撞毀衛星、逼迫國際空間站多次變軌……太空正垃圾成災

2013年的科幻電影《地心引力》講述了一艘太空飛船被四散的衛星碎片擊中、兩名男女主角共同墜入宇宙深處的故事，引發了人們對「太空垃圾」的思考。

太空垃圾是環繞地球運行但不再發揮作用的人造物質，大到火箭殘骸，小到油漆碎片，甚至還包括太空人太空行走時遺失的私人物品。

大部分碎片都在距離地球表面2000公裡以內的近地軌道上，在赤道上方35786公裡的地球靜止軌道上也可以發現一些碎片。

(圖：來自太空梭固體火箭助推器的氧化鋁渣，固體火箭發動機的副產品。圖源NASA)

太空垃圾：數以萬計的「衛星殺手」

1978年，美國科學家凱斯勒就提出「凱斯勒症候」警告，稱當低地球軌道上的垃圾實在太多時，人造衛星和太空飛行器會經常被撞擊，由此產生更多的太空垃圾，惡性循環，最後使得發射新的太空器都幾近不可能。

2009年，NASA官員就透露，國際空間站為避開太空垃圾已經變軌十多次。

截至2020年，美國太空監視網正在追蹤超過14000塊直徑超過10釐米的太空碎片。據估計，直徑在1到10釐米之間的碎片約有20萬塊，小於1釐米的碎片可能有數百萬塊。

一塊太空碎片落回地球的時間取決於它的高度。600公裡以下的物體在重返地球大氣層之前要繞軌道運行幾年，而1000公裡以上的物體能在軌道上運行幾個世紀。

由於物體繞地球運行的高速(高達每秒8公裡)，即使是一小塊太空碎片的碰撞也會損壞太空飛行器。例如，太空梭的窗戶經常因為與小於1毫米的人造碎片碰撞而損壞而不得不更換。

過多的垃圾碎片威脅著太空人和太空飛行器的安全。據統計，太空梭與太空碎片發生災難性碰撞的風險為1/300(以哈勃太空望遠鏡的任務為例，其軌道更高、垃圾更多，風險為185分之一。)

在未來，隨著衛星發射的爆炸式增長，這種風險只會有增無減。

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，約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。

隨著近地軌道逐漸變得「擁擠」，太空垃圾問題已經成為當務之急，而太空垃圾清潔領域將迎來廣闊的增長藍海。

在太空中「做衛生」，不是件小事

近年來，太空垃圾清潔的重要性逐漸受到各國的重視，相應的技術也蓬勃發展。太空垃圾清潔分為兩個階段：空間態勢感知和空間碎片清除。

空間態勢感知(Space situation awareness，SSA)可以探測、跟蹤、識別、編目地球軌道上的所有人造目標，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。

而空間碎片清除的技術較為多樣，不過所有技術的目的都是設法使太空垃圾降低軌道、進入大氣層，藉助與大氣摩擦產生的高溫令其燒毀。

為了達成這個目標，許多科學家提出了不少富有想像力的方案。對於近年來新發射的太空飛行器，能夠通過加裝部件、燃料推動等方式讓它們在任務結束後主動銷毀，而對於軌道上老舊的、無法自我清除的太空飛行器則需要另尋外力。

不同軌道高度的太空垃圾，清理難度也不同。在近地軌道上，很多清除方法都可以使用，但對於高軌尤其是靜止軌道，因為高度實在太高，完全沒有空氣阻力的影響，移除它們的造價和技術難度遠大於想像。

處在地球上空35786公裡高的地球靜止軌道聚集了人類幾乎所有的通訊衛星，只有它同時滿足在赤道上空(0度軌道傾角)和35786公裡的軌道高度，能夠實現與地球自轉相同的24小時軌道周期，實現同步/相對靜止。

因此，靜止軌道是不可替代的、最為寶貴的稀缺軌道資源。一直以來，國際上都努力推動衛星在發射時留有動力的冗餘設計，以便人類航天的可持續發展。

隨著衛星發射數量增加，太空垃圾清理已迫在眉睫

根據前瞻產業研究院分析，近年來，衛星產業產值增幅逐步趨穩，產值規模穩中有升。《2019年衛星產業狀況報告》數據顯示，2018年全球衛星產業總收入為2774億美元，同比增長3.28%。2019年全球衛星產業規模達2860億美元，同比增長3.10%。

