鲁达 以下根据刘静老师2020年8月1日在高山大学、更新学堂以及腾讯公益基金会联合出品的“科学公益直播”的课程整理而成，经老师审核后公开发布。
※全文4223字丨5分钟阅读
※整理丨张明
※编辑丨朱珍
授课老师：刘静，中国科学院国家天文台研究员、中国国家航天局空间碎片监测与应用中心副主任。
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一、空间碎片是什么
空间碎片的定义非常严格，是人类遗弃在太空中的无功能的人造物体及其残块和组件，俗称“太空垃圾”。
空间碎片的构成主要包括：
（1）失效航天器；
（2）火箭残骸；
（3）操作性碎片，指正常在轨工作中产生的一些必须要释放的碎片；
（4）解体碎片，指由前三类物体在轨运行的过程中解体、爆炸、碰撞产生的碎片。
从数量上看，解体碎片占比多达53%；火箭残骸占比11%；操作性碎片占比11%；失效航天器占比23%；另外一些还有异常碎片占比2%。
在所有地球周围的空间物体中，工作的航天器只占了一点点，大概5%。
根据观测和分析，目前已经知道的大于10厘米的碎片大约有23000个，可能还有6000-7000个没有看到或追踪到，总计3万个左右。1厘米到10厘米之间的碎片据估计有90万个。毫米级的碎片大概有1亿多。
大量的碎片在航天器的周围是一个非常严峻的问题。
二、空间碎片的危害
1、碎片碰撞
空间碎片是超高速的运动，速度达到7.9公里/秒；如果撞击，平均撞击速度超过10公里/秒。
巨大的碰撞动能会产生巨大的破坏力。尺寸大于1厘米的碎片可导致航天器彻底损坏。10克的碎片相当于1300千克、时速100公里的汽车撞击。1克的碎片相当于24克的炸药爆炸释放的能量。所以撞击的动能足以毁坏航天器。
毫米级以下碎片的撞击累积效应将导致航天器性能下降或功能失效。
上图是第7次航天飞机任务（STS-7）挑战者号航天飞机上的采样，航天飞机后舷窗被毫米级、微米级的碎片击中后留下的撞击坑。航天飞机每次飞行前都需要更换玻璃。
历史上第一个被定性、定位的卫星碰撞事件是1996年法国“樱桃”电子侦察卫星（Cerise）与“阿丽亚娜”火箭（Ariane）的残骸相撞。
法国“樱桃”卫星被“阿丽亚娜”火箭碎片击中（图为艺术创作）
碎片撞断卫星的重力梯度稳定杆，使得卫星自旋失稳当时就失效了。虽然经过很长时间的抢救慢慢稳定回来，但它的工作已经受到很大的影响。
“铱33”卫星与俄罗斯“宇宙2251”卫星相撞视频
2009年2月，美国铱卫星公司正常运行的“铱33”通讯卫星与俄罗斯已报废的“宇宙2251” 军用通讯卫星相撞。相撞之后产生了3000多个碎片，沿着轨道不断地弥散。
相撞之后产生的碎片对于空间的影响是长期的。如果类似的撞击事件发生多了，太空环境状况可想而知。而且碰撞的反应是连锁式的，有可能造成太空没法再利用了。
2、碎片陨落
空间碎片还有一种危害就是陨落地面造成的损伤。低轨空间碎片高度不断降低，陨落在人口稠密区、砸到一些重要的设施，造成不可逆转的危害和巨大的损失。
每天都有碎片在陨落，每年陨落的碎片有400个左右，太阳活动高年会超过1000个。
在陨落中尤其要关注的是大型的物体，大型物体的陨落通常会引发国际的关注。
碎片如果足够小，意味着它在进入稠密大气的时候就会被烧毁，对地面没有危害。但如果物体很大，或者物体中有烧蚀不了的，它就会落到地面。每当大型物体陨落的时候，每个国家都很紧张，因为无法准确预报它会落在哪儿。
1978年苏联核动力卫星陨落在加拿大，散落带长达1500公里。因为有核燃料，当时引起了很大的国际纠纷。最后经国际仲裁法庭裁决，苏联赔偿了300万美元。苏联并不承认是赔偿，说自己是“出于人道主义援助，‘善意性’支付300万美元帮助加拿大清理核废料”。
2001年和平号空间站陨落解体也引起了国际的恐慌。在陨落前的三四年，联合国每年都会要求俄罗斯提供报告，公布处置方案以及预报陨落地点等。最终和平号空间站经过有控再入，国际联合观测到碎片散落在太平洋120万平方公里区域，没有对人造成伤害。
