清除空间碎片需要采取行动并谨慎行事

苔丝·哈奇（Tess Hatch）希望前往太空。同时，她是Bessemer Venture Partners的风险投资人，她投资前沿技术。

克里斯（Chris）是斯坦福大学的电气工程硕士学生。他喜欢修补，并为从互联网卫星到医疗设备的新技术的发展做出了贡献。

Wouter是Wing的一位航空航天工程师。他最近刚从斯坦福大学毕业，他热爱苍蝇。

Maurizio拥有都灵理工大学航空航天工程硕士学位和斯坦福大学管理科学与工程硕士学位。他即将在欧洲GNSS机构开始实习。

这次碰撞的结果是，大约有1800块大空间碎片，它们能够摧毁任何不幸不幸飞越其空间的航天器，并一直保留到今天和可预见的未来。

根据您询问的对象，空间碎片要么是可以自行解决的非问题，要么是威胁未来太空探索的关键问题。我们采访了来自行业，学术界和监管领域的数十位专家，以更好地了解这些观点中哪一个更接近事实，并考虑未来应该采取的措施。

太空碎片远非同质，包括太空中任何无功能的人造物体，包括在完成任务后被遗弃在轨道上的火箭零件，卫星失灵，无意和有意发生的轨道碰撞所产生的碎片以及行动中释放的物品。这些来源成倍增加，形成了绕地球运行的大量空间碎片。

这些碎片散布在地球周围的所有三个主要空间区域中：低地球轨道（LEO），中地球轨道（MEO）和地球同步赤道轨道（GEO）。顾名思义，LEO最接近我们，距地球表面长达2,000公里。

这是这三个国家中最拥挤的地区，除了托管国际空间站外，它还是SpaceX，OneWeb和其他资金雄厚的公司目前正在发送成千上万颗新卫星作为其星座的一部分的区域。也许不足为奇，LEO是碎片最多的区域。结果，它往往成为围绕该问题的许多讨论的焦点。

在LEO上方，MEO和GEO的卫星也受到空间碎片的威胁。这很重要，因为这些轨道托管着许多关键卫星，包括MEO中的导航系统（例如，美国GPS和欧洲伽利略）以及基于GEO的关键通信卫星。 GEO中的卫星能够保持在地球上方的单个点（此特殊轨道是可能的，因为卫星绕地球公转的速度与地球自转的速度相同）。

鉴于MEO（2,000 km-36,000 km）和GEO（〜36,000 km）的高度，使卫星脱离轨道是不可行的选择-卫星退役时的当前解决方案是将其移至未使用的轨道，称为“墓地轨道， ”进一步推动了我们上方空间碎片的增长。

空间碎片的存在有许多原因，其中最明显的是物理碰撞。碎片通常以令人难以置信的速度行进，从而放大了由太空碎片引起的潜在风险。根据美国宇航局的数据，轨道上有比垒球大3万多个物体，时速高达18,000英里。以这种速度，这些物体中的任何一个都能够完全摧毁航天器。

即使是直径仅为1厘米的碎片也可能使正在运行的航天器失效，而更小的碎片也会引起巨大的问题。实际上，油漆斑点足以损坏国际空间站上的一扇窗户，国际空间站自1999年以来已被迫采取行动避免产生更大的，可能造成灾难性的碎片，包括仅在2020年就发生了三次。

不幸的是，事实证明，跟踪所有这些碎片是一项艰巨的挑战。首先，北美航空航天防御司令部（NORAD）目前仅跟踪直径大于10厘米的物体。但是，可能存在900,000个小于10 cm但大于1 cm的对象，以及成千上万个小于1 cm的对象，当前系统无法跟踪这些对象，但仍然能够造成严重损坏。特别值得关注的是1厘米至10厘米之间的范围，该范围已适当地获得了致命的不可追踪碎片或LNT的绰号。

太空垃圾也带来其他挑战。天文学家感叹轨道上物体发出的光污染妨碍了对夜空的观察。长期暴露于天文台（通常涉及价值数亿美元的设备）的依赖使碎片特别成问题。另一个担心是“凯斯勒综合症”，它的名字来源于美国宇航局的科学家唐纳德·凯斯勒。

1978年，凯斯勒（Kessler）推测，更多的空间碎片会增加发生碰撞的可能性，这反过来又会导致更多的空间碎片等，以指数级增长，最终可能会损害轨道运行。换句话说，这个问题可能演变成永无止境的螺旋式发展，最终使LEO无法使用，甚至可能无法渗透。

在考虑如何应对之前，重要的是要了解受空间碎片影响者的景观。

发射提供者是最关键的参与者之一-毕竟，他们的商业模式取决于他们将有效载荷送入轨道的能力。它们也是问题的一部分。用都灵理工大学的洛伦佐·卡萨利诺教授的话说，留在轨道上的发射器零件（即废旧的上层）已经“堆积了数十年”。

他认为，发射提供者一直是“对空间碎片最关键的贡献者”。但是，一些较新的发射公司，例如Rocket Lab，并未将任何火箭碎片留在太空中。相反，它们使轨道脱离轨道，这导致它们在重新进入地球大气层时燃烧。

