现状

自 1957 年斯普特尼克 1 号入轨以来，人类在轨道上留下了大量废弃物。

空间碎片（Space Debris / Orbital Debris）包括：

  • 失效的卫星；
  • 火箭残骸（用完的上面级）；
  • 任务遗弃物（螺栓、盖板、镜头盖、工具）；
  • 解体碎片（碰撞或爆炸产生）；
  • 固体火箭的排放物（如氧化铝颗粒、熔渣）。

数量级（各机构的估计口径不同，以下为常见的公开统计范围）：

  • 可编目的、被持续跟踪的（通常大于 10 厘米）：约 3 万多个；
  • 1–10 厘米（可造成严重破坏但难以跟踪）：估计约 数十万至上百万；
  • 1 毫米—1 厘米（数量最多，可损坏设备）：估计达上亿。

注意：这些都是估计值，且不同机构、不同年份的统计口径和更新频率不同——引用时应说明来源和时点。

为什么危险：速度

关键数字：在近地轨道，物体的轨道速度约 7.8 km/s（约 2.8 万公里/小时）。

碰撞的相对速度（如果方向相反）可达 15 km/s ——约 5.4 万公里/小时。

在这个速度下：

  • 动能 ∝ v²，因此质量极小的碎片也有巨大的破坏力；
  • 一颗 1 厘米的碎片，其撞击能量大致相当于一颗手榴弹，足以击穿航天器的外壳；
  • 一颗 1 毫米的碎片，可能损坏太阳翼、光学设备、或穿透部分航天服。

因此：即使是"很小"的碎片，也不能靠装甲硬抗——对于毫米级以上碎片，主要的防护手段是：

惠普尔防护罩（Whipple Shield）：在外壳外一定距离处设置一层薄板。碎片先撞穿薄板并汽化成粒子云，粒子云扩散后再撞击主结构，能量被分散。

国际空间站就大量使用了这种防护，并设计了"避难舱段"，在预警时航天员可以撤离到防护更强的区域。

凯斯勒综合征

提出：1978 年，NASA 科学家 Donald Kessler 与 Burton Cour-Palais 提出。

核心观点：当近地轨道的碎片密度达到某个临界值后，碰撞产生的碎片会引发更多碰撞，形成自我维持的级联效应——即使停止一切发射，碎片数量仍会持续增加。

这可能使某些轨道高度在数十年到数百年内变得不可用。

评估现状：

  • 学界普遍认为，某些高度（如 800–1000 公里的太阳同步轨道，那里集中了大量遥感卫星和废弃的火箭级）可能已经接近或达到这一临界状态；
  • 但凯斯勒综合征的时间尺度和严重程度仍有很大不确定性——它是一个渐变过程，而非突然的"关门"。

这是"公地悲剧"的一个典型例子（前文提到过）。

分布

最拥挤的区域：

  • 600–1000 公里：低地轨道（LEO）的核心区域，国际空间站、星链等星座、大量遥感卫星都在这里；
  • 约 800 公里：密集的太阳同步轨道；
  • 地球同步轨道（GEO，约 35786 公里）：虽然空间大得多，但可用的"槽位"有限，且那里的碎片不会自然衰减（没有大气阻力），会永久滞留。

减缓措施

一、减少产生（最重要）

  • 钝化（Passivation）：任务结束后排空剩余燃料、释放压力容器、放电电池——防止在轨爆炸（在轨解体是碎片的最大来源之一）；
  • 避免反卫星试验（动能反卫星试验会产生大量碎片——这类事件曾引发国际社会的广泛批评）；
  • 减少任务遗弃物。

二、任务后处置

"25 年规则"：国际通行的准则是，低地轨道的航天器应在任务结束后 25 年内再入大气层销毁。

实践：

  • 低轨卫星在寿命末期主动离轨（减速，进入衰减轨道）；
  • GEO 卫星（无法衰减）被推入更高的"墓地轨道"（graveyard orbit）——比 GEO 高约 300 公里，避免占用宝贵的位置。

近年趋势：随着大型星座（如星链）的部署，25 年规则被认为不够严格——美国 FCC 等监管机构已将 LEO 卫星的离轨期限缩短到 5 年。

三、主动清理（Active Debris Removal, ADR）

这是当前的技术前沿，尚在验证阶段：

  • 网捕/鱼叉：捕获大型废弃卫星；
  • 机械臂：如 ESA 计划的 ClearSpace-1；
  • 拖曳帆：给废弃卫星加装大面积帆，利用稀薄大气加速其衰减；
  • 激光推移：用地面激光烧蚀碎片表面，产生微小推力改变其轨道。

挑战：

  • 成本高昂（清理单个目标的成本可能高达数千万美元）；
  • 法律和责任的复杂性：你不能随便"捡"别人的卫星——它仍然是原所有国的财产（涉及《外空条约》的规定）；
  • 需要国际合作。

四、跟踪与规避

  • 地面的雷达和光学跟踪网络持续监测可编目的碎片；
  • conjunction assessment：当预测到碰撞概率超过阈值（如万分之一）时，航天器执行规避机动。

国际空间站每年需要进行数次规避机动。

一个务实的观察

主动清理在技术上和经济上都很困难，因此当前最有效的手段依然是"不再制造新的垃圾"。

这需要的不是技术突破，而是规则、监管和国际协作——而这往往比技术更难。

说明：本文为航天环境的知识整理，具体数字请查阅各航天机构的最新统计。