7 月 2 日星期一，CryoSat-2 航天器像往常一樣在地球表面上方 700 多公里的軌道上執行。但就在那天，歐洲航天局 (ESA) 的任務控制員意識到他們遇到了問題：一塊太空碎片正不受控制地衝向價值 1.4 億歐元（1.62 億美元）的衛星，這顆衛星負責監測地球上的冰層。
隨著工程師們追蹤這兩個物體的路徑，碰撞的可能性緩慢增加——迫使任務控制員採取行動。7 月 9 日，ESA 啟動 CryoSat-2 的推進器，將其推入更高的軌道。僅僅 50 分鐘後，碎片以每秒 4.1 公里的速度呼嘯而過。
隨著地球周圍的空間變得越來越擁擠，這種機動每年都變得越來越普遍。2017 年，商業公司、軍事和民用部門以及業餘愛好者向軌道發射了 400 多顆衛星，是 2000-2010 年年平均水平的 4 倍多。如果波音、OneWeb 和 SpaceX 等公司落實在未來幾年向太空部署數百到數千顆通訊衛星的計劃，這一數字可能會更加急劇上升。如果所有這些擬議的“大型星座”都升空，它們將大致相當於人類在航天史上發射的衛星數量。
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所有這些交通都可能導致災難。2009 年，一顆美國商業銥星衛星撞上了一顆名為 Cosmos-2251 的非現役俄羅斯通訊衛星，產生了數千塊新的太空彈片，現在威脅著低地球軌道（高度高達 2,000 公里的區域）中的其他衛星。總而言之，軌道上大約有 20,000 個人造物體，從工作衛星到太陽能電池板和火箭碎片的小碎片。衛星運營商無法避開所有潛在的碰撞，因為每次移動都會消耗時間和燃料，而這些時間和燃料原本可以用於航天器的主要工作。
對太空垃圾的擔憂可以追溯到衛星時代的開始，但軌道上的物體數量正在迅速增加，研究人員正在研究解決該問題的新方法。一些團隊正在努力改進評估軌道上物體的方法，以便衛星運營商能夠在日益擁擠的空間中更有效地工作。一些研究人員現在開始編譯一個龐大的資料集，其中包括關於軌道上所有物體的最佳資訊。其他人正在開發太空垃圾的分類法——研究如何測量物體的形狀和大小等屬性，以便衛星運營商知道應該在多大程度上擔心即將到來的物體。一些研究人員正在確定特殊的軌道，衛星在完成任務後可以移動到這些軌道，以便它們在大氣層中快速燃燒，從而幫助清理太空。
許多人說，另一種選擇是不可想象的。僅僅幾次不受控制的太空碰撞就可能產生足夠的碎片，從而引發失控的碎片級聯，使近地空間無法使用。“如果我們繼續這樣下去，我們將達到一個無法回頭的地步，”印第安納州西拉法葉普渡大學的太空動力學研究員卡羅琳·弗魯赫說。
汙染軌道
自 20 世紀 60 年代以來，天文學家和其他人就一直擔心太空垃圾，當時他們反對美國軍方的一個專案，該專案將向軌道傳送數百萬根細小的銅針。這些針旨在使無線電通訊成為可能，以防高空核試驗摧毀電離層，電離層是反射長距離無線電波的大氣層。空軍於 1963 年將這些針送入軌道，在那裡它們成功地形成了一條反射帶。大多數針在接下來的三年中自然地脫離軌道，但對“汙染”太空的擔憂仍然幫助結束了這個專案。
費城賓夕法尼亞州科學史學家、美國曆史協會和 NASA 的研究員麗莎·蘭德說，這是公眾將太空視為應該保持清潔的景觀的首批例子之一。
自從蘇聯於 1957 年發射第一顆人造衛星 Sputnik 以來，太空中的物體數量激增，1970 年達到約 2,000 個，2000 年約 7,500 個，今天已知的物體約 20,000 個。軌道碎片數量的兩次最大峰值分別出現在 2007 年中國政府在導彈試驗中炸燬了自己的一顆衛星，以及 2009 年銥星-宇宙衛星碰撞事件中。歐洲航天局太空碎片辦公室負責人霍爾格·克拉格說，這兩起事件都產生了數千塊新的碎片，約佔歐洲航天局每年進行的 20 多次衛星機動的一半。
美國軍方平均每天釋出 21 次潛在太空碰撞警告。明年，當空軍在太平洋誇賈林環礁啟用強大的新型雷達設施時，這些數字可能會急劇上升。該設施將使美國軍方能夠探測到小於目前低地球軌道 10 釐米限制的物體，這可能會使跟蹤物體的數量增加五倍。
