現(xiàn)有技術(shù)能否應(yīng)對(duì)當(dāng)前失控的軌道碎片問題？

大多數(shù)衛(wèi)星所運(yùn)行的近地軌道已淪為金屬殘片和失控碎片的漩渦場(chǎng)。

任何在軌道部署裝備或派遣宇航員的機(jī)構(gòu)都深諳應(yīng)對(duì)流程。軌道碰撞預(yù)警永無止境。無論是已失效的衛(wèi)星，還是早已破碎的太陽能板玻璃碎片，環(huán)繞地球的每個(gè)物體都可能成為致命發(fā)射物。幾乎所有太空垃圾的速度都是步槍子彈的至少8倍，撞擊時(shí)足以造成嚴(yán)重?fù)p失。僅2025年上半年，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的星鏈衛(wèi)星就進(jìn)行了144404次可能的碎片規(guī)避，相當(dāng)于在連續(xù)6個(gè)月的時(shí)間里，每2分鐘進(jìn)行一次碰撞預(yù)警，晝夜不停。這一頻率是前6個(gè)月的3倍。更嚴(yán)峻的是，軌道垃圾數(shù)量正逐漸超越衛(wèi)星避險(xiǎn)能力的極限。每次碰撞又會(huì)產(chǎn)生更多新碎片，引發(fā)的連鎖反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致近地軌道逐漸演變?yōu)槲ｋU(xiǎn)地帶。

對(duì)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商而言，通信突然中斷可能是第一個(gè)警報(bào)。如今精確協(xié)調(diào)推進(jìn)器點(diǎn)火時(shí)序的地面站人員，未來要在其監(jiān)測(cè)設(shè)備中面對(duì)更加混亂、充滿障礙的軌道和越來越大的碎片場(chǎng)。全球通信線路和數(shù)據(jù)傳輸將頻繁中斷，不僅會(huì)引發(fā)地面運(yùn)轉(zhuǎn)混亂，更危及航空安全。隨著危機(jī)逐漸發(fā)酵，衛(wèi)星星座會(huì)因頻繁變軌而耗盡燃料儲(chǔ)備。而當(dāng)下燃料耗盡的航空器未來會(huì)成為超高速翻滾碎片的新源頭。

這種末日般的情景被稱為“凱斯勒現(xiàn)象”，得名于美國(guó)天體物理學(xué)家唐納德·凱斯勒（Donald Kessler）。早在1976年，他就在美國(guó)國(guó)家航空航天局首次發(fā)出了關(guān)于軌道碎片失控的預(yù)警。如今，隨著太空垃圾問題急劇惡化，技術(shù)應(yīng)對(duì)方案也在加速推出。正在醞釀的解決方案包括高精度軌道追蹤、人工智能驅(qū)動(dòng)的星座管理，以及新興的“主動(dòng)碎片清理”機(jī)器人技術(shù)。最后一項(xiàng)技術(shù)需要將配備機(jī)械爪或其他衛(wèi)星捕獲裝置的專用航天器送入軌道，鎖定并抓取軌道中的碎片。然后，清理航天器會(huì)將太空垃圾重新引導(dǎo)至大氣層，讓未燃盡的殘骸最終墜入海洋。

面對(duì)如此艱巨的任務(wù)，單純依靠技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。碎片增長(zhǎng)速度非?？臁？赡苄枰ㄟ^國(guó)際條約和政府法規(guī)將軌道劃分為全球共管的資源，就像無線電頻譜那樣。正如凱斯勒本人所言，太空環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，有時(shí)甚至復(fù)雜得令人沮喪。

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在早期階段，這種挫敗感主要源自航天界意識(shí)到了眼前的危機(jī)。20世紀(jì)70年代初，近地軌道還保持著原始狀態(tài)時(shí)，凱斯勒已是美國(guó)國(guó)家航空航天局的中生代科學(xué)家，曾為阿波羅計(jì)劃和太空實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃立下汗馬功勞。正如其同事、美國(guó)國(guó)家航空航天局科學(xué)家伯頓·庫爾-帕萊（Burton Cour-Palais）在其2004年的口述史中所言，凱斯勒“不斷提出軌道碎片問題，但高層領(lǐng)導(dǎo)根本沒興趣了解”。

