空间碎片启示录：6个可能对地球轨道造成严重破坏的太空物体

一颗卫星在轨道上解体的插图。在某些情况下，旧卫星和用过的火箭级会在地球轨道上停留数千年。(Image credit: European Space Agency)

（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（By Tereza Pultarova）：我们星球周围的空间变得越来越杂乱。数以千计的卫星和数以百万计失控的太空碎片在我们头顶上高速飞行，有相撞的危险。以下是专家们最害怕的物品。

就在过去的一个月里，近地空间发生的事情两次成为头条新闻，并促使专家呼吁采取行动。1月27日，空间碎片研究人员惊恐地看着两块巨大的太空垃圾⁠———一个几十年前的俄罗斯火箭末级和一个早已报废的俄罗斯卫星——彼此相距不到20英尺(6米)左右。这一事件被描述为千钧一发的“最坏情况”，可能会产生数以千计的危险碎片，这些碎片会在轨道上停留几个世纪。然后，2月6日发布的一份报告披露，1月初，一颗神秘的俄罗斯卫星分裂成85块碎片，大到足以从地球上追踪到。

这两起事件都发生在专家称之为“坏邻居”的地区，这些地区位于地球上方的低地球轨道，无法从其大气层的清洁效果中受益。这两起事件都涉及处于空间碎片专家危险清单首位的物体。在这里，我们回顾一下专家们最害怕什么类型的东西。

令人惊讶的是，并不是像OneWeb或SpaceX这样的巨型星座运营商建造的数百甚至数千艘新航天器最有可能带来轨道毁灭。这是冷战时期和21世纪初发射的旧东西——用过的火箭级和大而笨重的卫星。

私人碎片监测公司LeoLabs的高级技术人员达伦·麦克奈特在接受Space.com采访时说:“星座可能有数百到数千颗卫星，但它们非常善于协调自己。”。“它们有一个推进系统，这使它们非常灵活，它们可以进行避撞机动。相反，被遗弃的物体没有能力相互远离。”

在这些古老的废弃物体中，SL-16是俄罗斯天顶火箭的巨型9.9吨(9公吨)、36英尺(11米)长的上面级，是最令人担忧的来源。

LeoLabs目前正在监测这些火箭级中的18个，这些火箭级在海拔约520英里(840公里)的“恶劣街区”之一环绕地球。从这个高度看，碎片需要几个世纪才能下来。与此同时，火箭继续与数以千计的其他报废航天器和数百万计的碎片交叉。

“它们就像一辆没有司机、没有刹车的黄色大校车，”麦克奈特说。“而且风险是累积的。这些火箭中的一级很快就会发生碰撞，这并不令人意外。”

这些火箭的巨大尺寸意味着碰撞将产生大量的空间碎片，这些碎片将把糟糕的邻居变成更糟糕的邻居，可能会引发凯斯勒综合症，这是一种令人恐惧的不可阻挡的碰撞级联场景，就像2013年奥斯卡获奖电影《地心引力》中描述的那样。

哈佛史密森天体物理中心的天文学家和天体物理学家、太空碎片专家乔纳森·麦克道尔告诉space:“如果你担心像凯斯勒综合症这样的场景，概率主要由两个大东西相互撞击决定，因为这将产生迄今为止最多的碎片，然后引发连锁反应。”

麦克道尔补充说，火箭级的问题，虽然不是俄罗斯技术独有的，但与俄罗斯的前任苏联经常追求的发射器设计有关。欧洲、美国甚至中国使用的大多数火箭都依赖于庞大的第一级，这些火箭在发射后不久就返回地球，并使用相对较小的上面一级将有效载荷送入轨道。

“例如，美国通常会使用半人马上面级，它使用液态氢，”麦克道尔说。“这种燃料每加仑行驶里程更高。所以一个更小的火箭可以做同样的工作。俄罗斯人使用的是煤油或肼，这是能量较低的化学推进剂，需要更大的火箭来完成同样的任务。”

近地空间的一些区域比其他区域更加杂乱。(Image credit: ESA)

达伦·麦克奈特是LeoLabs的高级技术人员。

Darren McKnight是LeoLabs的高级技术人员，Leo labs是一家位于加州的私人公司，负责绘制轨道交通图。McKnight是国际宇航科学院空间碎片委员会的成员，在该委员会中，他为编写关于空间碎片减缓专题的立场文件做出了贡献。他对开发管理空间碎片问题的技术解决方案和鼓励空间利用的可持续做法感兴趣。

