中國科學院紫金山天文臺 韋棟 編譯自 Margaret Harris. Physics World，2026，（5）：28

本文選自《物理》2026年第6期

現(xiàn)代生活離不開空間基礎(chǔ)設(shè)施，但在工作衛(wèi)星和空間望遠鏡周圍，還有數(shù)以百萬計的人造碎片在繞地高速飛行。凱瑟琳·考特尼(Katherine Courtney)和愛麗絲·戈爾曼(Alice Gorman)接受瑪格麗特·哈里斯(Margaret Harris)采訪，討論太空垃圾的來源、風險，以及人類該如何應對這個越來越緊迫的問題。

在環(huán)繞地球運行的衛(wèi)星、望遠鏡和空間站周圍，還散布著大量太空垃圾。它們有的是已經(jīng)失效的整顆衛(wèi)星，有的是遺留在軌道上的火箭殘骸，也有的是鏡頭蓋、燃料箱、微小螺栓等部件或碎片。太空垃圾已經(jīng)不只是航天工程問題，它會干擾地面和空間望遠鏡的天文觀測，也可能影響高層大氣的化學過程，并對一個越來越依賴衛(wèi)星服務(wù)的現(xiàn)代社會構(gòu)成威脅。

2025年11月，英國全球空間可持續(xù)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)(GNOSIS)主席、英國航天局前首席執(zhí)行官凱瑟琳·考特尼，與澳大利亞弗林德斯大學空間考古學副教授愛麗絲·戈爾曼參加了專題討論。戈爾曼長期從考古學角度研究空間物體的文化意義，人稱“太空垃圾博士”。兩人的共同判斷是：空間碎片問題已經(jīng)進入必須主動應對的階段。

什么是太空垃圾？

戈爾曼認為，太空垃圾通常是指空間中任何在當前及可預見的未來都不再具有實際用途的物體。按來源看，它們既包括完整失效的衛(wèi)星，也包括完成投送后留在軌道上的火箭殘骸，以及航天器運行中釋放的螺栓、鏡頭蓋、燃料箱等。爆炸、碰撞、任務(wù)釋放和在軌材料老化，都可能把原本完整的航天器或部件變成大量碎片。最新估計顯示，軌道上尺寸大于10 cm的人造物體約有5.4萬個，其中包括1.4萬多顆仍在運行的衛(wèi)星和航天器；1—10 cm的物體約有120萬個；1 mm—1 cm的物體可能多達1.4億個。

被釋放的廢棄物。國際空間站在約425公里高度飛越智利北部海岸時，釋放了一組裝在托盤上的舊電池。該托盤將在軌運行2至4年后再入大氣層燒毀

這些數(shù)字還只是模型和觀測能夠覆蓋的一部分。空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)定期跟蹤的物體約為44870個，更多小碎片無法逐一編目。最擁擠的區(qū)域是近地軌道，即海平面以上約200至2000公里。這里聚集了大量的工作衛(wèi)星，其中約9000顆屬于SpaceX的星鏈網(wǎng)絡(luò)。再往外是中地球軌道、35786公里附近的地球同步和地球靜止軌道，以及用于安置失效地球靜止衛(wèi)星的“墓地軌道”。（除上述近圓軌道外，還有不少空間目標處于大橢圓軌道，例如莫爾尼亞軌道(Molniya orbit)和地球同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO)。莫爾尼亞軌道傾角約63.4°、周期約12小時，主要用于高緯度地區(qū)通信；GTO則常用于將衛(wèi)星送往地球同步/靜止軌道，部分發(fā)射任務(wù)遺留的火箭殘骸和碎片會停留在這類轉(zhuǎn)移軌道。這些目標同樣需要納入空間目標監(jiān)測和軌道環(huán)境評估。——譯者注)

占據(jù)軌道空間。不同類型的人造碎片數(shù)量隨時間變化(數(shù)據(jù)來自歐洲航天局地心軌道空間碎片記錄)