庫爾-帕萊還回憶道，當(dāng)時(shí)有人讓他勸凱斯勒“提解決方案，不要提問題”。所幸二人都未受這種態(tài)度的影響。

1978年6月，《地球物理學(xué)研究雜志》發(fā)表了凱斯勒和庫爾-帕萊的聯(lián)合論文，他們指出，由失效的衛(wèi)星、碰撞碎片和其他太空殘骸構(gòu)成的垃圾帶迅速增長(zhǎng)，可能“成為下個(gè)世紀(jì)的重大問題”。這一預(yù)言成為了現(xiàn)實(shí)。2025年4月，凱斯勒與英國(guó)伯明翰大學(xué)的航天學(xué)教授休·劉易斯（Hugh Lewis）公布了他們的最新模型，表明在大多數(shù)近地衛(wèi)星所運(yùn)行的400至1000千米區(qū)域，太空垃圾已處于不穩(wěn)定狀態(tài)。而且研究人員發(fā)現(xiàn)，520至1000千米區(qū)域的碎片密度已達(dá)到或接近可能引發(fā)連鎖反應(yīng)的臨界值。

在分享給《科技縱覽》的一份內(nèi)部報(bào)告中，撰寫該報(bào)告的加州門洛帕克LeoLabs公司的分析師將該問題劃分為“凱斯勒現(xiàn)象的4個(gè)波次”。報(bào)告指出，前三波可能已經(jīng)開始。第一波是微小的鋼屑和玻璃屑等不可追蹤物撞擊已停止工作的可追蹤物體；第二波是不可追蹤物體影響在軌衛(wèi)星并引發(fā)故障；第三波是可追蹤物體相互碰撞形成碎片云。第四波將是兩個(gè)大型碎片相撞引發(fā)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，目前尚未發(fā)生。LeoLabs的觀測(cè)和模型顯示，衛(wèi)星以及國(guó)際空間站和中國(guó)天宮空間站等航天器面臨的避撞操作尚在可控范圍，但僅就當(dāng)下而言。

報(bào)告總結(jié)稱：“據(jù)推測(cè)，現(xiàn)役衛(wèi)星將規(guī)避與可追蹤物體發(fā)生災(zāi)難性碰撞?！?/p>

不過，總部位于瑞士洛桑的初創(chuàng)公司ClearSpace的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官盧克·皮蓋（Luc Piguet）指出，現(xiàn)役衛(wèi)星面臨的挑戰(zhàn)真實(shí)存在且日益嚴(yán)峻?！皠P斯勒現(xiàn)象是一種緩慢蔓延的效應(yīng)，若它開始加速，一切都將為時(shí)已晚?！彼硎?， “凱斯勒現(xiàn)象正在成為現(xiàn)實(shí)?！?/p>

LeoLabs公司的高級(jí)技術(shù)研究員達(dá)倫·麥肯奈（Darren McKnight）表示，該問題可進(jìn)一步劃分為多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。這家機(jī)構(gòu)可為私營(yíng)客戶和政府部門提供高精度碎片追蹤服務(wù)。

“某些高度層已經(jīng)超過了凱斯勒現(xiàn)象的閾值?！丙溈夏沃赋觥＠缭?75、840和975千米高度，碰撞風(fēng)險(xiǎn)正在急劇攀升（參見圖表“近地軌道風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)域”）。

“我們最終將面臨一種局面，那就是某些常用軌道的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)極高，以致于其收益無法抵消成本和風(fēng)險(xiǎn)。”麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室太空賦能研究組（Space Enabled Research Group）的負(fù)責(zé)人丹妮爾·伍德（Danielle Wood）坦言。

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歐洲航天局（ESA）的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前環(huán)繞地球的人造物體總質(zhì)量已達(dá)1450萬千克。相較兩年前的1100萬千克和2020年的890萬千克，過去5年間的增幅高達(dá)63%。