卫星运营商也是生态系统的重要组成部分。一方面，它们是造成空间过度拥挤的最主要原因；另一方面，它们最有可能是空间碎片的受害者。拥有150多颗在轨卫星的Planet的Mike Safyan指出，减轻空间碎片“符合卫星运营商的利益”，许多人已经将可操纵性和离轨技术纳入其卫星中。

例如，大型星座运营商OneWeb正在将其卫星设计为“准备就绪”。卫星运营商Centauri的技术总监Darren McKnight解释说，运营商面临着“整体可靠性的显着下降”，因为他们的系统越来越受到不断增长的空间碎片云的影响，因此有动力采取行动。 Swarm Technologies的首席执行官兼联合创始人Sara Spangelo说，许多私营公司已经开始实施减轻空间碎片的措施。 Swarm Technologies已证明其能够始终如一地跟踪其微小的卫星，并且最近增加了主动姿态和推进控制，从而可以控制碎片轨迹。

这些策略有助于确保10厘米乘10厘米乘2.8厘米（烤奶酪三明治的大小）卫星在全球范围内提供连通性，但它们不会对空间碎片云的增长做出贡献。

保险公司扮演着有趣的角色。商业太空专家克里斯·奎尔蒂（Chris Quilty）指出，尽管卫星保险仍然相对不那么普遍-保险公司所覆盖的LEO卫星不到十分之一，但随着碰撞风险的可能性越来越大，保险公司可能会发挥越来越大的作用。大型商业保险提供商AXA XL的全球空间主管Chris Kunstadter补充说，由于保险通常是监管建议的重要组成部分，因此保险公司一直积极推动更严格的监管。

天基服务的最终用户组成了一个经常被忽视的群体，但它有可能严重影响未来朝着可持续利用空间的道路。从电信客户到成像数据用户，再到依靠卫星跟踪其船只和飞机的运输公司，这一切都涵盖在内。正如OneWeb法规事务副总裁Ruth Pritchard-Kelly指出的那样，如果最终用户要求可持续性，就像其他行业（例如，零售，采矿等）一样，则可能迫使发射提供商和卫星运营商采取行动。

最后，有一个新的利益相关者正在尝试解决空间碎片的挑战。诸如Astroscale和D-Orbit之类的初创企业正在朝着将空间碎片的清除或至少减轻空间碎片化商业化的方向取得进展。另一个例子是LeoLabs，这是一家基于地面的空间地图服务提供商，其相控阵雷达能够跟踪小至2厘米的碎片。 LeoLabs的创始人兼首席执行官Dan Ceperley认为，他公司的先进跟踪功能将使发射服务提供商和卫星运营商对其放入太空的物体负责。如果测绘，减少和清除空间碎片证明是有利可图的努力，那么私营部门可能已经拥有了清理其行为所需的动力。

尽管有减少空间碎片技术的承诺，但监管机构仍有可能被迫采取行动。由于航天部门和众多利益相关者的错综复杂，监管机构可以为世界各地的公司提供稳定性和指导框架。但是，鉴于分散式空间监管的趋势，监管情况尚不确定。

联合国外层空间事务厅（UNOOSA）的存在是为了促进外层空间的国际合作，但它缺乏在国际一级执行法规的能力，只限于向外空委提供秘书支持（和平利用空间委员会）。外太空）。结果，该行业的监管一直是国家级规则的棘手拼凑，各当事方偶尔会采用“方便旗”以寻求提供最有利监管条件的国家。

尽管有这些拼凑而成的问题，但由于美国在该行业中的地位及其《国际武器贸易条例》（ITAR）的影响，它已成为最强大的潜在法规来源。 ITAR是美国的一种管制制度，控制着国防和与太空有关的物品的制造，销售，分销和使用，这使航天行业的美国企业进行成本高昂的交易（如果不是不可能的话），甚至很难进行标记交易或以其他方式开展业务遵守美国法规。结果，任何有关太空碎片的有效法规都可能从美国出现。

在众多采访中得到回响的众多观察之一是围绕美国法规如何跟不上技术的快速发展而制定的，其规则和准则可以追溯到只有美国国家航空航天局和苏联太空计划将卫星发射到太空的时期，并且用意大利国家研究委员会的亚历山德罗·罗西（Alessandro Rossi）的话说，当私人实体拥有轻松，廉价地访问空间的能力的想法“是不可想象的”时。

在过去的十年中，发射成本降低了一个数量级。结合CubeSats和其他微型卫星的发展，大大降低了将有效载荷发送到太空的成本。私营部门对此做出了回应，承诺在未来几年内将数千颗卫星送入LEO。旨在规范学校校车大小的少数卫星的规则不可能满足这一新现实。

在美国，有几家机构处理空间使用问题，而未来监管的最佳来源仍然是争论的焦点。白宫2018年的一项指令试图使商务部成为太空的“交通警察”。同时，一些人认为已经对发射和再入进行监管的联邦航空管理局（FAA）处于实现变更的最佳位置。另一个主要参与者是联邦通信委员会（FCC），该委员会负责监管卫星传输。

