撞毁卫星、逼迫国际空间站多次变轨……太空正垃圾成灾

2013年的科幻电影《地心引力》讲述了一艘太空飞船被四散的卫星碎片击中、两名男女主角共同坠入宇宙深处的故事，引发了人们对“太空垃圾”的思考。

太空垃圾是环绕地球运行但不再发挥作用的人造物质，大到火箭残骸，小到油漆碎片，甚至还包括宇航员太空行走时遗失的私人物品。

大部分碎片都在距离地球表面2000公里以内的近地轨道上，在赤道上方35786公里的地球静止轨道上也可以发现一些碎片。

(图：来自航天飞机固体火箭助推器的氧化铝渣，固体火箭发动机的副产品。图源NASA)

太空垃圾：数以万计的“卫星杀手”

1978年，美国科学家凯斯勒就提出“凯斯勒症候”警告，称当低地球轨道上的垃圾实在太多时，人造卫星和航天器会经常被撞击，由此产生更多的太空垃圾，恶性循环，最后使得发射新的太空器都几近不可能。

2009年，NASA官员就透露，国际空间站为避开太空垃圾已经变轨十多次。

截至2020年，美国太空监视网正在追踪超过14000块直径超过10厘米的太空碎片。据估计，直径在1到10厘米之间的碎片约有20万块，小于1厘米的碎片可能有数百万块。

一块太空碎片落回地球的时间取决于它的高度。600公里以下的物体在重返地球大气层之前要绕轨道运行几年，而1000公里以上的物体能在轨道上运行几个世纪。

由于物体绕地球运行的高速(高达每秒8公里)，即使是一小块太空碎片的碰撞也会损坏航天器。例如，航天飞机的窗户经常因为与小于1毫米的人造碎片碰撞而损坏而不得不更换。

过多的垃圾碎片威胁着宇航员和航天器的安全。据统计，航天飞机与太空碎片发生灾难性碰撞的风险为1/300(以哈勃太空望远镜的任务为例，其轨道更高、垃圾更多，风险为185分之一。)

在未来，随着卫星发射的爆炸式增长，这种风险只会有增无减。

美国研究表明，按照目前的碎片增长速度估算，如果不采取任何措施，约70年后碎片数量将达到发生碎片链式撞击效应的临界值，之后近地空间将彻底不可用。

随着近地轨道逐渐变得“拥挤”，太空垃圾问题已经成为当务之急，而太空垃圾清洁领域将迎来广阔的增长蓝海。

在太空中“做卫生”，不是件小事

近年来，太空垃圾清洁的重要性逐渐受到各国的重视，相应的技术也蓬勃发展。太空垃圾清洁分为两个阶段：空间态势感知和空间碎片清除。

空间态势感知(Space situation awareness，SSA)可以探测、跟踪、识别、编目地球轨道上的所有人造目标，包括有效载荷、火箭箭体以及人类空间活动产生的所有碎片或者垃圾，这是实现躲避碰撞和碎片清除的前提条件。空间态势感知使用的技术主要是雷达和光电技术。

而空间碎片清除的技术较为多样，不过所有技术的目的都是设法使太空垃圾降低轨道、进入大气层，借助与大气摩擦产生的高温令其烧毁。

为了达成这个目标，许多科学家提出了不少富有想象力的方案。对于近年来新发射的航天器，能够通过加装部件、燃料推动等方式让它们在任务结束后主动销毁，而对于轨道上老旧的、无法自我清除的航天器则需要另寻外力。

不同轨道高度的太空垃圾，清理难度也不同。在近地轨道上，很多清除方法都可以使用，但对于高轨尤其是静止轨道，因为高度实在太高，完全没有空气阻力的影响，移除它们的造价和技术难度远大于想象。

处在地球上空35786公里高的地球静止轨道聚集了人类几乎所有的通讯卫星，只有它同时满足在赤道上空(0度轨道倾角)和35786公里的轨道高度，能够实现与地球自转相同的24小时轨道周期，实现同步/相对静止。

因此，静止轨道是不可替代的、最为宝贵的稀缺轨道资源。一直以来，国际上都努力推动卫星在发射时留有动力的冗余设计，以便人类航天的可持续发展。

随着卫星发射数量增加，太空垃圾清理已迫在眉睫

根据前瞻产业研究院分析，近年来，卫星产业产值增幅逐步趋稳，产值规模稳中有升。《2019年卫星产业状况报告》数据显示，2018年全球卫星产业总收入为2774亿美元，同比增长3.28%。2019年全球卫星产业规模达2860亿美元，同比增长3.10%。

