7 月 2 日星期一，CryoSat-2 航天器像往常一样在地球表面上方 700 多公里的轨道上运行。但就在那天，欧洲航天局 (ESA) 的任务控制员意识到他们遇到了问题：一块太空碎片正不受控制地冲向价值 1.4 亿欧元（1.62 亿美元）的卫星，这颗卫星负责监测地球上的冰层。
随着工程师们追踪这两个物体的路径，碰撞的可能性缓慢增加——迫使任务控制员采取行动。7 月 9 日，ESA 启动 CryoSat-2 的推进器，将其推入更高的轨道。仅仅 50 分钟后，碎片以每秒 4.1 公里的速度呼啸而过。
随着地球周围的空间变得越来越拥挤，这种机动每年都变得越来越普遍。2017 年，商业公司、军事和民用部门以及业余爱好者向轨道发射了 400 多颗卫星，是 2000-2010 年年平均水平的 4 倍多。如果波音、OneWeb 和 SpaceX 等公司落实在未来几年向太空部署数百到数千颗通信卫星的计划，这一数字可能会更加急剧上升。如果所有这些拟议的“大型星座”都升空，它们将大致相当于人类在航天史上发射的卫星数量。
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所有这些交通都可能导致灾难。2009 年，一颗美国商业铱星卫星撞上了一颗名为 Cosmos-2251 的非现役俄罗斯通信卫星，产生了数千块新的太空弹片，现在威胁着低地球轨道（高度高达 2,000 公里的区域）中的其他卫星。总而言之，轨道上大约有 20,000 个人造物体，从工作卫星到太阳能电池板和火箭碎片的小碎片。卫星运营商无法避开所有潜在的碰撞，因为每次移动都会消耗时间和燃料，而这些时间和燃料原本可以用于航天器的主要工作。
对太空垃圾的担忧可以追溯到卫星时代的开始，但轨道上的物体数量正在迅速增加，研究人员正在研究解决该问题的新方法。一些团队正在努力改进评估轨道上物体的方法，以便卫星运营商能够在日益拥挤的空间中更有效地工作。一些研究人员现在开始编译一个庞大的数据集，其中包括关于轨道上所有物体的最佳信息。其他人正在开发太空垃圾的分类法——研究如何测量物体的形状和大小等属性，以便卫星运营商知道应该在多大程度上担心即将到来的物体。一些研究人员正在确定特殊的轨道，卫星在完成任务后可以移动到这些轨道，以便它们在大气层中快速燃烧，从而帮助清理太空。
许多人说，另一种选择是不可想象的。仅仅几次不受控制的太空碰撞就可能产生足够的碎片，从而引发失控的碎片级联，使近地空间无法使用。“如果我们继续这样下去，我们将达到一个无法回头的地步，”印第安纳州西拉法叶普渡大学的太空动力学研究员卡罗琳·弗鲁赫说。
污染轨道
自 20 世纪 60 年代以来，天文学家和其他人就一直担心太空垃圾，当时他们反对美国军方的一个项目，该项目将向轨道发送数百万根细小的铜针。这些针旨在使无线电通信成为可能，以防高空核试验摧毁电离层，电离层是反射长距离无线电波的大气层。空军于 1963 年将这些针送入轨道，在那里它们成功地形成了一条反射带。大多数针在接下来的三年中自然地脱离轨道，但对“污染”太空的担忧仍然帮助结束了这个项目。
费城宾夕法尼亚州科学史学家、美国历史协会和 NASA 的研究员丽莎·兰德说，这是公众将太空视为应该保持清洁的景观的首批例子之一。
自从苏联于 1957 年发射第一颗人造卫星 Sputnik 以来，太空中的物体数量激增，1970 年达到约 2,000 个，2000 年约 7,500 个，今天已知的物体约 20,000 个。轨道碎片数量的两次最大峰值分别出现在 2007 年中国政府在导弹试验中炸毁了自己的一颗卫星，以及 2009 年铱星-宇宙卫星碰撞事件中。欧洲航天局太空碎片办公室负责人霍尔格·克拉格说，这两起事件都产生了数千块新的碎片，约占欧洲航天局每年进行的 20 多次卫星机动的一半。
美国军方平均每天发布 21 次潜在太空碰撞警告。明年，当空军在太平洋夸贾林环礁启用强大的新型雷达设施时，这些数字可能会急剧上升。该设施将使美国军方能够探测到小于目前低地球轨道 10 厘米限制的物体，这可能会使跟踪物体的数量增加五倍。
