从"规避"到"清理"：轨道碎片的"扫把星"计划

现有技术能否应对当前失控的轨道碎片问题？

大多数卫星所运行的近地轨道已沦为金属残片和失控碎片的漩涡场。

任何在轨道部署装备或派遣宇航员的机构都深谙应对流程。轨道碰撞预警永无止境。无论是已失效的卫星，还是早已破碎的太阳能板玻璃碎片，环绕地球的每个物体都可能成为致命发射物。几乎所有太空垃圾的速度都是步枪子弹的至少8倍，撞击时足以造成严重损失。仅2025年上半年，太空探索技术公司（SpaceX）的星链卫星就进行了144404次可能的碎片规避，相当于在连续6个月的时间里，每2分钟进行一次碰撞预警，昼夜不停。这一频率是前6个月的3倍。更严峻的是，轨道垃圾数量正逐渐超越卫星避险能力的极限。每次碰撞又会产生更多新碎片，引发的连锁反应会导致近地轨道逐渐演变为危险地带。

对卫星运营商而言，通信突然中断可能是第一个警报。如今精确协调推进器点火时序的地面站人员，未来要在其监测设备中面对更加混乱、充满障碍的轨道和越来越大的碎片场。全球通信线路和数据传输将频繁中断，不仅会引发地面运转混乱，更危及航空安全。随着危机逐渐发酵，卫星星座会因频繁变轨而耗尽燃料储备。而当下燃料耗尽的航空器未来会成为超高速翻滚碎片的新源头。

这种末日般的情景被称为“凯斯勒现象”，得名于美国天体物理学家唐纳德·凯斯勒（Donald Kessler）。早在1976年，他就在美国国家航空航天局首次发出了关于轨道碎片失控的预警。如今，随着太空垃圾问题急剧恶化，技术应对方案也在加速推出。正在酝酿的解决方案包括高精度轨道追踪、人工智能驱动的星座管理，以及新兴的“主动碎片清理”机器人技术。最后一项技术需要将配备机械爪或其他卫星捕获装置的专用航天器送入轨道，锁定并抓取轨道中的碎片。然后，清理航天器会将太空垃圾重新引导至大气层，让未燃尽的残骸最终坠入海洋。

面对如此艰巨的任务，单纯依靠技术远远不够。碎片增长速度非常快。可能需要通过国际条约和政府法规将轨道划分为全球共管的资源，就像无线电频谱那样。正如凯斯勒本人所言，太空环境错综复杂，有时甚至复杂得令人沮丧。

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在早期阶段，这种挫败感主要源自航天界意识到了眼前的危机。20世纪70年代初，近地轨道还保持着原始状态时，凯斯勒已是美国国家航空航天局的中生代科学家，曾为阿波罗计划和太空实验室计划立下汗马功劳。正如其同事、美国国家航空航天局科学家伯顿·库尔-帕莱（Burton Cour-Palais）在其2004年的口述史中所言，凯斯勒“不断提出轨道碎片问题，但高层领导根本没兴趣了解”。

库尔-帕莱还回忆道，当时有人让他劝凯斯勒“提解决方案，不要提问题”。所幸二人都未受这种态度的影响。

1978年6月，《地球物理学研究杂志》发表了凯斯勒和库尔-帕莱的联合论文，他们指出，由失效的卫星、碰撞碎片和其他太空残骸构成的垃圾带迅速增长，可能“成为下个世纪的重大问题”。这一预言成为了现实。2025年4月，凯斯勒与英国伯明翰大学的航天学教授休·刘易斯（Hugh Lewis）公布了他们的最新模型，表明在大多数近地卫星所运行的400至1000千米区域，太空垃圾已处于不稳定状态。而且研究人员发现，520至1000千米区域的碎片密度已达到或接近可能引发连锁反应的临界值。

在分享给《科技纵览》的一份内部报告中，撰写该报告的加州门洛帕克LeoLabs公司的分析师将该问题划分为“凯斯勒现象的4个波次”。报告指出，前三波可能已经开始。第一波是微小的钢屑和玻璃屑等不可追踪物撞击已停止工作的可追踪物体；第二波是不可追踪物体影响在轨卫星并引发故障；第三波是可追踪物体相互碰撞形成碎片云。第四波将是两个大型碎片相撞引发的链式反应，目前尚未发生。LeoLabs的观测和模型显示，卫星以及国际空间站和中国天宫空间站等航天器面临的避撞操作尚在可控范围，但仅就当下而言。

报告总结称：“据推测，现役卫星将规避与可追踪物体发生灾难性碰撞。”