McKnight拥有美国空军学院工程科学学士学位、新墨西哥大学机械工程硕士学位和科罗拉多大学航空航天工程博士学位。

1月27日的未遂事故涉及另一种类型的俄罗斯火箭末级——1.54吨(1.4公吨)的SL-8。根据麦克奈特的说法，俄罗斯在其较小的火箭家族Kosmos中使用的这个火箭级在20世纪60年代至90年代期间将大约145颗间谍和通信卫星运送到605英里(975公里)的高度。这些卫星，每颗质量为1760磅(800公斤)，已经不再使用，仍然在污染近地空间的这一部分，发射它们的火箭也是如此。

“这些物体已经在那里逗留了几十年，”麦克奈特说。“如果它们都是在1990年发射的，其中一颗在2023年经历碰撞的概率将在20%左右。[1月27日]我们几乎已经经历过了。在这种情况下，你只能祈祷好运。”

最近的未遂事件中涉及的卫星也是俄罗斯的财产——1998年由天顶火箭发射的1760磅(800公斤)的宇宙2361号间谍卫星。

据专家称，轨道上最危险的东西已经存在几十年了。 (Image credit: NASA)

乔纳森·麦克道尔是哈佛史密森天体物理中心的天文学家和天体物理学家。他的主要研究重点是黑洞、类星体和遥远星系中的高能X射线辐射源。他是美国国家航空航天局X射线天文台钱德拉团队的成员，但也作为一名领先的空间碎片专家而闻名。McDowell是Jonathan's Space Report的作者和编辑，这是一份通过电子邮件分发的记录卫星发射的时事通讯。

麦克道尔拥有英国剑桥大学的数学学士学位和剑桥大学的天体物理学博士学位。

2007年，较大的SL-16火箭级所在的糟糕街区成为历史上最严重的碎片制造事件之一的发生地——中国反卫星导弹试验的目标是该国自己的一颗报废气象卫星。反卫星导弹击中了1650磅(750公斤)的Fēngyún航天器，在537英里(865公里)的高度轨道上运行，速度为18000英里/小时(29000公里/小时)，将其粉碎成数千个碎片。这些碎片就像台球桌上的球一样，在撞击时向四面八方散开，污染了距离füngyún原始轨道数百英里的近地空间。

麦克奈特说，这些碎片中的一些在地球表面上方高达1060英里(1700公里)和低至217英里(350公里)的地方被探测到。可以说，这些碎片的大部分与9.9吨重的SL-16火箭级在同一个糟糕的街区，无法避免。

在事件发生后不久，地球上的雷达就可以跟踪到3500块足够大的füngyún碎片，其中有2800块仍然完全失去控制，在地球上四处乱飞，威胁着它们所经之处的一切。

“这个单一事件的碎片可能是去年发生的约15%的会合(接近其他物体)的原因，”麦克奈特说。"每隔15分钟，我们就会发布包含这次碰撞碎片的连接信息."

McKnight补充说，总体而言，LeoLabs在2022年发出了40万次会合警报，当其他空间物体的轨迹与他们的航天器太近时，会警告航天器操作员。

专家们担心一些地区的空间碎片数量太高，无法从地球大气层的清洁效应中受益。(Image credit: ESA)

废弃的欧洲地球观测卫星Envisat在480英里(800公里)的高度环绕地球，这低于两个主要的坏邻居。然而，由于其庞大的体积，这颗卫星在令人担忧的天体名单中占据了突出的位置。

2012年早逝的Envisat重约8.8吨(8公吨)，是轨道上最大的太空垃圾之一，也是欧洲航天局(ESA)声誉的一大污点，ESA以其在太空可持续发展方面的领先地位而自豪。

美国宇航局也有废弃的地球观测碎片。自20世纪70年代以来，美国航天局已经发射了九代Landsat卫星，其中只有两颗仍在运行。重量在1到3吨之间，Landsat卫星在430到560英里(700到900公里)的高度绕地球运行。没有一颗已经退役的卫星在其寿命结束时成功脱离轨道。