大型空间碎片碰撞大约5年会发生一次，每次碰撞都会产生数千个碎片。碰撞导致的解体将快速恶化空间碎片环境，导致某些重要轨道资源难以利用，外空活动的长期可持续性遭到威胁。
空间碎片是全人类共同的敌人和共同的挑战，要共同去应对它。
三、如何应对空间碎片的威胁
1、空间碎片监测
通常比较远的碎片可以用天文望远镜、光学望远镜去看；近的碎片靠雷达去看；如果有一些地面看不到但需要及时掌握轨道的碎片，可以用天基结合激光测距的方法来获取。
望远镜是一种没有辐射、电磁污染的手段，在夜里可以监测天空中飞行的碎片或卫星。
雷达是用电磁波手段，把电磁波打在碎片上，有回波的话就可以知道它的位置。较长时间的跟踪可以完全掌握碎片的轨迹，并进行预报。
雷达可以实现全天候跟踪和多目标跟踪，缺点是耗电大、运行成本很高。一台普通的雷达，每年的电费就会高达数百万元。
天基探测就是把雷达或望远镜搭载在卫星上；如果想掌握更精密的轨道或者把碎片看得更清楚，可以用激光测距观测等方式获得。激光探测的精度可以达到厘米级。
天基监测是全天时、全天候的，无地理限制，不受大气影响，围绕地球运转，所到之处的碎片都可以监测到。
上述手段可以监测10厘米以上甚至几厘米的碎片，如果碎片再小一点就需要另外两种办法：
一是轨道传感器探测。在航天器上搭载很多小的探测器，碎片撞击，可以感知到声、光、电等信号，就可以知道碎片的数量。
二是回收样本分析。例如美国将一个叫做LDEF（长期暴露装置）的航天器送到太空去，回收之后通过分析装置上的撞坑、穿孔来分析碎片环境。
对于小碎片，没有办法明确知道它的位置，但可以通过统计知道在哪些区域碎片比较多。通过采集的数据样本建立模型，然后推测航天器会在什么样的环境里运行。
不同的国家都在建立自己的空间碎片的监测网络。
美国的空间监视网是全球布局的。目前对空间态势感知和空域感知的需求越来越迫切，所以美国正在加紧建设新的设备，使它的网络更强大，可以做到无缝监测、高时效性的监测，能够及时感知空间任何碎片的情况。
上图是美国正在建设并且马上要投入运行的空间篱笆（Space Fence），部署在马绍尔群岛的夸贾林环礁。
它是通过电磁波构成一个屏，所有通过屏的空间碎片都会被第一时间感知，而且雷达会分出一个波束跟着碎片走；这样不仅能感知到碎片，而且能很快通过跟踪波束获得的轨迹预知碎片的轨道。可以把碎片的所有情况放到数据库里，然后做一个编目，就可以随时了解它可能会对航天活动产生什么样的影响。
空间篱笆的探测数量会比现在提高10倍，非常厉害。
欧洲也在建立空间碎片监测系统，典型的监测设备有类似空间篱笆的设施、GRAVES雷达、ZIMLAT望远镜、TIRA雷达。
TIRA雷达可以做比较精密的跟踪，精度到米级，比激光差点，但它同时可以给碎片成像。这样不仅可以知道碎片的位置，而且可以知道碎片的形状、尺寸，对于应对空间碎片的威胁提供了很好的数据基础。
俄罗斯有很强大的遍布全球的光学监测网，有100多台不同口径的望远镜。最大的口径有2米6，最小的口径有20公分。它可以利用光学编目地球同步轨道大约9000个碎片。
2、空间碎片预警
空间碎片预警是在航天器发射前和运行中提前发现碰撞危险，改变发射时间或采取轨道机动规避措施，避免灾难性碰撞事件。
在轨预警有两种方式：
一种是改变航天器轨道到达与碎片轨道交会点的时间，给航天器加速，避免碰撞的发生。
另一种是抬高或者降低航天器的轨道，使得变轨后的轨道与原定交会点有高度差，从而规避碰撞。
在轨预警的原理很简单，但具体的计算很复杂。
发射预警是预测发射之后三天之内有没有碎片和航天器未来可能去的轨道、位置有危险的交会，计算之后，通过改变发射时间来躲避碰撞。三天之后，可以转入在轨预警的流程。
发射预警与在轨预警可以确保航天器的整个过程是安全的。
目前国际上已经有很多国家在开展卫星的常态化预警和规避。
