，如果没被烧毁，还会对地面的生命财产安全构成严重威胁。比如，上世纪七八十年代，苏联核动力卫星就曾因失控坠毁在加拿大，引发巨大恐慌。美国“天空实验室”空间站也曾因失控坠毁砸坏地面居民的房子。

预留“太空垃圾桶”，设定“航天器坟场”

人造地球卫星、空间站等航天器，在寿终正寝或中途夭折后，就会变成太空垃圾。2009年2月10日，俄罗斯2251号卫星与美国铱星33号卫星以每秒11.64千米的相对速度碰撞，产生了2201个能够被监测编目的空间碎片。

一般来说，距地300千米的空间碎片寿命约为一年，到了600千米高度就会飞上几十年，4000千米以上则要飞上千年，再高的空间碎片几乎会永远飞下去。

所以，妥善处理废旧航天器十分重要。废旧航天器通常分为可控和不可控两大类，根据轨道高低、航天器大小等采用不同方式处置。

当高轨运行的卫星出现故障或寿命到期时，一般通过遥控卫星上的发动机，使其变轨到更高的无用轨道上。这一方面因为地球静止轨道资源宝贵，已“星”满为患，必须让废旧卫星腾出空地；另一方面，废旧卫星已成为空间碎片，必须将其存放到一个安全位置，不对其它航天器造成威胁。

不过，遥控卫星变轨的前提条件是卫星能够受控，并有多余燃料。SpaceX号称为其上万颗“星链”卫星装备了电推发动机，寿命到期后能主动降低轨道以更快再入大气层，满足25年内再入大气层的规定。但是，2019年9月2日，欧洲航天局的“风神”卫星就曾为避免与一颗“星链”卫星相撞，而实施了一次机动避障。

“国际空间站”加拿大机械臂二号遭空间碎片撞击。

当低轨运行的航天器报废，对于小型航天器，一般可任其在大气阻力下自行降低轨道，最终再入大气层烧毁；而大型航天器的最佳处理方式则是通过地面遥控，使它坠毁在无人区。例如，17吨的美国“康普顿”γ射线空间望远镜、上百吨的俄罗斯和平号空间站，均通过人工控制，最终坠毁到南太平洋的“航天器坟场”。货运飞船绝大部分器件会在再入大气层的过程中烧蚀销毁，少量残骸落入南太平洋预定安全海域，我国“天舟”系列、俄罗斯“进步”系列等货运飞船均是如此处理。不过，对于低轨运行且失控的大型航天器，目前还没有成功回收的经验。

建立太空“交规”，预防“凯斯勒综合征”

当近地轨道的空间碎片超过一定数量，容易发生类似多米诺骨牌的连环碰撞事件，形成恶性循环，导致空间碎片多到无法跟踪，这种现象称为“凯斯勒综合征”。为此，人类需要采取空间碎片减缓措施，如建立跟踪预警机制、限制新碎片产生、主动移除轨道上的碎片、加强国际立法等。

目前，对付空间碎片最有效的方法是尽量减少其产生的数量，具体措施包括消能、系留和设置垃圾轨道等。同时，空间技术专家还在研究运载火箭和某些航天器的重复使用。美国已成功发射了可部分重复使用的火箭和飞船，正在研制可重复使用的“星舰”重型火箭和飞船。各国也在使用或研究在轨维修卫星、在轨加注燃料等技术，以减少废旧航天器数量。

我国天宫一号目标飞行器、二号空间实验室前面的密封实验舱侧壁装有特殊的防护板，相当于给它穿防弹衣。自身有2～3毫米厚的金属外衣。

减少空间碎片还需制定相关太空法律法规。1995年6月，中国国家航天局正式加入“机构间空间碎片协调委员会”，与各国共同探讨减少空间碎片的途径和办法，该委员会是目前研究和协调空间碎片的唯一国际组织。

近年来，小卫星的飞速发展，使空间飞行物数量猛增，其中不少卫星因功能低、寿命短，产生大量空间碎片。因此，小卫星立法已成为当前国际外空领域关注的热点问题，有关国际机构正在研究针对小卫星管理的空间交通管理规则，这是解决小卫星在轨运行安全的根本途径。