麥肯奈指出，將特定軌道內(nèi)的物體總質(zhì)量除以其軌道空間體積，就能清晰地了解凱斯勒問題的嚴(yán)重性。軌道中的質(zhì)量密度（即每立方千米的質(zhì)量）不僅能預(yù)示碰撞概率，還能體現(xiàn)碰撞后果的嚴(yán)重程度。兩個(gè)小型物體相撞產(chǎn)生的碎片量遠(yuǎn)不及兩個(gè)大型物體碰撞。換言之，軌道中物質(zhì)密度越大，讓衛(wèi)星維持在該軌道的風(fēng)險(xiǎn)就越大。“每立方千米的質(zhì)量代表了碎片生成的可能性。”麥肯奈說，精準(zhǔn)掌握近地軌道各區(qū)域的該數(shù)據(jù)具有重大意義。

不過，太空可持續(xù)性全球網(wǎng)絡(luò)主席凱瑟琳·考特尼（Katherine Courtney）表示，如今要掌握所有軌道物體的位置非常困難。她解釋道：“大多數(shù)碰撞風(fēng)險(xiǎn)管理模型都是基于核心群體數(shù)據(jù)，但該數(shù)據(jù)中缺失所有微小物體的信息?！笨继啬嵫a(bǔ)充說，大量小型太空垃圾（其中大部分無法在地面上追蹤）目前僅能通過既往的觀測(cè)數(shù)據(jù)來推算。

美國(guó)馬薩諸塞州劍橋市哈佛-史密松天體物理中心的天體物理學(xué)家和太空史學(xué)家喬納森·麥克道爾（Jonathan McDowell）進(jìn)一步指出，一旦軌道中的物體消失，將引發(fā)更復(fù)雜的問題。這些消失的物體與其他碎片的碰撞完全可能將其副產(chǎn)品拋射至其他軌道。

“現(xiàn)役衛(wèi)星都運(yùn)行在規(guī)整的環(huán)形軌道上，”麥克道爾說，“而碰撞碎片會(huì)橫穿多條軌道，影響范圍更大?！?/p>

得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校航空航天工程與工程力學(xué)教授莫里巴·賈（Moriba Jah）說，問題日益嚴(yán)峻，當(dāng)前亟需徹底重新思考。

“我并不認(rèn)同凱斯勒現(xiàn)象的論述?！辟Z表示，“我并不是否認(rèn)連鎖碰撞可能發(fā)生，而是說這個(gè)框架過度簡(jiǎn)化了問題，未能提供管理系統(tǒng)或推動(dòng)系統(tǒng)演化的方法?！?/p>

賈表示，應(yīng)關(guān)注他稱為“軌道承載能力”的參數(shù)?！皬慕Y(jié)果倒推可知，當(dāng)我們無法再做出決策來規(guī)避損害時(shí)，就意味著承載能力已耗盡。因此我認(rèn)為，危機(jī)征兆不僅體現(xiàn)為物體發(fā)生碰撞，也包括因頻繁規(guī)避碰撞而消耗過多燃料，導(dǎo)致無法完成既定任務(wù)?！?/p>

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正如2024年12月至2025年5月間SpaceX的144404次規(guī)避所證明的，星鏈星座規(guī)避太空垃圾的能力十分驚人。

“星鏈?zhǔn)莻€(gè)卓越的星座系統(tǒng)?！丙溈夏握f，“它們就像在高速公路上謹(jǐn)慎駕駛的老年人，不斷點(diǎn)剎，避開所有潛在危險(xiǎn)?！?/p>

不過，星鏈的公開記錄也表明了軌道碰撞風(fēng)險(xiǎn)正在快速提高。該公司披露的數(shù)據(jù)顯示，自2020年以來，該星座為了避免與軌道中的物體碰撞而實(shí)施的規(guī)避次數(shù)增加了22倍。

如今，各運(yùn)營(yíng)商都在頻繁執(zhí)行規(guī)避操作。

“規(guī)避碰撞已成為每家運(yùn)營(yíng)商的標(biāo)準(zhǔn)操作?！睔W洲航天局太空碎片辦公室主任蒂姆·弗洛雷（Tim Flohrer）說。