風險究竟在哪里？

考特尼強調(diào)，人類對空間基礎(chǔ)設(shè)施的依賴已經(jīng)遠超直覺。互聯(lián)網(wǎng)、移動通信、銀行網(wǎng)絡(luò)、公用事業(yè)電網(wǎng)、應急服務(wù)、食品配送、氣候變化監(jiān)測乃至股票市場，都在不同程度上依賴衛(wèi)星系統(tǒng)。一旦關(guān)鍵軌道環(huán)境惡化，受影響的將不只是航天機構(gòu)。

1978年，美國天體物理學家唐納德·凱斯勒提出，如果某些軌道中的碎片和在軌衛(wèi)星過于密集，一次碰撞就可能產(chǎn)生更多碎片，并進一步引發(fā)新的碰撞，形成連鎖反應，使相關(guān)空間區(qū)域在幾代人時間里都難以使用，這就是“凱斯勒綜合征”。凱斯勒與英國航天工程師休·劉易斯最近利用歐洲航天局(ESA)的數(shù)據(jù)重新評估了這一問題，認為一些軌道已經(jīng)顯現(xiàn)出不穩(wěn)定跡象。

危險并不只來自大型殘骸。即便很小的碎片，也可能讓高速運行的衛(wèi)星失效。問題在于，可機動的工作航天器和不可機動的失效物體同處一片軌道空間；前者數(shù)量迅速增加，后者又難以清除。星鏈公布的碰撞規(guī)避機動數(shù)據(jù)顯示，隨著星座規(guī)模擴大，規(guī)避動作也在持續(xù)增加。許多碎片無法被持續(xù)跟蹤，更不會主動通報自己的位置和軌道變化，因此越是擁擠的軌道，碰撞風險越難判斷。

空間天氣還會增加這種不確定性。太陽風暴會讓衛(wèi)星電子系統(tǒng)承受強烈的帶電粒子流，也會增強高層大氣阻力，使碎片軌道發(fā)生難以預料的變化。在這種背景下，大規(guī)模星座越來越依賴自動軌道保持和自動避碰，但目前并沒有統(tǒng)一機制要求運營方提前通告這些非計劃機動。

天文學和地球環(huán)境也受影響

太空垃圾和大量衛(wèi)星會直接干擾天文觀測。當衛(wèi)星或碎片穿過望遠鏡視場時，會在圖像中留下亮條紋，使部分圖像數(shù)據(jù)無法使用。射電天文學也會受到影響，因為衛(wèi)星會持續(xù)發(fā)射通信信號，其電氣系統(tǒng)還可能泄漏電磁輻射。

再入大氣層的碎片則帶來另一個問題。過去人們常把大氣層視為天然焚化爐，認為讓失效物體再入并燒毀，是處置太空垃圾最自然的方式。但航天器燒蝕產(chǎn)生的鋁顆粒和煙塵顆粒會進入高層大氣，并可能影響臭氧層；而較大的物體并不總能完全燒毀，仍可能有殘骸落到地面。近年來一些火箭殘骸的不受控再入提醒人們，這種風險不能只靠運氣消解。換言之，軌道環(huán)境和地球環(huán)境并不是兩個彼此獨立的問題。

可以采取哪些措施？？

戈爾曼指出，主動碎片清除技術(shù)已經(jīng)有不少方案和試驗，但真正投入常規(guī)運行的任務(wù)仍然有限。對新任務(wù)來說，更關(guān)鍵的是從源頭避免制造新碎片。歐洲航天局提出“零碎片憲章”，要求未來任務(wù)盡量實現(xiàn)“碎片中性”。過去常見的原則是，航天器壽命終止后不應在軌停留超過25年；現(xiàn)在這一期限已縮短到5年。但據(jù)估計，只有約40%至60%的衛(wèi)星運營方遵守了相關(guān)規(guī)程。