奋进号航天飞机因与太空碎片或微陨石碰撞而受损。来源：NASA
即使我们监测太空物体的能力不断提高，轨道上物体的总数也在增加。这意味着公司、政府和太空领域的其他参与者不得不以新的方式进行合作，以避免共同的威胁。自 2000 年代以来，机构间空间碎片协调委员会等国际组织制定了实现空间可持续性的指导方针。其中包括在卫星使用寿命结束时，通过排放剩余燃料或其他可能导致爆炸的加压材料来使其失效。政府间组织还建议将卫星降低到足够深入大气层的位置，以便它们在 25 年内燃烧或解体。
但克拉格说，到目前为止，只有大约一半的任务遵守了 25 年的指导方针。计划中的大型星座的运营商表示，他们将成为负责任的太空管理者，但克拉格担心，尽管他们有最好的意图，问题可能会加剧。“那些失败或破产的公司会怎么样？”他问道。“他们可能不会花钱从太空移除他们的卫星。”
太空交通警察
从理论上讲，卫星运营商应该有足够的空间让所有这些任务安全飞行，而永远不会靠近另一个物体。因此，一些科学家正在通过尝试高精度地了解所有碎片的位置来解决太空垃圾问题。这将减轻今天用于避免潜在碰撞的许多不必要机动的需要。“如果你确切地知道所有东西在哪里，你几乎永远不会有问题，”加利福尼亚州埃尔塞贡多航空航天公司的太空碎片专家马龙·索格说。
这个领域被称为太空交通管理，因为它类似于管理道路或空中的交通。德克萨斯大学奥斯汀分校的太空动力学家 Moriba Jah 说，想想机场繁忙的一天：飞机像一串珍珠一样在空中排队，在精心编排的例行程序中彼此靠近地着陆和起飞。空中交通管制员知道飞机的位置，精确到 1 米。
太空碎片就不能这样说了。并非所有轨道上的物体都是已知的，即使是数据库中包含的物体，其跟踪精度也各不相同。最重要的是，没有权威的目录可以准确列出所有已知太空碎片的轨道。
Jah 用他开发的名为 ASTRIAGraph 的网络数据库来说明这一点。它利用美国和俄罗斯政府维护的目录等多个来源，可视化太空物体的位置。当他输入特定太空物体的标识符时，ASTRIAGraph 会绘制一条紫色线来表示其轨道。
但这对于许多物体来说并不完全有效，例如 2007 年发射的俄罗斯火箭残骸，在数据库中被指定为物体编号 32280。当 Jah 输入该编号时，ASTRIAGraph 绘制了两条紫色线：美国和俄罗斯的来源包含同一物体的两个完全不同的轨道。Jah 说，除非有第三个信息来源可以帮助交叉关联正确的位置，否则几乎不可能判断哪个是正确的。
2012 年，小型 CubeSat 从国际空间站释放。来源：NASA
ASTRIAGraph 目前包含一些（但不是全部）关于跟踪太空物体的主要信息来源。美国军方目录（公开可用的最大数据库）几乎肯定遗漏了有关机密卫星的信息。俄罗斯政府同样对其许多数据保密。过去几年涌现出几个商业太空跟踪数据库，其中大多数数据库不公开共享。
Jah 将自己描述为太空环保主义者：“我希望太空成为一个可以安全运行、自由且对后代有用的地方。”他认为，在实现这一目标之前，太空界将继续沦为公地悲剧，所有航天运营商都在污染共同资源。
至少在美国太空政策方面，他和和其他太空环保主义者正在开始取得进展。Jah 应德克萨斯州共和党参议员特德·克鲁兹的邀请，去年在国会就太空交通管理作证，克鲁兹在今年 7 月共同提出了一项太空法规法案。6 月，唐纳德·特朗普总统还签署了一项关于太空政策的指令，除其他外，该指令将把美国公共太空碎片目录的责任从军方转移到民用机构——可能是监管商业的商务部。
太空政策指令是美国政府最高层讨论太空垃圾的难得机会。“这是我们第一次真正认真地进行这种对话，”科罗拉多州威斯敏斯特市 Maxar Technologies 的监管、政策和政府合同副总裁 Mike Gold 说，该公司拥有并运营着许多卫星。
轨道上的死物
地球周围的太空充满了僵尸：轨道上所有物体中约有 95% 是报废卫星或非现役卫星的碎片。当操作一颗现役卫星的人收到关于碰撞航线上物体的警报时，了解即将到来的碎片有多危险将很有帮助。“随着物体越来越多，以及我们目前的不确定性，你只会收到没完没了的碰撞警告，”弗鲁赫说。（微陨石代表着一种单独的威胁，根本无法追踪。）