“我們希望維持正常運(yùn)營(yíng)、保持各方通信協(xié)調(diào)，”美國(guó)航空航天公司（位于弗吉尼亞州尚蒂利）的技術(shù)研究員馬龍·索格（Marlon Sorge）表示，“同時(shí)避免制造更多無法與之通信的太空垃圾?！?/p>

太空垃圾并非唯一“無法與之通信”的物體。“超過半數(shù)的未識(shí)別物體是中國(guó)的衛(wèi)星?！碧湛沙掷m(xù)性全球網(wǎng)絡(luò)主席考特尼說，“這些是仍在運(yùn)行的衛(wèi)星，只是未顯示為可識(shí)別物體。”

已追蹤的碎片、無法追蹤的微小碎片，以及無法與之通信的大型物體，所有這些共同構(gòu)成了日益嚴(yán)峻的太空難題。

“每次碰撞規(guī)避動(dòng)作都是個(gè)負(fù)擔(dān)，”歐洲航天局太空安全辦公室主任霍格爾·克拉格（Holger Krag）說，“因?yàn)檫@不僅消耗燃料，還需要大量準(zhǔn)備工作。我們必須預(yù)約地面站通信頻段，這需要資金。有時(shí)我們甚至不得不中斷科學(xué)數(shù)據(jù)采集，還要配備全天候待命的專家團(tuán)隊(duì)?！?/p>

那么，誰或者什么能阻止凱斯勒現(xiàn)象不斷加速惡化？人工智能幾乎是毫無爭(zhēng)議的答案。

包括小型衛(wèi)星初創(chuàng)公司和大型國(guó)家級(jí)航天計(jì)劃在內(nèi)的許多近地軌道主要參與者都在測(cè)試和開發(fā)人工智能星座管理系統(tǒng)。事實(shí)證明，機(jī)器學(xué)習(xí)算法正日益精準(zhǔn)地發(fā)布碰撞預(yù)警、執(zhí)行自動(dòng)化決策，并能提升小型物體探測(cè)的分辨率，可識(shí)別非人工智能追蹤技術(shù)無法捕捉的微小軌道物體。一些企業(yè)和研究團(tuán)隊(duì)還在開發(fā)不僅能應(yīng)對(duì)問題、更能超前布局的人工智能工具，利用人工智能優(yōu)化燃料使用，維持理想的低電池能耗衛(wèi)星配置，以及簡(jiǎn)化信號(hào)傳輸。

然而，即使人工智能智慧超群，仍無法清理最棘手的軌道威脅。因此，一些企業(yè)正將凱斯勒問題定位為“清理”而非“規(guī)避”的課題。

多家初創(chuàng)企業(yè)正積極研發(fā)技術(shù)來清理極其危險(xiǎn)的軌道物體，包括失效的火箭末級(jí)、報(bào)廢衛(wèi)星、碰撞碎片云，以及太空競(jìng)賽時(shí)期的遺留物。

“當(dāng)前可用的碎片清理技術(shù)主要針對(duì)大型碎片?！比毡緰|京Astroscale公司的商業(yè)總監(jiān)安德魯·法奧拉（Andrew Faiola）指出，“我們正在完善相關(guān)能力，以高效、安全、可靠地清理大型碎片。”

Astroscale和ClearSpace計(jì)劃在未來幾年內(nèi)發(fā)射航天器，分別以老舊的Eutelsat OneWeb衛(wèi)星和歐洲航天局的PROBA-1衛(wèi)星為目標(biāo)開展典型清理任務(wù)。

“必須實(shí)現(xiàn)受控進(jìn)入?！盋learSpace的皮蓋強(qiáng)調(diào)，“這意味著要將衛(wèi)星推至南太平洋的尼莫點(diǎn)，那里沒有航線和地面交通，島嶼上也無人居住。”

理想情況下，結(jié)合使用智能星座管理、主動(dòng)碰撞規(guī)避和主動(dòng)清理等措施，近地軌道將逐漸變成受監(jiān)管的規(guī)范化空間，類似于現(xiàn)今大都市上空的管制空域。