国际空间站已经执行规避25次，2015年共规避4次，其中一次（2015年7月16日）由于通知时间太晚，航天员紧急进入俄罗斯“联盟号”飞船躲避。
NASA2015年执行规避26次，其中13次是躲避卫星相撞的碎片。
ESA2016年执行规避13次。
2003年，神州五号飞船发射，中国完全用自己的技术解决了发射窗口的问题。神州六号飞船开始，做发射预警、躲避碰撞已经成为常态化的事情。
美国军方有一个大的碎片数据库，给国际上很多客户提供预警的服务。
据不完全统计，目前全球每年规避的次数多达150次左右。随着小卫星星座的蓬勃发展，预计预警需求会急速增多，甚至上千次都有可能。
在这种情况下，仅靠美国政府的公立机构服务不可能提供非常精准的预报和非常大范围的广泛的预报。所以，商业化的预警公司风起云涌地出现了。
例如：
AGI公司在脱离美国的国家库之外做自己的空间碎片的监测和编目，已经编目9000个甚至上万个碎片。它是世界上第一个商业化的预警服务的运营中心。
ExoAnalytic全球望远镜网络有25个观测站，275台望远镜，也能够提供非常多的基础监测数据和安全的定制服务，可以确保航天器的安全。
Leolabs公司除了用光学望远镜之外，还计划使用6台雷达（已经在全球部署4台），可以监测到2厘米的碎片，可以对一个碎片每天监测到10次过境，精度是很高的。它的服务模式是目前美国鼓励、在国际上也是比较新型的一种服务方式。
还有一种预警是陨落预警。陨落对地面的人员和设施有危害，需要预报陨落的位置。陨落有非常多的难题，特别是因为大气预报不准原因有很大的预报误差。每当有大型空间物体陨落的时候，全球要做联测，一起做分析。
3、航天器防护
防护主要是针对小尺寸的碎片，比如毫米级的。防护的步骤主要包括：
首先评估航天器的风险，可能遇到多少次碎片的撞击，在航天器的每个部位大概是什么样的撞击情况；然后提前对撞击比较多的地方做撞击防护设计；最后确定防护布局后，给航天器做好“盔甲”就可以防护了。
航天器撞击风险防护设计需要预先进行地面的超高速撞击实验和模拟。超高速是指3公里/秒以上的撞击速度。用超高速撞击的发射装置在地面把弹丸碎片发射到很高的速度甚至10公里/秒的速度，看航天器采用的材料被撞击之后会发生什么样的形态变化，然后才能知道怎么去防护。
上图是Whipple防护结构。使用一层防护，航天器肯定会被击穿；使用两层防护，也不行。所以在地面要通过层数的选择和多次的实验才能够知道要把什么样的Whipple防护结构放到空间站撞击风险比较高的区域。
国际空间站自1998年建成以来，舱段不断增加，现在已经有各种不同国家的舱段上不同的结构安装了500多个专门用于抵御空间撞击的防护结构，最大可抵御1厘米碎片的撞击。
得益于这些不同的“盔甲”，国际空间站已经安全运行20多年。
四、如何保护空间环境的洁净
除了防护、躲避的被动方法，还有一些主动方法可以让空间环境变得好一点，减轻预警、防护的压力。
保护空间环境的洁净有几种措施：
1、减缓措施
减缓措施有两种：
（1）限制碎片的产生
主要是限制操作性碎片的产生。在发射过程中运载火箭级间分离、航天器分离都有可能抛出爆炸螺栓、弹簧释放机构，航天器入轨后释放出来的各类保护罩、太阳电池阵展开解锁时抛出的压紧装置等。可以用系留的方式限制抛出。另外就是限制抛出的数量。
还有航天器钝化，是指将完成任务以后的运载工具和航天器上的能量释放，从而避免爆炸所采取的措施。能量源包括剩余推进剂、高压气瓶、电池的剩余能量、惯性器件和运动部件的能量等。
（2）减轻碎片的影响
航天器在工作任务结束后，让它离开原来的轨道，要么拖回地球，要么拖到别的航天器永远不会去的地方——坟墓轨道。
地球周围2000公里的区域叫保护区（上图中红色的区域）。航天器工作任务完成后不能在保护区停留。
另外GEO轨道（地球同步轨道）上下200公里、倾斜15度的环形区域也是保护区，航天器也不能停留。
把航天器脱离轨道降下来可以用离轨索（也叫电动力绳）。航天器在任务结束之后会放下一根很长的导线，这根导线可以切割地球磁场的磁力线，产生运动方向相反的反作用力，使航天器轨道高度能够降低，更快地进入大气层烧毁。