不过，总部位于瑞士洛桑的初创公司ClearSpace的联合创始人兼首席执行官卢克·皮盖（Luc Piguet）指出，现役卫星面临的挑战真实存在且日益严峻。“凯斯勒现象是一种缓慢蔓延的效应，若它开始加速，一切都将为时已晚。”他表示， “凯斯勒现象正在成为现实。”

LeoLabs公司的高级技术研究员达伦·麦肯奈（Darren McKnight）表示，该问题可进一步划分为多个风险区域。这家机构可为私营客户和政府部门提供高精度碎片追踪服务。

“某些高度层已经超过了凯斯勒现象的阈值。”麦肯奈指出。例如在775、840和975千米高度，碰撞风险正在急剧攀升（参见图表“近地轨道风险最高的区域”）。

“我们最终将面临一种局面，那就是某些常用轨道的运营风险极高，以致于其收益无法抵消成本和风险。”麻省理工学院媒体实验室太空赋能研究组（Space Enabled Research Group）的负责人丹妮尔·伍德（Danielle Wood）坦言。

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欧洲航天局（ESA）的数据显示，当前环绕地球的人造物体总质量已达1450万千克。相较两年前的1100万千克和2020年的890万千克，过去5年间的增幅高达63%。

麦肯奈指出，将特定轨道内的物体总质量除以其轨道空间体积，就能清晰地了解凯斯勒问题的严重性。轨道中的质量密度（即每立方千米的质量）不仅能预示碰撞概率，还能体现碰撞后果的严重程度。两个小型物体相撞产生的碎片量远不及两个大型物体碰撞。换言之，轨道中物质密度越大，让卫星维持在该轨道的风险就越大。“每立方千米的质量代表了碎片生成的可能性。”麦肯奈说，精准掌握近地轨道各区域的该数据具有重大意义。

不过，太空可持续性全球网络主席凯瑟琳·考特尼（Katherine Courtney）表示，如今要掌握所有轨道物体的位置非常困难。她解释道：“大多数碰撞风险管理模型都是基于核心群体数据，但该数据中缺失所有微小物体的信息。”考特尼补充说，大量小型太空垃圾（其中大部分无法在地面上追踪）目前仅能通过既往的观测数据来推算。

美国马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密松天体物理中心的天体物理学家和太空史学家乔纳森·麦克道尔（Jonathan McDowell）进一步指出，一旦轨道中的物体消失，将引发更复杂的问题。这些消失的物体与其他碎片的碰撞完全可能将其副产品抛射至其他轨道。

“现役卫星都运行在规整的环形轨道上，”麦克道尔说，“而碰撞碎片会横穿多条轨道，影响范围更大。”

得克萨斯大学奥斯汀分校航空航天工程与工程力学教授莫里巴·贾（Moriba Jah）说，问题日益严峻，当前亟需彻底重新思考。

“我并不认同凯斯勒现象的论述。”贾表示，“我并不是否认连锁碰撞可能发生，而是说这个框架过度简化了问题，未能提供管理系统或推动系统演化的方法。”

贾表示，应关注他称为“轨道承载能力”的参数。“从结果倒推可知，当我们无法再做出决策来规避损害时，就意味着承载能力已耗尽。因此我认为，危机征兆不仅体现为物体发生碰撞，也包括因频繁规避碰撞而消耗过多燃料，导致无法完成既定任务。”

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正如2024年12月至2025年5月间SpaceX的144404次规避所证明的，星链星座规避太空垃圾的能力十分惊人。

“星链是个卓越的星座系统。”麦肯奈说，“它们就像在高速公路上谨慎驾驶的老年人，不断点刹，避开所有潜在危险。”

不过，星链的公开记录也表明了轨道碰撞风险正在快速提高。该公司披露的数据显示，自2020年以来，该星座为了避免与轨道中的物体碰撞而实施的规避次数增加了22倍。

如今，各运营商都在频繁执行规避操作。

“规避碰撞已成为每家运营商的标准操作。”欧洲航天局太空碎片办公室主任蒂姆·弗洛雷（Tim Flohrer）说。

“我们希望维持正常运营、保持各方通信协调，”美国航空航天公司（位于弗吉尼亚州尚蒂利）的技术研究员马龙·索格（Marlon Sorge）表示，“同时避免制造更多无法与之通信的太空垃圾。”

太空垃圾并非唯一“无法与之通信”的物体。“超过半数的未识别物体是中国的卫星。”太空可持续性全球网络主席考特尼说，“这些是仍在运行的卫星，只是未显示为可识别物体。”

已追踪的碎片、无法追踪的微小碎片，以及无法与之通信的大型物体，所有这些共同构成了日益严峻的太空难题。

“每次碰撞规避动作都是个负担，”欧洲航天局太空安全办公室主任霍格尔·克拉格（Holger Krag）说，“因为这不仅消耗燃料，还需要大量准备工作。我们必须预约地面站通信频段，这需要资金。有时我们甚至不得不中断科学数据采集，还要配备全天候待命的专家团队。”

