我们该如何应对太空垃圾？

中国科学院紫金山天文台 韦栋 编译自 Margaret Harris. Physics World，2026，（5）：28

本文选自《物理》2026年第6期

现代生活离不开空间基础设施，但在工作卫星和空间望远镜周围，还有数以百万计的人造碎片在绕地高速飞行。凯瑟琳·考特尼(Katherine Courtney)和爱丽丝·戈尔曼(Alice Gorman)接受玛格丽特·哈里斯(Margaret Harris)采访，讨论太空垃圾的来源、风险，以及人类该如何应对这个越来越紧迫的问题。

在环绕地球运行的卫星、望远镜和空间站周围，还散布着大量太空垃圾。它们有的是已经失效的整颗卫星，有的是遗留在轨道上的火箭残骸，也有的是镜头盖、燃料箱、微小螺栓等部件或碎片。太空垃圾已经不只是航天工程问题，它会干扰地面和空间望远镜的天文观测，也可能影响高层大气的化学过程，并对一个越来越依赖卫星服务的现代社会构成威胁。

2025年11月，英国全球空间可持续发展网络(GNOSIS)主席、英国航天局前首席执行官凯瑟琳·考特尼，与澳大利亚弗林德斯大学空间考古学副教授爱丽丝·戈尔曼参加了专题讨论。戈尔曼长期从考古学角度研究空间物体的文化意义，人称“太空垃圾博士”。两人的共同判断是：空间碎片问题已经进入必须主动应对的阶段。

什么是太空垃圾？

戈尔曼认为，太空垃圾通常是指空间中任何在当前及可预见的未来都不再具有实际用途的物体。按来源看，它们既包括完整失效的卫星，也包括完成投送后留在轨道上的火箭残骸，以及航天器运行中释放的螺栓、镜头盖、燃料箱等。爆炸、碰撞、任务释放和在轨材料老化，都可能把原本完整的航天器或部件变成大量碎片。最新估计显示，轨道上尺寸大于10 cm的人造物体约有5.4万个，其中包括1.4万多颗仍在运行的卫星和航天器；1—10 cm的物体约有120万个；1 mm—1 cm的物体可能多达1.4亿个。

被释放的废弃物。国际空间站在约425公里高度飞越智利北部海岸时，释放了一组装在托盘上的旧电池。该托盘将在轨运行2至4年后再入大气层烧毁

这些数字还只是模型和观测能够覆盖的一部分。空间监视网络定期跟踪的物体约为44870个，更多小碎片无法逐一编目。最拥挤的区域是近地轨道，即海平面以上约200至2000公里。这里聚集了大量的工作卫星，其中约9000颗属于SpaceX的星链网络。再往外是中地球轨道、35786公里附近的地球同步和地球静止轨道，以及用于安置失效地球静止卫星的“墓地轨道”。（除上述近圆轨道外，还有不少空间目标处于大椭圆轨道，例如莫尔尼亚轨道(Molniya orbit)和地球同步转移轨道(GTO)。莫尔尼亚轨道倾角约63.4°、周期约12小时，主要用于高纬度地区通信；GTO则常用于将卫星送往地球同步/静止轨道，部分发射任务遗留的火箭残骸和碎片会停留在这类转移轨道。这些目标同样需要纳入空间目标监测和轨道环境评估。——译者注)

占据轨道空间。不同类型的人造碎片数量随时间变化(数据来自欧洲航天局地心轨道空间碎片记录)

风险究竟在哪里？

考特尼强调，人类对空间基础设施的依赖已经远超直觉。互联网、移动通信、银行网络、公用事业电网、应急服务、食品配送、气候变化监测乃至股票市场，都在不同程度上依赖卫星系统。一旦关键轨道环境恶化，受影响的将不只是航天机构。

1978年，美国天体物理学家唐纳德·凯斯勒提出，如果某些轨道中的碎片和在轨卫星过于密集，一次碰撞就可能产生更多碎片，并进一步引发新的碰撞，形成连锁反应，使相关空间区域在几代人时间里都难以使用，这就是“凯斯勒综合征”。凯斯勒与英国航天工程师休·刘易斯最近利用欧洲航天局(ESA)的数据重新评估了这一问题，认为一些轨道已经显现出不稳定迹象。

危险并不只来自大型残骸。即便很小的碎片，也可能让高速运行的卫星失效。问题在于，可机动的工作航天器和不可机动的失效物体同处一片轨道空间；前者数量迅速增加，后者又难以清除。星链公布的碰撞规避机动数据显示，随着星座规模扩大，规避动作也在持续增加。许多碎片无法被持续跟踪，更不会主动通报自己的位置和轨道变化，因此越是拥挤的轨道，碰撞风险越难判断。

空间天气还会增加这种不确定性。太阳风暴会让卫星电子系统承受强烈的带电粒子流，也会增强高层大气阻力，使碎片轨道发生难以预料的变化。在这种背景下，大规模星座越来越依赖自动轨道保持和自动避碰，但目前并没有统一机制要求运营方提前通告这些非计划机动。

天文学和地球环境也受影响

太空垃圾和大量卫星会直接干扰天文观测。当卫星或碎片穿过望远镜视场时，会在图像中留下亮条纹，使部分图像数据无法使用。射电天文学也会受到影响，因为卫星会持续发射通信信号，其电气系统还可能泄漏电磁辐射。

再入大气层的碎片则带来另一个问题。过去人们常把大气层视为天然焚化炉，认为让失效物体再入并烧毁，是处置太空垃圾最自然的方式。但航天器烧蚀产生的铝颗粒和烟尘颗粒会进入高层大气，并可能影响臭氧层；而较大的物体并不总能完全烧毁，仍可能有残骸落到地面。近年来一些火箭残骸的不受控再入提醒人们，这种风险不能只靠运气消解。换言之，轨道环境和地球环境并不是两个彼此独立的问题。