考特尼認為，僅靠自愿準則遠遠不夠。聯(lián)合國外層空間活動長期可持續(xù)性準則正在被一些國家納入本國空間法，國際電信聯(lián)盟也開始討論軌道和頻譜使用中的可持續(xù)問題。歐洲航天局的這一倡議提出了清晰的技術(shù)目標，但如果最佳實踐仍只是讓航天器在5年內(nèi)燒毀，就未必觸及問題根本。任務(wù)還應面向再利用、回收和低影響材料來設(shè)計。2025年，聯(lián)合國和平利用外層空間委員會在長期可持續(xù)性工作組下設(shè)立空間態(tài)勢感知專家組，原因正是各國和機構(gòu)掌握的數(shù)據(jù)并不標準化，也缺少互通機制。聯(lián)合國2024年未來峰會還提出，2027年將召開第四次聯(lián)合國探索及和平利用外層空間會議(UNISPACE IV)，重點討論空間碎片問題、減少和控制碎片的辦法、空間交通管理以及國際合作。

她主張建立一個非軍事、跨國界的獨立機構(gòu)，像國際電信聯(lián)盟管理無線電頻譜那樣，在國際層面監(jiān)測空間環(huán)境，并協(xié)調(diào)相關(guān)標準的執(zhí)行。各國航天機構(gòu)、商業(yè)運營方和國際組織之間，至少應建立更穩(wěn)定的碰撞預警、數(shù)據(jù)共享和應急溝通機制。（我國在空間碎片領(lǐng)域已形成監(jiān)測預警、風險評估、航天器防護、減少碎片產(chǎn)生和主動清除等多方向布局。中國科學院國家天文臺等單位開展空間碎片監(jiān)測預警與應用研究；中國科學院紫金山天文臺長期從事空間目標觀測、編目和軌道處理，并運行中國科學院空間目標與碎片觀測網(wǎng)，為空間目標監(jiān)測和軌道環(huán)境研究提供持續(xù)觀測支撐；中國科學院上海天文臺等單位開展空間碎片激光測距和精密測量；中國空間技術(shù)研究院、中國科學院國家空間科學中心、力學研究所，以及北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校和航天院所，也在航天器防護、空間環(huán)境效應、減少碎片產(chǎn)生、主動清除和離軌任務(wù)規(guī)劃等方面開展研究。——譯者注)

清除碎片為什么困難？

目前較先進的示范包括日本Astroscale公司的ADRAS-J任務(wù)，它已展示安全接近目標并進行近距離檢查的能力；歐洲航天局計劃在2029年發(fā)射ClearSpace-1，從近地軌道清除一顆舊的PROBA-1衛(wèi)星。相關(guān)技術(shù)包括機器人抓捕機構(gòu)和磁性捕獲方案。英國政府也資助了更復雜的清除設(shè)想：先處置一個由英國許可發(fā)射的在軌物體，再返回去清除第二個目標。

太空清道夫。歐洲航天局正在籌備主動碎片清除任務(wù)，并發(fā)展便于清除設(shè)計(D4R)技術(shù)，以便安全處置壽命結(jié)束且無法自主機動的衛(wèi)星

這類任務(wù)之所以困難，首先在于不能制造更多碎片。待清除目標可能正在翻滾，可能已經(jīng)局部解體，也可能攜帶殘余燃料。清除器必須證明自己能夠安全接近、捕獲并處置一個“非合作目標”。與此同時，越來越多研究機構(gòu)和商業(yè)公司開始關(guān)注這一領(lǐng)域。即便如此，主動清除空間碎片距離大規(guī)模常態(tài)化應用仍有很大差距。

是否所有舊航天器都該清除？

戈爾曼提醒，不能把所有舊航天器都簡單看作垃圾。一些早期航天器具有重要遺產(chǎn)價值，代表著人類進入太空的歷史。例如1958年3月17日發(fā)射的先鋒1號(Vanguard 1)，是世界上第一顆太陽能衛(wèi)星，也是至今仍在繞地運行的最古老人造物體之一。如果這類物體目前并不構(gòu)成碰撞風險，就不一定需要立刻移除。更合理的做法是，各國評估本國在軌遺產(chǎn)資產(chǎn)，按照文化意義和風險程度排序；只有在確有必要時，才采取清除行動。在戈爾曼看來，這些航天器并非毫無價值；它們能夠把人類與自身探索太空的歷史連接起來。