“這與空中交通管制相似?！狈▕W拉解釋道，“隨著技術(shù)進(jìn)步，飛機(jī)的飛行間距更緊湊?？沼蛉匀槐３植蛔?，但借助更好的可見性和態(tài)勢(shì)感知能力，就能更安全地容納更多飛機(jī)。太空領(lǐng)域亦是如此?！?/p>

4

未來，也許空間技術(shù)能解決凱斯勒問題。

正在重構(gòu)的國(guó)際太空協(xié)定和法律體系也將作為技術(shù)創(chuàng)新的補(bǔ)充，因?yàn)楝F(xiàn)有太空法律標(biāo)準(zhǔn)大多制定于數(shù)十年前，那時(shí)的近地軌道環(huán)境與當(dāng)今截然不同。

例如，根據(jù)1967年《外層空間條約》和1972年《空間物體造成損害的國(guó)際責(zé)任公約》，即使是太空中無法追蹤的金屬碎片，在法律上也歸屬其發(fā)射國(guó)所有。這無疑表明，如果其他國(guó)家要從軌道中清除這些碎片，可能需要先獲得該國(guó)的許可。

“太空不存在國(guó)界線，”法奧拉指出，“但每個(gè)編入目錄的物體都有其所有者。未經(jīng)許可，任何人不得接觸他人資產(chǎn)?！?/p>

2025年8月，日本宣布將針對(duì)太空垃圾清理問題建立本國(guó)的法律框架；11月，聯(lián)合國(guó)外層空間事務(wù)廳將在維也納舉辦太空法會(huì)議，專門探討這類問題。

國(guó)際協(xié)議還需要其他方面的革新。多位接受《科技縱覽》采訪的太空專家主張?jiān)鲈O(shè)新規(guī)，防止軌道進(jìn)一步擁堵。

“必須通過國(guó)際協(xié)調(diào)協(xié)議來規(guī)定軌道分配方案和可以在軌道中運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量?！笔访芩商祗w物理中心的麥克道爾說。

考特尼的構(gòu)想是建立一個(gè)全球太空指揮網(wǎng)絡(luò)?！拔覀儽仨氃O(shè)計(jì)一套解決方案來支持持續(xù)發(fā)展?！彼赋?，“我們需要建立一個(gè)全球太空交通協(xié)調(diào)體系?！?/p>

得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的賈主張最終將軌道空間恢復(fù)為其最初狀態(tài)，即他所稱的“可持續(xù)性公域”。他提出，新的參與者（無論是企業(yè)還是國(guó)家航天機(jī)構(gòu)）希望將物體送入特定軌道時(shí)，這一新的軌道資產(chǎn)應(yīng)被錄入某種大型登記系統(tǒng)。

“如果其他國(guó)家希望進(jìn)入該軌道，應(yīng)通過公平的方式共享該軌道的承載容量?！彼f。

賈補(bǔ)充道，當(dāng)今的火箭、衛(wèi)星和發(fā)射系統(tǒng)仍延續(xù)著太空競(jìng)賽時(shí)代的設(shè)計(jì)理念，將軌道空間視為無限的垃圾場(chǎng)?！澳壳?，我們發(fā)射到軌道中的每個(gè)物體都相當(dāng)于一次性塑料制品?！辟Z說，“我們必須投資研發(fā)可重復(fù)使用和可回收的衛(wèi)星。”

考特尼稱，即使地球的凱斯勒難題得以解決，其他星球和衛(wèi)星也可能發(fā)生同樣的問題?！拔覀儞?dān)憂近地軌道危機(jī)，也不要忽略月球和火星上的商業(yè)活動(dòng)和大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)?！彼f。

“我們沒有針對(duì)地月空間的交通協(xié)調(diào)方案，而這里新一輪的競(jìng)賽才剛剛開始。”考特尼說，“人類向太陽系拓展的同時(shí)，也在將這些難題帶向更遙遠(yuǎn)的太空。”

>End

本文轉(zhuǎn)載自“悅智網(wǎng)”，原標(biāo)題《近地軌道中的太空垃圾正在不斷堆積》。

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