离轨索长度在数公里到数十公里之间，离轨索越长曳力越大，陨落越快。
例如：Globalstar卫星运行高度1390公里，如果让它自然陨落需要9000年，采用离轨索以后轨道寿命只有37天。这是非常有效的把卫星拖离保护区让出轨道的方式。
还有一种方式是阻力帆，阻力帆巨大的面积可以增加大气阻力，大大缩短轨道寿命。截面积增大50倍，轨道寿命可降低50倍。
2、清除措施
主动清除（ADR）有几种方式：
（1）用飞爪把航天器抓回来；
（2）用电动力绳、飞网把航天器包住后拖回来；
（3）在地面或空中用激光去打航天器，使航天器表面产生烧蚀的等离子体，等离子体可以改变航天器的轨道，把轨道降下来。在地面上的激光需要非常多的能量，所以现在人们想把它放到天上去，但是困难非常多。
3、空间交通管理
空间交通管理是指一整套技术和法律条款，用以提升在进入外层空间、在外层空间运行以及从外层空间返回地球时的安全性，免遭物质的或电磁波的干扰。
空间交通管理的框架是很复杂、很庞大的体系。目前联合国有《空间碎片减缓指南》，美国制定了一系列的法律法规来限制碎片，中国也出台了很多的行业规定和标准。
另外，联合国正在制定《外空活动长期可持续规则》，我持续七年参加谈判，目前已经谈成了21条，有些还在谈判中。这一揽子的规则是为了保证航天的安全，保证外空活动的长期可持续性。这是一项比较长期的工作，既有技术的要求，又有法律的要求。
机构上，除了联合国，还有一个非常重要的组织——机构间空间碎片协调委员会（IADC），有13个成员国，中国国家航天局1995年正式加入IADC。IADC的宗旨是交换数据、交换研究成果，同时启动一些国际的联合行动和科研活动，为国际提供减缓措施的建议。
由IADC制定的减缓规则通常都会提交到联合国成为联合国和平利用外层空间委员会的规则。
IADC正在做的事情还有制定星座规则，控制轨道污染。SpaceX的4万多颗卫星上天了，轨道的状况可想而知。所以要求在星座设计的阶段对星座设计、卫星设计、在轨操作都要有很详细的规定。
《IADC低地球轨道大型星座的声明》正在制定中，已经做了三年，预计明年提交联合国。未来对于小卫星星座、大型星座的限制和要求会非常严格，中国的卫星星座的公司要做好相应的准备。
五、结语
空间碎片和航天安全息息相关，着眼航天飞行安全，必须限制空间碎片。
整体上，在外空条约和外空规则的限制下，国家必须制定监管的措施，要求卫星制造商、操作者以及所有者进行必要的设计、操作和管控，让卫星在外空运行符合外空条约和外空规则的要求。
同时我们还要执行很强有力的空间碎片监测和预警手段，并确保空间碎片减缓、空间碎片清除和空间交通管理这些措施的实施。
减少碎片数量增长，减少新碎片的产生，减少碎片对操作的影响是保障航天安全、维护外空活动安全的长期可持续发展的必要措施。
对于技术人员、科学家而言，要做的事情是：提高监测能力，不仅“看的全”，而且“看得清、看得准”；用好的模型、高精度的手段能够“报的准”，使航天器“躲得及”；发展非常低成本的清除手段，“清的多，成本低”；空间交通管理的措施能够“管得住，保安全”。
注：本文视频材料来源：《Space debris – a journey to Earth》，ESA空间碎片办公室宣传视频
《Remove Debris Mission》，英国Surrey大学宣传视频，美国AGI公司的公开视频
“现在，西方原本最接近理性的美国政治体制，居然沦入如此困境！中国将来的途径应是如何？我愿意在检讨美国历史之时，向台海两岸的中国人，一抒个人的感想。”
2020年8-10月，台湾“中央研究院”院士，美国匹兹堡大学荣休教授许倬云先生将在高山大学作“十日谈”，将他一生积累的广博阅历、炉火纯青的智慧与融会贯通的知识提炼给大家。
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