奮進號太空梭因與太空碎片或微隕石碰撞而受損。來源：NASA
即使我們監測太空物體的能力不斷提高，軌道上物體的總數也在增加。這意味著公司、政府和太空領域的其他參與者不得不以新的方式進行合作，以避免共同的威脅。自 2000 年代以來，機構間空間碎片協調委員會等國際組織制定了實現空間可持續性的指導方針。其中包括在衛星使用壽命結束時，透過排放剩餘燃料或其他可能導致爆炸的加壓材料來使其失效。政府間組織還建議將衛星降低到足夠深入大氣層的位置，以便它們在 25 年內燃燒或解體。
但克拉格說，到目前為止，只有大約一半的任務遵守了 25 年的指導方針。計劃中的大型星座的運營商表示，他們將成為負責任的太空管理者，但克拉格擔心，儘管他們有最好的意圖，問題可能會加劇。“那些失敗或破產的公司會怎麼樣？”他問道。“他們可能不會花錢從太空移除他們的衛星。”
太空交通警察
從理論上講，衛星運營商應該有足夠的空間讓所有這些任務安全飛行，而永遠不會靠近另一個物體。因此，一些科學家正在透過嘗試高精度地瞭解所有碎片的位置來解決太空垃圾問題。這將減輕今天用於避免潛在碰撞的許多不必要機動的需要。“如果你確切地知道所有東西在哪裡，你幾乎永遠不會有問題，”加利福尼亞州埃爾塞貢多航空航天公司的太空碎片專家馬龍·索格說。
這個領域被稱為太空交通管理，因為它類似於管理道路或空中的交通。德克薩斯大學奧斯汀分校的太空動力學家 Moriba Jah 說，想想機場繁忙的一天：飛機像一串珍珠一樣在空中排隊，在精心編排的例行程式中彼此靠近地著陸和起飛。空中交通管制員知道飛機的位置，精確到 1 米。
太空碎片就不能這樣說了。並非所有軌道上的物體都是已知的，即使是資料庫中包含的物體，其跟蹤精度也各不相同。最重要的是，沒有權威的目錄可以準確列出所有已知太空碎片的軌道。
Jah 用他開發的名為 ASTRIAGraph 的網路資料庫來說明這一點。它利用美國和俄羅斯政府維護的目錄等多個來源，視覺化太空物體的位置。當他輸入特定太空物體的識別符號時，ASTRIAGraph 會繪製一條紫色線來表示其軌道。
但這對於許多物體來說並不完全有效，例如 2007 年發射的俄羅斯火箭殘骸，在資料庫中被指定為物體編號 32280。當 Jah 輸入該編號時，ASTRIAGraph 繪製了兩條紫色線：美國和俄羅斯的來源包含同一物體的兩個完全不同的軌道。Jah 說，除非有第三個資訊來源可以幫助交叉關聯正確的位置，否則幾乎不可能判斷哪個是正確的。
2012 年，小型 CubeSat 從國際空間站釋放。來源：NASA
ASTRIAGraph 目前包含一些（但不是全部）關於跟蹤太空物體的主要資訊來源。美國軍方目錄（公開可用的最大資料庫）幾乎肯定遺漏了有關機密衛星的資訊。俄羅斯政府同樣對其許多資料保密。過去幾年湧現出幾個商業太空跟蹤資料庫，其中大多數資料庫不公開共享。
Jah 將自己描述為太空環保主義者：“我希望太空成為一個可以安全執行、自由且對後代有用的地方。”他認為，在實現這一目標之前，太空界將繼續淪為公地悲劇，所有航天運營商都在汙染共同資源。
至少在美國太空政策方面，他和和其他太空環保主義者正在開始取得進展。Jah 應德克薩斯州共和黨參議員特德·克魯茲的邀請，去年在國會就太空交通管理作證，克魯茲在今年 7 月共同提出了一項太空法規法案。6 月，唐納德·特朗普總統還簽署了一項關於太空政策的指令，除其他外，該指令將把美國公共太空碎片目錄的責任從軍方轉移到民用機構——可能是監管商業的商務部。
太空政策指令是美國政府最高層討論太空垃圾的難得機會。“這是我們第一次真正認真地進行這種對話，”科羅拉多州威斯敏斯特市 Maxar Technologies 的監管、政策和政府合同副總裁 Mike Gold 說，該公司擁有並運營著許多衛星。
軌道上的死物
地球周圍的太空充滿了殭屍：軌道上所有物體中約有 95% 是報廢衛星或非現役衛星的碎片。當操作一顆現役衛星的人收到關於碰撞航線上物體的警報時，瞭解即將到來的碎片有多危險將很有幫助。“隨著物體越來越多，以及我們目前的不確定性，你只會收到沒完沒了的碰撞警告，”弗魯赫說。（微隕石代表著一種單獨的威脅，根本無法追蹤。）