太空法专家，联邦航空局太空法部门前负责人劳拉·蒙哥马利（Laura Montgomery）表示，联邦通信委员会“肯定将其监管规定解释为扩大到空间碎片。”

我们与之交谈的专家普遍认为，这些机构不太可能在短期内积极推行新法规。蒙哥马利教授指出，监管机构“倾向于缓慢行动”，迄今为止发生的冲突“仍在导致国会采取行动”。卡内基梅隆大学的扎克·曼彻斯特教授建议监管机构“经常人手不足，缺乏技术专长”，以尽快解决空间碎片问题。

其他人指出，虽然FCC在4月份实施了新的规则来减轻轨道空间碎片，但这些规则并没有改变现状-现在将要求操作人员提交更多的安全信息，但是机体“没有引入更严格的轨道碎片”条件。”总而言之，新的总体法规似乎不太可能在短期内实施。

在许多人将监管机构视为坚持不懈的机构的情况下，人们一直在推动生产胡萝卜，这是激励利益相关者在解决空间碎片中发挥积极作用的动力。这就是世界经济论坛（WEF）与麻省理工学院的麻省理工学院的太空使能研究小组，欧洲太空总署，德克萨斯大学奥斯汀分校以及布莱斯太空与技术公司一直致力于发展太空可持续性评分（SSR）。

世界经济论坛的尼古拉·赫利斯托夫（Nikolai Khlystov）将SSR描述为一种针对空间的自愿性评级系统（与用于家用电器的能源等级或用于建筑的LEED已有的等级不同），旨在激励良好的行为。希望SSR或类似系统将被业界广泛采用。例如，WEF认为保险公司可以充分利用该评级，因为它可以用于确定表现不佳的保费，提供折扣甚至拒绝保险。

在这一点上，航天工业及其利益相关者有两种选择。他们可以建立一个可以解决空间碎片问题的框架，也可以沿现行道路继续发展，而很少受到监管监督，甚至在围绕可持续利用空间的全球层面上也缺乏可执行性。

观察空间碎片的历史，我们可以放心地假设，如果没有任何变化，碎片的数量将继续增长，特别是在LEO轨道更加拥挤的轨道上。如果没有完善的寿命终止框架，那么像科斯莫斯-铱星这样的更多碰撞将导致空间碎片数量级增加，几乎不可能清理LEO，只是时间问题。

航空界有句谚语：“法规是用鲜血书写的。”言下之意是，法规通常建立在从财产或生命损失事件中汲取的教训上。另一场重大碰撞可能会迫使国际航天界接手，并导致苛刻的法规对那些尚未将可持续性作为商业要务的私人航天行业内的人不利。

另一方面，航天工业和监管机构可以共同制定透明的指导性规则，以应对空间碎片带来的挑战，而不会妨碍私人航天部门的进步。

解决空间碎片问题的任何框架都应是一项合作的国际努力。监管机构可以利用这样一个事实，即空间的可持续利用符合所有市场参与者的利益，毕竟，空间碎片对于运营商和用户而言既是代价高昂的问题，又是潜在的安全问题。如今，由于这个原因，许多私人空间公司都赞成加强问责制。

此外，有理由认为，私人公司在清除高度拥挤的轨道上的空间碎片方面比政府更有效。空间碎片清除技术仍处于早期阶段-Astroscale和其他初创公司尚未启动其服务。但是，它们开始取得重大进展，而且很难想象该行业在清理空间碎片方面将不再至关重要。

理想情况下，我们希望看到私营部门崛起。市场参与者肯定会认识到保持空间无碎片的长期重要性，我们认为这对初创企业来说是一个有吸引力的问题。我们也欢迎有创意的想法，例如为那些提出消除空间碎片的最佳解决方案的研究人员颁发奖项。

但是，在某个时候，很可能需要通过法规来解决空间碎片问题。特别是，我们将敦促最有能力采取行动的监管机构（美国的监管机构）解决这一问题，因为它们极有可能制定可实施的监管措施。

当前最大的障碍之一是，不同机构接触卫星生态系统的不同部分（例如，商务部，FAA和FCC），责任常常重叠。我们鼓励国会澄清这一问题，并授权一个机构牵头制定规则，以解决空间碎片问题。

但是，我们要提防不要考虑不考虑这种行动的长期后果的全面监管。蒙哥马利教授最好说：“作为法规的前任撰写人，我知道法规往往会陷入僵局，这有可能阻碍创新。”

曼彻斯特教授说，这是围绕Kicksat-2项目崩溃的关键问题。该项目旨在以安全的方式展示微卫星的前沿技术，但由于FCC的担忧而推迟了数年，直到2019年才被批准，对原始设计进行了零修改。蒙哥马利补充说：“如果监管者采取行动的速度过快，则存在创建不理想且几乎无法修复的规则的风险。”

因此，我们鼓励监管机构花时间了解问题，并与其他利益相关方紧密合作，以期制定一套指导方针，而不是过早得出结论。

最终，我们希望监管机构和商业参与者能够在相对不久的将来共同找到持久的解决方案，而不是等待灾难性的失败再采取行动。