可以采取哪些措施？？

戈尔曼指出，主动碎片清除技术已经有不少方案和试验，但真正投入常规运行的任务仍然有限。对新任务来说，更关键的是从源头避免制造新碎片。欧洲航天局提出“零碎片宪章”，要求未来任务尽量实现“碎片中性”。过去常见的原则是，航天器寿命终止后不应在轨停留超过25年；现在这一期限已缩短到5年。但据估计，只有约40%至60%的卫星运营方遵守了相关规程。

考特尼认为，仅靠自愿准则远远不够。联合国外层空间活动长期可持续性准则正在被一些国家纳入本国空间法，国际电信联盟也开始讨论轨道和频谱使用中的可持续问题。欧洲航天局的这一倡议提出了清晰的技术目标，但如果最佳实践仍只是让航天器在5年内烧毁，就未必触及问题根本。任务还应面向再利用、回收和低影响材料来设计。2025年，联合国和平利用外层空间委员会在长期可持续性工作组下设立空间态势感知专家组，原因正是各国和机构掌握的数据并不标准化，也缺少互通机制。联合国2024年未来峰会还提出，2027年将召开第四次联合国探索及和平利用外层空间会议(UNISPACE IV)，重点讨论空间碎片问题、减少和控制碎片的办法、空间交通管理以及国际合作。

她主张建立一个非军事、跨国界的独立机构，像国际电信联盟管理无线电频谱那样，在国际层面监测空间环境，并协调相关标准的执行。各国航天机构、商业运营方和国际组织之间，至少应建立更稳定的碰撞预警、数据共享和应急沟通机制。（我国在空间碎片领域已形成监测预警、风险评估、航天器防护、减少碎片产生和主动清除等多方向布局。中国科学院国家天文台等单位开展空间碎片监测预警与应用研究；中国科学院紫金山天文台长期从事空间目标观测、编目和轨道处理，并运行中国科学院空间目标与碎片观测网，为空间目标监测和轨道环境研究提供持续观测支撑；中国科学院上海天文台等单位开展空间碎片激光测距和精密测量；中国空间技术研究院、中国科学院国家空间科学中心、力学研究所，以及北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等高校和航天院所，也在航天器防护、空间环境效应、减少碎片产生、主动清除和离轨任务规划等方面开展研究。——译者注)

清除碎片为什么困难？

目前较先进的示范包括日本Astroscale公司的ADRAS-J任务，它已展示安全接近目标并进行近距离检查的能力；欧洲航天局计划在2029年发射ClearSpace-1，从近地轨道清除一颗旧的PROBA-1卫星。相关技术包括机器人抓捕机构和磁性捕获方案。英国政府也资助了更复杂的清除设想：先处置一个由英国许可发射的在轨物体，再返回去清除第二个目标。

太空清道夫。欧洲航天局正在筹备主动碎片清除任务，并发展便于清除设计(D4R)技术，以便安全处置寿命结束且无法自主机动的卫星

这类任务之所以困难，首先在于不能制造更多碎片。待清除目标可能正在翻滚，可能已经局部解体，也可能携带残余燃料。清除器必须证明自己能够安全接近、捕获并处置一个“非合作目标”。与此同时，越来越多研究机构和商业公司开始关注这一领域。即便如此，主动清除空间碎片距离大规模常态化应用仍有很大差距。

是否所有旧航天器都该清除？

戈尔曼提醒，不能把所有旧航天器都简单看作垃圾。一些早期航天器具有重要遗产价值，代表着人类进入太空的历史。例如1958年3月17日发射的先锋1号(Vanguard 1)，是世界上第一颗太阳能卫星，也是至今仍在绕地运行的最古老人造物体之一。如果这类物体目前并不构成碰撞风险，就不一定需要立刻移除。更合理的做法是，各国评估本国在轨遗产资产，按照文化意义和风险程度排序；只有在确有必要时，才采取清除行动。在戈尔曼看来，这些航天器并非毫无价值；它们能够把人类与自身探索太空的历史连接起来。

早期航天遗产。先锋1号于1958年3月17日发射，是继探险者1号之后美国第二颗进入轨道的卫星，也是至今仍在绕地球运行的最古老人造物体之一

她还提出一个更根本的问题：并非所有功能都必须放在太空。星链等低轨通信星座之所以快速扩张，部分原因是偏远地区地面通信基础设施投资不足。人类当然会继续使用空间系统，但也可以把一部分功能重新交还给地面基础设施，减少对轨道资源的过度依赖。

考特尼用高速公路作比喻：如果所有车辆都能以任意速度行驶，没有转向灯，车坏了还可以直接停在路中央，这条路很快就会无法使用。轨道空间也可能如此。国际电信联盟备案中已有超过一百万项在特定频谱运行的许可，理论上未来10年还可能再发射一百万颗卫星。今天约90%的空间活动是商业活动，企业必须面对风险，否则最终会承受经济损失。她认为，真正有效的合作也许会在一次“埃克森·瓦尔迪兹号时刻”之后到来：一场足以让运营方感到财务痛感，但又不至于触发灾难性连锁碰撞的事故。值得注意的是，五年前几乎听不到运营商说监管是好事，如今已有运营商主动要求监管。

但更好的选择，是在那一刻到来之前行动。空间没有国界，轨道容量却不是无限的。减少太空垃圾，需要更清晰的监测数据、更严格的设计标准和寿命终止处置要求，也需要更有效的国际规则；同时，我们还应重新审视，究竟该把哪些社会功能交给太空来承担。

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