美国国家大气和海洋管理局(NOAA)也留下了相当多的太空垃圾。自20世纪60年代以来，NOAA已经发射了24颗极地轨道气象卫星，这些卫星在430至560英里(700至900公里)的高度围绕地球运行。这些卫星中的17颗，每颗重量在1到3吨之间，现在已经报废，但仍在穿越高风险社区的路上。

欧洲的地球观测卫星Envisat在2012年过早死亡，成为最危险的太空碎片之一。(Image credit: ESA)

标志性的哈勃太空望远镜可能还有十年或更长的寿命，但一旦任务结束，它有可能变成一块令人不安的碎片。

这位经验丰富的宇宙观测者重达12.4吨(12.2公吨)，比Envisat和可怕的SL-16火箭级都要重。哈勃的轨道相对较低，距离地球表面约332英里(535公里)，因此可能只需要几年时间就可以螺旋返回地球。然而，由于它的尺寸，望远镜不太可能在重返地球大气层时完全烧毁。望远镜烧焦的身体很可能会落在地球表面，吸引纪念品收藏家，但也很可能对空中的飞机或地面的人类和基础设施造成损害。因此，哈勃的操作人员必须确保望远镜有足够的剩余燃料，以便在任务结束时以可控的方式降低高度，并引导它安全地溅落在海洋中。

哈勃太空望远镜有一天可能会变成一个具有潜在危险的太空碎片。(Image credit: NASA)

对于SpaceX的Starlink和OneWeb运营的网络等卫星巨型星座带来的风险，专家们的看法有些不同。这些星座推动了轨道卫星数量的大幅增长，这在过去十年中我们已经看到了，在未来几年还将继续看到。

根据LeoLabs(在新标签中打开)的说法，在世界上第一颗卫星(苏联的Sputnik 1)于1957年发射后的头50年里，10，000个物体，无论是死的还是活的，都聚集在低地球轨道上。然后新的太空革命到来了，仅仅14年，这个数字翻了一番。据LeoLabs报道，截至2022年底，在这个被频繁使用的空间区域有超过21，000个物体。

英国空间碎片专家、英国南安普顿大学航天学教授休·路易斯告诉Space.com，SpaceX是世界上最大的卫星运营商，截至2023年2月，在轨运行的航天器超过3500艘，其管理碰撞风险的态度值得称赞。该公司的自主防撞系统使卫星能够在每次以十万分之一的碰撞概率记录一个经过的物体时进行机动。相比之下，美国国家航空航天局只会避开那些碰撞概率为万分之一的东西。

休·刘易斯是英国南安普顿大学的航天学教授，也是原位和远程智能传感卓越中心的联合主任。

休·刘易斯是英国南安普顿大学的航天学教授，也是原位和远程智能传感卓越中心的联合主任。他在空间碎片和空间可持续性领域工作了20多年，是《损害空间碎片模型》的作者。Hugh代表联合王国航天局出席机构间空间碎片协调委员会(IADC)的会议，并主持第2工作组(重点是空间碎片建模)。

Hugh还作为空间碎片、空间操作和空间态势感知方面的专家代表联合王国航天局出席了联合国和平利用外层空间委员会(COPUOS)的科学和技术小组委员会会议。

尽管如此，刘易斯说，鉴于SpaceX的目标是部署多达42，000颗Starlink卫星，是目前在轨卫星的10倍以上，以及其他运营商排队进入市场，即使是这种低概率，随着时间的推移，发生碰撞的概率在统计上也很高。

“残余风险是一个潜在的问题，因为接近的数量继续上升，”刘易斯说。“随着他们演习的次数继续增加，也许尽管做了所有这些努力，他们仍然会卷入碰撞。低概率事件越多，发生碰撞的总体概率就越高。”

麦克道尔说，虽然SpaceX独自一人可能能够以高可靠性管理其Starlink星座，但一旦多个这样的星座共享同一轨道区域，情况将类似于管理一个大城市的交通。

麦克道尔说:“从现在起的5年或10年内，我们可能会有2万到10万颗卫星在轨道上运行。”。“我非常怀疑这样一个数字能否安全运行。只要有一家公司在他们的数据库中输入了错误的数字，出现了错误的数据，突然间，你所有的安全计算都不再有效，你就会以撞车而告终。”

无论发生什么，在未来几年，我们肯定会听到更多关于太空碎片和卫星碰撞的消息。