十年前(2011年)，美国国家科学委员会(NRC)发布了一份报告，对地球周围的碎片数量提出了警告[1]。当时，根据美国宇航局的估计，碎片已经达到了“临界点”，这使得轨道上的碎片发生碰撞，产生更多的碎片，从而增加了卫星故障的风险。在过去的十年里，环绕地球的碎片数量增加了，甚至风险也增加得更快了。空间碎片的临界点临近了吗？没有人知道答案，但可能很快。
何谓太空碎片？
先说什么是太空垃圾。
根据美国宇航局的定义，空间碎片一般是指不提供有效服务并环绕地球运行的人造物体，如废弃的卫星、留在轨道上的火箭及其部件，以及大碎片相互碰撞后产生的小碎片。空间碎片的主要来源是火箭剩余燃料爆炸产生的碎片。
据世界上最完整的空间碎片跟踪系统——美国空间监视网络(SSN)称，已登记的空间碎片超过1亿个。
当卫星被送入轨道时，根据能量和动量守恒定律，飞行速度必须达到每秒几公里，才能绕地球飞行。因此，如果它撞上轨道上的任何太空垃圾，比如一颗废弃的卫星撞上一块油漆，即使不是灾难性的，也可能造成巨大的损失。
太空碎片造成的灾难有多严重？
自1957年以来，卫星和火箭产生了越来越多的轨道碎片物体，大小从几微米到几米不等。尽管达成了一些限制碎片增长率的国际协议，但各国并没有减少现有碎片数量的严格计划。
地球周围的空间充满了碎片。图/欧洲航天局现在正在向地球低轨道发射越来越多的功能卫星。但当其造成的碎片和卫星数量超过空间碎片容量极限时，理论上可能会发生失控的碰撞反应[2]。
近日，美国Spacenews报道，非洲小国卢旺达向国际电信联盟申请了327230颗卫星[3]，加拿大开普勒新公司提出了11.5万颗卫星的超大型空间网络系统，加上亚马逊、OneWeb、SpaceX和Telesat已经在积极开发的系统，以及地球静止轨道的通信卫星。问题是国际电信联盟没有执法权，国际电信联盟关于轨道拥堵的规定为零。
2007年中国反卫星计划的试验和2009年铱星与俄罗斯宇宙号的碰撞导致的碎片扩散使人们认识到并增强了积极管理碎片情况的紧迫性，试图采取减缓措施，并提出了许多减少空间碎片的技术。去年年底(2021年)，中国天宫空间站紧急启动姿态控制，以避免逼近的Starlink空间网络卫星的潜在碰撞危机。
空间碎片撞击试验：用轻型气枪射击铝板，模拟一块14.2g的塑料在低轨道上以5.334km/s的飞行速度与铝板碰撞，图片/前NASA工程师Megs H. Twitter post
「凯斯勒效应」和连锁反应
美国NASA的科学家在1978年提出了凯斯勒效应理论，该理论表明当空间碎片达到或超过容量极限时，因碎片碰撞而失效的航天器数量会显著增加。地球轨道上大大小小的物体数量会变得非常多，它们会不断地相互碰撞，产生更多的碎片3354，最终成为一种被称为“碰撞级密度”的连锁反应。然后，新产生的碎片会成倍增长，直到近地空间被各种大小的垃圾堵塞。
这样的卫星相撞灾难一旦发生，整个连锁反应可能只需要几天或几周，最后可能只有几颗卫星完好无损。
如果继续无限增加巨型卫星星系，可能会导致数十年甚至更长时间的空间活动完全丧失。
空间碎片一旦超过临界点，就会造成碰撞灾难，无论是空间网络、卫星导航、通信卫星、地球监测、天气预报等。大部分可能会失去功能。科技带来的便利，以及已经建立起来的文明，都会大大的衰减和倒退。
如何解决太空碎片的问题？
如果我们什么都不做，我们每年可能会损失5万亿美元的太空业务收入。重新开放太空至少需要数千亿美元，可能需要数十年才能实现。如果能够制定出补救措施，我们就可以确保空间碎片不会带来灾难性的问题，但这需要非常仔细的计划，涉及几个新的空间系统和数十亿美元的投资。
美国、欧盟、澳大利亚、日本等国的航天机构意识到空间碎片问题的严重性，纷纷提出了不同的补救措施，包括：建立空间碎片跟踪机制，由天文台和观测站精确跟踪和监测空间物体的轨迹，避免现役卫星与大型物体相撞；提出减少空间小碎片物体数量的计划；协调跨国卫星的空间交通，以维持安全的飞行路径；在设计人造卫星时，要在卫星寿命结束前规划好退出机制，让卫星降低轨道返回地球，在大气层中烧毁。这些
方法目前都正在陆续实验、进行中。
最近有一个例子，在今年 2 月初所发射的星链 （Starlink）太空网路卫星，发射时正好受到太阳风暴冲击，有 40 颗卫星被风暴摧毁，幸好当时这一批卫星有返回地球的机制，能够重新进入大气层并燃烧掉，顺利地减少了一批太空垃圾。
注解
- Report says space debris past ‘tipping point,’ NASA needs to step up action
- Space debris
- Satellite operators criticize “extreme” megaconstellation filings
- Space Debris: Wall-E’s Future is Real
- 台湾杰出女科学家系列专访，持续更新中！
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