為了評估即將發生的碰撞風險，衛星運營商需要知道物體是什麼，但跟蹤目錄中關於許多物體的資訊很少。在這些情況下，軍方和其他太空跟蹤器會在潛在碰撞發生前的短時間內使用望遠鏡收集線索。
弗魯赫和她的同事與空軍合作，正在開發快速破譯軌道物體細節的方法，即使對它們知之甚少。例如，透過研究物體在頭頂經過時如何反射陽光，她可以推斷出它是在翻滾還是穩定——這是它是否在執行的線索。她的團隊還在試驗一種機器學習演算法，該演算法可以加快表徵物體的過程，她將於 9 月 14 日在夏威夷毛伊島舉行的太空跟蹤會議上描述這項工作。
一塊被認為是 1998 年太空梭任務中產生的太空碎片。來源：NASA
一旦研究人員知道軌道物體是由什麼製成的，他們就有許多潛在的方法來降低其威脅。一些科幻色彩濃厚的提議包括使用磁鐵清除太空垃圾，或使用雷射摧毀或偏轉軌道上的碎片。在未來幾周內，英國吉爾福德薩里大學的研究人員將試驗用網捕獲一顆測試衛星。名為 RemoveDEBRIS 的專案隨後將把衛星重定向到一個將重新進入大氣層的軌道。
但鑑於軌道上物體數量巨大，這種積極的太空垃圾清理方法不太可能在長期內實用。因此，其他一些專家認為，減輕太空垃圾的最佳方法是被動方法。這利用了太陽和月球的引力，稱為共振，可以將衛星置於毀滅之路。在圖森亞利桑那大學，太空動力學家亞倫·羅森格倫正在開發實現這一目標的方法。
羅森格倫最初是在研究中地球軌道 (MEO) 衛星的命運時接觸到這個想法的。這些衛星的執行高度在低地球軌道結束的約 2,000 公里到地球靜止軌道開始的 35,000 公里之間。
低地球軌道上的衛星可以透過迫使它們重新進入大氣層來處理，而交通不那麼繁忙的地球靜止區域中的大多數衛星可以安全地放置在永不與其他物體相互作用的“墓地”軌道中。但在中地球軌道中，由於引力共振，衛星軌跡在長期內可能不穩定。
航天器運營商可以利用這種現象的早期暗示來自 ESA 的 INTEGRAL γ 射線太空望遠鏡，該望遠鏡於 2002 年發射。INTEGRAL 在一個拉伸軌道上執行，該軌道跨越從低地球軌道、穿過中地球軌道，一直到地球靜止軌道。它原本會在太空中停留一個多世紀，但在 2015 年，ESA 決定調整其軌道。通過幾次小的推進器點火，任務控制員將其放置在與引力共振相互作用的路徑上。它現在將在 2029 年而不是幾十年後重新進入大氣層。
2016 年，羅森格倫和他在法國和義大利的同事表明，存在一個密集的軌道共振網路，該網路決定了物體在中地球軌道中的行為 (J. Daquin et al. Celest. Mech. Dyn. Astr. 124, 335–366; 2016)。羅森格倫認為這可能提供一種潛在的解決方案。在這個共振網路中，有一些路徑不是通往中地球軌道，而是直接通往大氣層，運營商可以利用這些路徑將衛星直接送入毀滅之路。“我們稱之為透過共振和不穩定性進行的被動處置，”羅森格倫說。“是的，我們需要一個新的名字。”
其他研究人員之前也探索過這個概念，但羅森格倫正試圖將其推向主流。“這是太空碎片領域中較新的事物之一，”他說。
這些天空中的處置高速公路可能很容易進入。在 7 月在加利福尼亞州帕薩迪納舉行的太空會議上，羅森格倫和他的同事報告了他們對 20 世紀 60 年代美國軌道地球物理觀測衛星的分析。科學家們發現，將發射日期或時間更改僅 15 分鐘就可能導致衛星在軌道上停留的時間產生巨大差異。這些資訊可用於幫助計算離開發射臺的最佳時間。
正如 CryoSat-2 等衛星的運營商所發現的那樣，現在採取積極主動的措施可以避免未來出現很多麻煩。當 ESA 決定在 7 月初採取規避行動時，其工程師不得不匆忙加班，整個週末都在為機動做準備。ESA 的太空碎片工程師維塔利·布勞恩說，一旦太空垃圾安全飛過，CryoSat-2 花了幾天時間才回到正常軌道。
但警報並沒有停止傳來。在接下來的幾周裡，任務控制員不得不至少六次移動各種衛星以躲避碎片。8 月 23 日，他們首次將 Sentinel-3B 衛星從太空垃圾的軌道上移開。它在軌道上僅運行了四個月。
本文經許可轉載，首次發表於2018 年 9 月 5 日。