为了评估即将发生的碰撞风险，卫星运营商需要知道物体是什么，但跟踪目录中关于许多物体的信息很少。在这些情况下，军方和其他太空跟踪器会在潜在碰撞发生前的短时间内使用望远镜收集线索。
弗鲁赫和她的同事与空军合作，正在开发快速破译轨道物体细节的方法，即使对它们知之甚少。例如，通过研究物体在头顶经过时如何反射阳光，她可以推断出它是在翻滚还是稳定——这是它是否在运行的线索。她的团队还在试验一种机器学习算法，该算法可以加快表征物体的过程，她将于 9 月 14 日在夏威夷毛伊岛举行的太空跟踪会议上描述这项工作。
一块被认为是 1998 年航天飞机任务中产生的太空碎片。来源：NASA
一旦研究人员知道轨道物体是由什么制成的，他们就有许多潜在的方法来降低其威胁。一些科幻色彩浓厚的提议包括使用磁铁清除太空垃圾，或使用激光摧毁或偏转轨道上的碎片。在未来几周内，英国吉尔福德萨里大学的研究人员将试验用网捕获一颗测试卫星。名为 RemoveDEBRIS 的项目随后将把卫星重定向到一个将重新进入大气层的轨道。
但鉴于轨道上物体数量巨大，这种积极的太空垃圾清理方法不太可能在长期内实用。因此，其他一些专家认为，减轻太空垃圾的最佳方法是被动方法。这利用了太阳和月球的引力，称为共振，可以将卫星置于毁灭之路。在图森亚利桑那大学，太空动力学家亚伦·罗森格伦正在开发实现这一目标的方法。
罗森格伦最初是在研究中地球轨道 (MEO) 卫星的命运时接触到这个想法的。这些卫星的运行高度在低地球轨道结束的约 2,000 公里到地球静止轨道开始的 35,000 公里之间。
低地球轨道上的卫星可以通过迫使它们重新进入大气层来处理，而交通不那么繁忙的地球静止区域中的大多数卫星可以安全地放置在永不与其他物体相互作用的“墓地”轨道中。但在中地球轨道中，由于引力共振，卫星轨迹在长期内可能不稳定。
航天器运营商可以利用这种现象的早期暗示来自 ESA 的 INTEGRAL γ 射线太空望远镜，该望远镜于 2002 年发射。INTEGRAL 在一个拉伸轨道上运行，该轨道跨越从低地球轨道、穿过中地球轨道，一直到地球静止轨道。它原本会在太空中停留一个多世纪，但在 2015 年，ESA 决定调整其轨道。通过几次小的推进器点火，任务控制员将其放置在与引力共振相互作用的路径上。它现在将在 2029 年而不是几十年后重新进入大气层。
2016 年，罗森格伦和他在法国和意大利的同事表明，存在一个密集的轨道共振网络，该网络决定了物体在中地球轨道中的行为 (J. Daquin et al. Celest. Mech. Dyn. Astr. 124, 335–366; 2016)。罗森格伦认为这可能提供一种潜在的解决方案。在这个共振网络中，有一些路径不是通往中地球轨道，而是直接通往大气层，运营商可以利用这些路径将卫星直接送入毁灭之路。“我们称之为通过共振和不稳定性进行的被动处置，”罗森格伦说。“是的，我们需要一个新的名字。”
其他研究人员之前也探索过这个概念，但罗森格伦正试图将其推向主流。“这是太空碎片领域中较新的事物之一，”他说。
这些天空中的处置高速公路可能很容易进入。在 7 月在加利福尼亚州帕萨迪纳举行的太空会议上，罗森格伦和他的同事报告了他们对 20 世纪 60 年代美国轨道地球物理观测卫星的分析。科学家们发现，将发射日期或时间更改仅 15 分钟就可能导致卫星在轨道上停留的时间产生巨大差异。这些信息可用于帮助计算离开发射台的最佳时间。
正如 CryoSat-2 等卫星的运营商所发现的那样，现在采取积极主动的措施可以避免未来出现很多麻烦。当 ESA 决定在 7 月初采取规避行动时，其工程师不得不匆忙加班，整个周末都在为机动做准备。ESA 的太空碎片工程师维塔利·布劳恩说，一旦太空垃圾安全飞过，CryoSat-2 花了几天时间才回到正常轨道。
但警报并没有停止传来。在接下来的几周里，任务控制员不得不至少六次移动各种卫星以躲避碎片。8 月 23 日，他们首次将 Sentinel-3B 卫星从太空垃圾的轨道上移开。它在轨道上仅运行了四个月。
本文经许可转载，首次发表于2018 年 9 月 5 日。