早期航天遺產(chǎn)。先鋒1號于1958年3月17日發(fā)射，是繼探險者1號之后美國第二顆進入軌道的衛(wèi)星，也是至今仍在繞地球運行的最古老人造物體之一

她還提出一個更根本的問題：并非所有功能都必須放在太空。星鏈等低軌通信星座之所以快速擴張，部分原因是偏遠地區(qū)地面通信基礎(chǔ)設(shè)施投資不足。人類當然會繼續(xù)使用空間系統(tǒng)，但也可以把一部分功能重新交還給地面基礎(chǔ)設(shè)施，減少對軌道資源的過度依賴。

考特尼用高速公路作比喻：如果所有車輛都能以任意速度行駛，沒有轉(zhuǎn)向燈，車壞了還可以直接停在路中央，這條路很快就會無法使用。軌道空間也可能如此。國際電信聯(lián)盟備案中已有超過一百萬項在特定頻譜運行的許可，理論上未來10年還可能再發(fā)射一百萬顆衛(wèi)星。今天約90%的空間活動是商業(yè)活動，企業(yè)必須面對風險，否則最終會承受經(jīng)濟損失。她認為，真正有效的合作也許會在一次“埃克森·瓦爾迪茲號時刻”之后到來：一場足以讓運營方感到財務(wù)痛感，但又不至于觸發(fā)災難性連鎖碰撞的事故。值得注意的是，五年前幾乎聽不到運營商說監(jiān)管是好事，如今已有運營商主動要求監(jiān)管。

但更好的選擇，是在那一刻到來之前行動。空間沒有國界，軌道容量卻不是無限的。減少太空垃圾，需要更清晰的監(jiān)測數(shù)據(jù)、更嚴格的設(shè)計標準和壽命終止處置要求，也需要更有效的國際規(guī)則；同時，我們還應重新審視，究竟該把哪些社會功能交給太空來承擔。

歡迎訂閱2026年《物理》雜志

《物理》是由中國科學院物理研究所和中國物理學會主辦的權(quán)威物理類中文科普期刊，注重學科性與科普性相結(jié)合，秉承“輕松閱讀，享受物理”的辦刊理念，集學科大家之力，追蹤物理學成果，服務(wù)物理學領(lǐng)域，促進學科交叉，讓科學變得通俗易懂。已成為我國眾多物理專業(yè)的大學生、研究生、物理學家案頭常讀的刊物之一。

( 期刊訂閱 )

訂閱方式：編輯部直接訂閱優(yōu)惠價240元/年，全國包郵。

方式1 微信訂閱

在“物理所財務(wù)處”微信公眾號繳費，操作如下：公號下方“業(yè)務(wù)辦理”-“訂刊費”-收費部門“《物理》編輯部”，之后填寫相應信息。如有問題，可添加編輯微信咨詢：18627635857。

(注：僅針對需要對公開電子發(fā)票的讀者，且務(wù)必提供正確的單位名稱和單位稅號)

方式2 銀行匯款

開戶行：中國農(nóng)業(yè)銀行北京科院南路支行

戶 名：中國科學院物理研究所

帳 號：11250101040005699

（注：請注明“《物理》編輯部”，匯款成功后請及時聯(lián)系編輯部登記郵寄地址）

編輯部聯(lián)系方式：

咨詢電話：010-82649277；82649029

Email：physics@iphy.ac.cn

( 贈閱活 動 ）

為答謝廣大讀者長期以來的關(guān)愛和支持，《物理》編輯部特推出優(yōu)惠訂閱活動：凡直接向編輯部連續(xù)訂閱2年《物理》雜志，將獲贈《歲月有情- <物理> 50周年紀念本》。內(nèi)有自1972年至2022年《物理》發(fā)表的50篇精選文章信息，掃描對應的二維碼，可重溫經(jīng)典之作，感悟物理科學的真諦，領(lǐng)略學科大家的風采。希望讀者們愛上《物理》!