太空垃圾，發現它，消滅它

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科幻電影《全球風暴》里講了一個美好的科學設想：全世界科學家聯合研發了一套全球衛星組網，可隨意控制調節地球天氣，人類終於代替雷公電母呼風喚雨。於是有人測算，要想實現這個衛星組網，大概需要發射數十萬量級的衛星！這個可以說是很龐大的一個體量了。

自從第一顆人造衛星升空後，衛星和碎片不斷增加。2018年初，有據可查的活動衛星數1700多顆，用於實現通信、導航、氣象、遙感、偵察、天文研究、太陽及日地空間觀測、新技術和新功能演示驗證等任務。據 ESA（European Space Agency 歐洲空間局）的統計：到2017年1月，人造空間物體達7500噸，其中有數以億計的空間碎片。空間碎片就是人們常說的太空垃圾，主要是運載火箭殘體、廢棄的航天器以及碰撞解體的航天器碎片等，這些都是太空活動不需要的衍生物。

歐洲空間局發布的太空垃圾電腦合成照片

在低地球軌道，厘米級空間碎片由2005年的30萬個增長到2015年的50萬個，年增長率達15%。美國研究表明，按照目前的碎片增長速度估算，如果不採取任何措施，70年後碎片數量將達到發生碎片鏈式撞擊效應的臨界值，之後近地空間將徹底不可用。

所以，越來越多的衛星發射和被利用固然代表著人類征服宇宙的智慧和努力，但同時也大大增加了空間碎片碰撞的風險。

2009年2月10日，美國銥衛星公司一顆商用通信衛星與俄羅斯一顆已經報廢的衛星在太空碰撞，碰撞發生在西伯利亞上空，這是人類有史以來近地軌道發生的首次衛星碰撞，但引起全人類極大關注；2013年，印度洋上空一顆厄瓜多小衛星與俄羅斯火箭碎片周圍籠罩的碎片雲發生碰撞，導致其天線錯位、軌道改變並快速旋轉，無法正常工作。

衛星碰撞示意圖（來自網路）

人類到了不得不處理太空垃圾的時候，於是如何發現和清除太空垃圾成為擺在科學家們面前的兩個難題。針對空間碎片發現與探測的問題，科學家們逐漸發展出了「空間態勢感知」技術。

空間態勢感知（Space situation awareness，SSA）從廣義上講是認知地球周圍的近太空環境，包括日地空間、行星際空間，既有太陽活動的影響，也有自然小行星，還包括人造飛行物體；這裡是指對碎片探測、跟蹤、識別、編目地球軌道的所有人造目標，包括有效載荷、火箭箭體以及人類空間活動產生的所有碎片或者垃圾，這是實現躲避碰撞和碎片清除的前提條件。

空間態勢感知使用的技術主要是雷達和光電技術。雷達具有高靈敏度、大範圍搜索和全天候的跟蹤能力，適合跟蹤低地球軌道碎片；光電系統具有高解析度、探測距離遠、低成本等特點，更適合跟蹤深空碎片。

目前國際上多個國家發展出了各自的空間碎片探測策略：美國國家航空航天局 NASA 專門成立「軌道碎片辦公室」，利用專門雷達和光電設備每天探測空間碎片並發出預警，其他機構的相關設備也會輔助參與碎片探測，提醒國際空間站等航天飛行器地面操控人員實時移動位置、躲避碰撞；歐洲空間局在德國達姆施塔特市專門成立太空碎片辦公室，利用雷達和光電設備對碎片進行探測和編目，並密切開展國際合作。

當前國際上用於空間碎片清除的概念方案主要有這麼幾種：一是繩網式碎片抓捕系統，如英國科學家提出的「立方帆」，它是一顆微小衛星，內部安裝有一張張開面積可達25平方米的聚合膜。發射到太空之後，這張膜張開「包裹」碎片進入低軌，在大氣層中燃燒。目前澳大利亞與歐美國家正在合作開展此項研究。

繩網式碎片抓捕系統

二是激光清除。通過鎖定某個太空垃圾目標，地基激光器將發出一束激光，照射在太空垃圾背離地球的一端，使該部分氣化，然後利用氣體的反作用力推動太空垃圾朝地球的方向運動，最終使其進入大氣層燒毀。

地基激光清除

三是空間碎片主動清理飛行器。例如通過機械臂或攜帶多個獨立的捕獲模塊抓取廢棄衛星和太空碎片，將它們帶到大氣層燒毀。

空間碎片主動清理飛行器

目前，科學家仍在通過研究不斷提高空間態勢感知能力，並嘗試提出更多新的解決方案用以清理太空垃圾，但還未能找到一個在技術和經濟上都行之有效的方案，因此期待更多的科學鬥士投入其中，為後人留下一個清潔的太空環境。

文章圖片均來自網路

來源：中國科學院光電技術研究所、中國科學院成都分院