全球正处于人造卫星密集发射前夕，多家企业已有发射卫星的宏伟计划，SpaceX公司是全球迄今为止拥有卫星数量最多的商业卫星运营商，其部署的Starlink星座计划第七批60颗“星链”卫星已于2020年4月23日成功入轨，累计发射近422颗卫星(包含两颗测试星)。SpaceX甚至计划将来的Starlink星座中将拥有数万颗卫星。

预计到2029年，地球近地轨道将部署总计约57000颗低轨卫星，其中美国的卫星布局数量遥遥领先。

航空航天与技术咨询公司Technavio认为，随着卫星发射数量的增加，这将为太空垃圾清洁市场提供巨大的增长机会。据Technavio分析，太空碎片监测和清除市场预计在2020-2024年期间将增长6.1047亿美元，预测期间的复合年增长率接近5%。新兴的ADR(主动残骸清除，Active Debris Removal)概念是推动未来几年太空碎片监测和清除市场增长的主要原因之一。

世界各国的政府已经出台不少政策来推动太空垃圾清洁技术的发展，国家航天部门也在其中起了重要的参与作用。

美国空军的“太空篱笆”项目使用雷达来跟踪大约20万件太空垃圾;俄罗斯与巴西签署设置新的太空碎片追踪望远镜协议;英国太空署(UKSA)宣布拨款100万英镑用于资助太空垃圾追踪科技创新;欧洲航天局计划在2025年发起首次清除地球轨道碎片垃圾的太空任务;日本计划和联合国合作清理太空垃圾;中国专门针对“太空垃圾”的观测中心在中科院紫金山天文台成立。

航天巨头、初创企业“百花齐放”

在太空垃圾清洁领域，政府部门与私营企业的合作常常密不可分，如欧洲航天局(ESA)宣布的ClearSpace-1任务就与瑞士垃圾清除初创公司ClearSpace合作。

Technavio分析指出，太空碎片监测与清除市场是集中的，并且在预测期间集中度会加快。市场主要玩家有空中客车、Analytical Graphics、Astroscale、BAE系统、波音、Cobham、Electro Optic Systems、洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼、S.P. Korolev Rocket和Space等公司。

空中客车公司计划于2023年建造未来的“空间拖船”，目的是捕获老旧卫星，并将其推至距地球200公里的高度以烧毁。

洛克希德·马丁公司联手电子光学系统(EOS)公司在澳大利亚建设一座设施，据称这座设施能够提高25%全球追踪太空垃圾的能力。

诺斯罗普·格鲁曼公司的任务延寿飞行器1号(MEV-1)于2020年2月完成与国际通信卫星901 (IS-901)的首次在轨对接，这次任务旨在测试在轨为其他卫星或航天器提供维修、延寿服务，及通过与太空垃圾的对接或捕获，将其转运到无害的墓地轨道或拖进大气层烧毁。

日本卫星通信巨头“SKY Perfect JSAT”将研发使用激光清除漂浮在太空中的垃圾的人造卫星，力争2026年开始提供服务。该公司太空垃圾清除项目负责人福岛忠德介绍称，在相同轨道上大量投入小型卫星的企业有时不得不从轨道上清除不需要的物体，预计存在市场需求。

美国的ExoAnalytic Solutions和英国的Space Insight等私营公司对太空垃圾展开监测，再把数据出售给卫星运营商。

在西班牙，Deimos Sky Survey公司利用望远镜阵列追踪小行星、太空垃圾等近地天体。该公司也监测到埃隆·马斯克送往太空的特斯拉跑车。

日本小公司Astroscale正在研发一种能靠近和捕获太空碎片与破损卫星的系统。虽然尚没有任何客户，但该公司运营总监克里斯·布莱克比预计，这项业务将“非常可行”，并计划在2020年进行试发射活动。

俄罗斯Energia航天公司计划花费20亿美元建造一艘太空舱，环绕地球轨道飞行并清理太空垃圾。太空舱采用核动力维持运转，使用离子发动机将那些无用的废弃物轻轻推出轨道。Energia公司计划到2020年完成太空舱的测试，之后在三年内完成组装。

在人类活动逐渐从地球拓展到太空的背景下，太空相关产业存在着广阔的增长蓝海。但在追求利益的同时，人类更需贯彻可持续发展战略，爱护太空环境，不要让宇宙成为另一个“垃圾场”。为达成这个愿景，除了商业运作，各方的通力合作也必不可少。