我们的星球周围环绕着众多航天器,它们执行着重要任务,用于研究不断变化的气候、提供全球通信与导航服务,并助力我们解答重大科学问题。但部分轨道正变得拥挤,且充斥着日益增多的致命、高速移动的废弃卫星与火箭碎片,这些对我们未来的太空活动构成威胁。
自2017年起,欧洲航天局(ESA)的空间碎片办公室每年发布一份《空间环境报告》,以透明的方式概述全球空间活动,并评估国际减少碎片措施对提高航天长期可持续性的成效。以下基于截至2024年底收集的数据,对2025年报告进行概述。
空间碎片数量增长迅速。轨道上的空间碎片数量持续快速上升。目前,空间监视网络追踪约4万个物体,其中约1.1万个是有效载荷。然而,实际尺寸大于1厘米(足以造成灾难性破坏)的空间碎片物体估计超过120万个,其中大于10厘米的物体超过5万个。
近地轨道愈发拥挤。ESA的碎片建模工具MASTER显示,在约550公里高度的近地轨道范围内,构成威胁的碎片物体数量与有效卫星数量处于同一数量级。通信星座偏好的这些高度范围,卫星集中度明显呈峰值。但与前几年相比,星座中相当一部分有效载荷飞行高度显著降低,约四分之一现处于500公里以下高度区间。
碎片事件仍是问题。2024年发生了几起重大及一些较小的碎片事件。这导致一年内物体数量大幅增加,至少新增3000多个被追踪物体。此类事件的显著影响,凸显了在卫星或发射器寿命末期采取措施降低此类事件风险的重要性。这包括钝化技术,确保无燃料或电池电荷残留引发爆炸,并将卫星安全移出重要轨道。
再入继续呈积极趋势。2024年完整物体再入地球大气层的数量上升。2021年底反卫星导弹试验导致整体再入数量大幅增加,在2022年达到峰值(有效载荷碎片,浅蓝色的PF),现正逐渐消退,而卫星再入大气层的快速上升趋势明显(有效载荷,深蓝色的PL)。这是因更好地遵守空间碎片减缓准则,在卫星寿命末期将其移出重要轨道。同时,发射器再入数量也大量增加,2024年受控再入数量首次超过非受控再入。右侧图表显示更多较大物体再入的趋势,尤其是大型有效载荷(PL)再入数量较去年增加。
减缓措施合规情况:25年与5年标准。火箭体和有效载荷每年再入数量都在增加,商业领域尤为明显。这部分归因于对碎片减缓准则的执行力度加大,其中受控返回的火箭体数量是特别的改进领域。截至2023年前,近地轨道约90%的火箭体按25年内再入标准离开宝贵轨道,超过一半以受控方式再入。约80%也符合ESA 2023年为自身活动采用的5年内撤离轨道的新严格标准。因适应新标准时间尚短,差距尚未缩小。但合规差异不大,约10%,未来有望缩小,希望ESA标准能促使更多方面效仿。未来几年,当前太阳周期峰值导致的高太阳活动水平,也将持续影响再入情况。这段强烈空间天气事件时期,常导致大气阻力增加,加快再入时间。
碎片物体增加超过自然再入。尽管减缓努力有所改善,但合规与整治不足,导致2024年空间碎片数量净增长。若按当前趋势推断未来,灾难性碰撞数量可能大幅上升。科学界共识是,即便不再进行额外发射,空间碎片数量仍将持续增长,因碎片事件产生新碎片的速度快于碎片自然再入大气层的速度,即所谓的凯斯勒综合征。这种连锁反应会使特定轨道随时间推移变得不安全且无法使用,因为碎片不断碰撞并再次破碎,产生级联效应。这意味着仅不再添加新碎片已不足够,必须主动清理空间碎片环境。
载人航天面临风险。未来太空探索的目标正转向月球及更远之处。除保障近地轨道对人类太空探索者安全通行外,保持地月空间(地球与月球之间区域)清洁也愈发重要。由于缺乏强大引力和浓厚大气层逐步清除轨道碎片,从一开始就应用经验教训,保持月球轨道无碎片至关重要。
更严格的减缓标准。空间碎片数量净增长及凯斯勒综合征风险表明,若想继续利用太空环境,必须采取行动。全球空间领域各方越来越达成共识并推动实施更严格的空间碎片减缓措施,包括5年撤离繁忙轨道的限制。
制定行业标准。通过空间碎片追踪与报告更好地了解问题,只是解决空间碎片问题的第一步。ESA设定目标,到2030年通过 “零碎片方法”,大幅限制未来所有任务、项目和活动在地球和月球轨道产生的碎片。ESA作为表率,并行开展多项活动,作为这一整体方法的一部分。
零碎片开发。清理轨道。即便不再产生新的空间碎片,也不足以防止一系列失控的碰撞和破碎。只要有可能,ESA试图使在现行准则生效前设计和建造的卫星脱离轨道。该机构正努力以比最初设想更可持续的方式,使风神卫星(Aeolus)和星簇计划(Cluster)等任务脱离轨道。最后,我们还必须清理杂乱轨道,尝试使已在轨道的任务安全再入,并通过如ESA的ClearSpace – 1等任务进行主动碎片清除。