对于已有空间碎片究竟该如何应对？现在，人类已可对大于10厘米的空间碎片进行监测，在它们与正常工作的航天器发生碰撞前，通知航天器“躲避”。2021年，“天宫”曾为躲避美国“星链”卫星进行过两次紧急变轨。

预报空间碎片撞击风险的技术有多种，主要分为光学观测和雷达监测两大类。前者可分辨直径10微米以上的微小碎片；后者具有全天候、远距离探测能力，如美国的空间监视网络可探测到直径大于10厘米的碎片。此外，激光雷达、多传感器融合、天基太空监视系统卫星等新技术也在用于这一领域。

事实上，所有航天器都可采用屏蔽防护结构来对付0.1—1厘米的碎片，但要对付1—10厘米的碎片则需通过特殊设计来实现。目前，我国航天员乘组已为“天宫”安装了多个空间碎片防护装置，它能抵御个头不足1厘米、很难被监测到的巨量微小碎片。而一旦空间站出现5毫米的漏孔，天宫一号、二号可在约80分钟内维持舱压不小于70千帕，从而给航天员留出逃生时间。

对于无法躲避且难以对抗的空间碎片撞击，只能实施在轨维修。据中国空间站专家的公开介绍，中国空间站在任务级安全措施上考虑了多重故障下的最坏情况，例如“神舟”飞船采用“备一打一”的滚动备份方式，始终保持每一次任务均有托底。

清除太空垃圾，更多新技术在路上

目前，空间碎片防控已成为航天器设计的核心理念之一，通过优化结构、采用防爆燃料贮箱、减少外露部件等方法，可从源头上减少空间碎片产生。而在治理现有空间碎片方面，不少国家已在积极尝试机械臂捕获、太空拖网等新方法。

2016年6月，我国在长征七号火箭首次发射时，就曾将遨龙1号试验载荷送入轨道，首次在世界上进行了空间碎片主动离轨试验。它用一台自带机械臂模拟抓取空间碎片，为未来空间环境治理机器人等验证清除空间碎片的关键技术。

日本则在研究电动系链系统移除技术。它适用于移除大型空间碎片，可装在货运飞船上，一旦系链发现目标，可依靠导航卫星逐渐靠近并抓取空间碎片。有专家认为，该技术难度较大、成本不低，且效率不高。

2028年，欧洲航天局计划发射世界第一个在轨移除空间碎片任务——太空清洁一号航天器。这是一种新型四臂垃圾收集机器人，重量不到400千克，其体外装有一个网状或机器触角状的特殊设备，可抓住并抱紧空间碎片。它将在600多千米轨道上捕获“织女星二次有效载荷适配器”，最终将其拖入大气层烧毁。如果上述试验获得成功，将为未来在轨移除空间碎片任务铺平道路。

太空清洁一号示意图

上述尝试均采用交会捕捉移除技术来抓捕空间碎片，该方法技术成熟、可靠，但成本较高。因此，各国还在尝试用激光烧蚀、离子束偏转、电磁吸附清除等技术来清除空间碎片。

烧毁是用大功率激光照射空间碎片，使其粉碎成微粒后从轨道上迅速衰落，或将小型太空垃圾直接烧毁汽化。但此法容易引起太空战争。

脱轨则是通过空间碎片自身推进、增加大气阻力（如大面积帆板或充气伞）或利用太阳光压等方法降低其速度，使其脱离原来的运行轨道，坠入大气层烧毁或转移到一条短寿命轨道上去。

激光主动移除技术则通过高能脉冲激光束照射空间碎片表面，通过外喷等离子体的反向作用力降低空间碎片速度。此技术满足主动移除空间碎片技术的各项要求，前景广阔，现正进行关键技术攻关。

移除空间碎片技术不能产生更多的空间碎片，且必须以较低成本实现。目前，大部分技术还停留在“纸上谈兵”阶段，需要较长时间的深入探索、不断试验。比如，用泡沫金属、木质材料制造航天器，使它在重返大气时能迅速彻底燃烧化成气体。

总之，空间碎片应对与防治是一项多学科综合性长期工作，未来有望形成一个新产业。

（作者为全国空间探测技术首席科学传播专家）