那么，谁或者什么能阻止凯斯勒现象不断加速恶化？人工智能几乎是毫无争议的答案。

包括小型卫星初创公司和大型国家级航天计划在内的许多近地轨道主要参与者都在测试和开发人工智能星座管理系统。事实证明，机器学习算法正日益精准地发布碰撞预警、执行自动化决策，并能提升小型物体探测的分辨率，可识别非人工智能追踪技术无法捕捉的微小轨道物体。一些企业和研究团队还在开发不仅能应对问题、更能超前布局的人工智能工具，利用人工智能优化燃料使用，维持理想的低电池能耗卫星配置，以及简化信号传输。

然而，即使人工智能智慧超群，仍无法清理最棘手的轨道威胁。因此，一些企业正将凯斯勒问题定位为“清理”而非“规避”的课题。

多家初创企业正积极研发技术来清理极其危险的轨道物体，包括失效的火箭末级、报废卫星、碰撞碎片云，以及太空竞赛时期的遗留物。

“当前可用的碎片清理技术主要针对大型碎片。”日本东京Astroscale公司的商业总监安德鲁·法奥拉（Andrew Faiola）指出，“我们正在完善相关能力，以高效、安全、可靠地清理大型碎片。”

Astroscale和ClearSpace计划在未来几年内发射航天器，分别以老旧的Eutelsat OneWeb卫星和欧洲航天局的PROBA-1卫星为目标开展典型清理任务。

“必须实现受控进入。”ClearSpace的皮盖强调，“这意味着要将卫星推至南太平洋的尼莫点，那里没有航线和地面交通，岛屿上也无人居住。”

理想情况下，结合使用智能星座管理、主动碰撞规避和主动清理等措施，近地轨道将逐渐变成受监管的规范化空间，类似于现今大都市上空的管制空域。

“这与空中交通管制相似。”法奥拉解释道，“随着技术进步，飞机的飞行间距更紧凑。空域仍然保持不变，但借助更好的可见性和态势感知能力，就能更安全地容纳更多飞机。太空领域亦是如此。”

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未来，也许空间技术能解决凯斯勒问题。

正在重构的国际太空协定和法律体系也将作为技术创新的补充，因为现有太空法律标准大多制定于数十年前，那时的近地轨道环境与当今截然不同。

例如，根据1967年《外层空间条约》和1972年《空间物体造成损害的国际责任公约》，即使是太空中无法追踪的金属碎片，在法律上也归属其发射国所有。这无疑表明，如果其他国家要从轨道中清除这些碎片，可能需要先获得该国的许可。

“太空不存在国界线，”法奥拉指出，“但每个编入目录的物体都有其所有者。未经许可，任何人不得接触他人资产。”

2025年8月，日本宣布将针对太空垃圾清理问题建立本国的法律框架；11月，联合国外层空间事务厅将在维也纳举办太空法会议，专门探讨这类问题。

国际协议还需要其他方面的革新。多位接受《科技纵览》采访的太空专家主张增设新规，防止轨道进一步拥堵。

“必须通过国际协调协议来规定轨道分配方案和可以在轨道中运行的卫星数量。”史密松天体物理中心的麦克道尔说。

考特尼的构想是建立一个全球太空指挥网络。“我们必须设计一套解决方案来支持持续发展。”她指出，“我们需要建立一个全球太空交通协调体系。”

得克萨斯大学奥斯汀分校的贾主张最终将轨道空间恢复为其最初状态，即他所称的“可持续性公域”。他提出，新的参与者（无论是企业还是国家航天机构）希望将物体送入特定轨道时，这一新的轨道资产应被录入某种大型登记系统。

“如果其他国家希望进入该轨道，应通过公平的方式共享该轨道的承载容量。”他说。

贾补充道，当今的火箭、卫星和发射系统仍延续着太空竞赛时代的设计理念，将轨道空间视为无限的垃圾场。“目前，我们发射到轨道中的每个物体都相当于一次性塑料制品。”贾说，“我们必须投资研发可重复使用和可回收的卫星。”

考特尼称，即使地球的凯斯勒难题得以解决，其他星球和卫星也可能发生同样的问题。“我们担忧近地轨道危机，也不要忽略月球和火星上的商业活动和大国竞争。”她说。

“我们没有针对地月空间的交通协调方案，而这里新一轮的竞赛才刚刚开始。”考特尼说，“人类向太阳系拓展的同时，也在将这些难题带向更遥远的太空。”

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本文转载自“悦智网”，原标题《近地轨道中的太空垃圾正在不断堆积》。

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