全球正處於人造衛星密集發射前夕，多家企業已有發射衛星的宏偉計劃，SpaceX公司是全球迄今為止擁有衛星數量最多的商業衛星運營商，其部署的Starlink星座計劃第七批60顆「星鏈」衛星已於2020年4月23日成功入軌，累計發射近422顆衛星(包含兩顆測試星)。SpaceX甚至計劃將來的Starlink星座中將擁有數萬顆衛星。

預計到2029年，地球近地軌道將部署總計約57000顆低軌衛星，其中美國的衛星布局數量遙遙領先。

航空航天與技術諮詢公司Technavio認為，隨著衛星發射數量的增加，這將為太空垃圾清潔市場提供巨大的增長機會。據Technavio分析，太空碎片監測和清除市場預計在2020-2024年期間將增長6.1047億美元，預測期間的複合年增長率接近5%。新興的ADR(主動殘骸清除，Active Debris Removal)概念是推動未來幾年太空碎片監測和清除市場增長的主要原因之一。

世界各國的政府已經出臺不少政策來推動太空垃圾清潔技術的發展，國家航天部門也在其中起了重要的參與作用。

美國空軍的「太空籬笆」項目使用雷達來跟蹤大約20萬件太空垃圾;俄羅斯與巴西籤署設置新的太空碎片追蹤望遠鏡協議;英國太空署(UKSA)宣布撥款100萬英鎊用於資助太空垃圾追蹤科技創新;歐洲航天局計劃在2025年發起首次清除地球軌道碎片垃圾的太空任務;日本計劃和聯合國合作清理太空垃圾;中國專門針對「太空垃圾」的觀測中心在中科院紫金山天文臺成立。

航天巨頭、初創企業「百花齊放」

在太空垃圾清潔領域，政府部門與私營企業的合作常常密不可分，如歐洲航天局(ESA)宣布的ClearSpace-1任務就與瑞士垃圾清除初創公司ClearSpace合作。

Technavio分析指出，太空碎片監測與清除市場是集中的，並且在預測期間集中度會加快。市場主要玩家有空中巴士、Analytical Graphics、Astroscale、BAE系統、波音、Cobham、Electro Optic Systems、洛克希德·馬丁、諾斯羅普·格魯曼、S.P. Korolev Rocket和Space等公司。

空中巴士公司計劃於2023年建造未來的「空間拖船」，目的是捕獲老舊衛星，並將其推至距地球200公裡的高度以燒毀。

洛克希德·馬丁公司聯手電子光學系統(EOS)公司在澳大利亞建設一座設施，據稱這座設施能夠提高25%全球追蹤太空垃圾的能力。

諾斯羅普·格魯曼公司的任務延壽飛行器1號(MEV-1)於2020年2月完成與國際通信衛星901 (IS-901)的首次在軌對接，這次任務旨在測試在軌為其他衛星或太空飛行器提供維修、延壽服務，及通過與太空垃圾的對接或捕獲，將其轉運到無害的墓地軌道或拖進大氣層燒毀。

日本衛星通信巨頭「SKY Perfect JSAT」將研發使用雷射清除漂浮在太空中的垃圾的人造衛星，力爭2026年開始提供服務。該公司太空垃圾清除項目負責人福島忠德介紹稱，在相同軌道上大量投入小型衛星的企業有時不得不從軌道上清除不需要的物體，預計存在市場需求。

美國的ExoAnalytic Solutions和英國的Space Insight等私營公司對太空垃圾展開監測，再把數據出售給衛星運營商。

在西班牙，Deimos Sky Survey公司利用望遠鏡陣列追蹤小行星、太空垃圾等近地天體。該公司也監測到埃隆·馬斯克送往太空的特斯拉跑車。

日本小公司Astroscale正在研發一種能靠近和捕獲太空碎片與破損衛星的系統。雖然尚沒有任何客戶，但該公司運營總監克裡斯·布萊克比預計，這項業務將「非常可行」，並計劃在2020年進行試發射活動。

俄羅斯Energia航天公司計劃花費20億美元建造一艘太空艙，環繞地球軌道飛行並清理太空垃圾。太空艙採用核動力維持運轉，使用離子發動機將那些無用的廢棄物輕輕推出軌道。Energia公司計劃到2020年完成太空艙的測試，之後在三年內完成組裝。

在人類活動逐漸從地球拓展到太空的背景下，太空相關產業存在著廣闊的增長藍海。但在追求利益的同時，人類更需貫徹可持續發展戰略，愛護太空環境，不要讓宇宙成為另一個「垃圾場」。為達成這個願景，除了商業運作，各方的通力合作也必不可少。

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