什么是“凯斯勒综合症”——为什么一些科学家认为太空灾难已经开始了？

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什么是“凯斯勒综合症”——为什么一些科学家认为太空灾难已经开始了？

杰基·沃特斯

CNN记者杰基·沃特斯报道

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Fri东部时间2024年12月27日上午9:11更新

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11月，当一块太空垃圾转向国际空间站时，船上的七名宇航员做好了准备。

一艘与空间站相连的俄罗斯飞船点燃了引擎五分钟，稍微调整了空间站的轨道，将足球场大小的实验室移出了危险地带。根据美国国家航空航天局的说法，如果空间站没有改变路线，碎片可能会在其轨道路径的2英里(4公里)内经过。

瑙卡停靠在兹韦兹达服务舱

撞击空间站的碎片可能会带来灾难。一次撞击可能降低了空间站的部分压力，并使宇航员们匆忙返回家园。

更令人担忧的是:潜在的罢工并不罕见。自2000年11月首次入住以来，国际空间站已经不得不进行数十次类似的演习，随着地球轨道上物体数量的激增，碰撞风险每年都在增加。

多年来，太空交通专家已经对日益严重的拥堵状况敲响了警钟。早期的碰撞、爆炸和武器测试已经产生了数万块碎片，专家们正在追踪这些碎片，可能还有数百万块用现有技术无法看到的碎片。

虽然宇航员面临的风险可能是最大的问题，但轨道拥堵也对卫星和为我们日常生活提供动力的天基技术构成威胁，包括GPS工具以及一些宽带、高速互联网和电视服务。

图森市亚利桑那大学的行星科学教授Vishnu Reddy博士说:“在过去的四年里，我们发射的太空物体的数量呈指数增长。”"因此，我们正走向我们一直害怕的局面."

雷迪提到的事件是一种被称为凯斯勒综合征的假设现象。

以美国天体物理学家唐纳德·凯斯勒的名字命名，并基于他1978年的学术论文，凯斯勒综合症——这个术语现在被使用——有一个模糊的定义。

但这个短语概括地描述了太空中的碎片引发连锁反应的情景:一次爆炸产生大量碎片，这些碎片反过来撞击其他太空物体，产生更多的碎片。级联效应可能会持续下去，直到地球轨道被垃圾堵塞，卫星变得无法运行，太空探索必须停止。

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2017年4月18日，退休的天体物理学家和前美国国家航空航天局科学家唐纳德·凯斯勒参加了在德国达姆施塔特欧洲航天局举行的欧洲空间碎片会议。麦/欧空局

研究人员对目前的风险水平以及太空中的拥堵何时会达到无法挽回的地步持有不同意见。

但是有一件事是大家普遍认同的:根据CNN对科学家和太空交通专家的采访，太空交通是一个迫切需要解决的严重问题。

太空中物体碰撞的频率有多高？

据欧洲航天局(European Space Agency)称，自1957年太空飞行开始以来，已经发生了650多起“分裂、爆炸、碰撞或导致碎片的异常事件”。

这些事件包括卫星意外相撞，火箭部件和航天器意外爆炸，以及美国、俄罗斯、印度和中国等国家的武器试验在轨道的不同高度喷出碎片。

例如，作为2021年武器测试的一部分，俄罗斯向自己的一颗卫星发射了一枚导弹，产生了1500多块可追踪的碎片。

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可视化描述了2009年2月失效的Kosmos 2251和活跃的Iridium 33通信卫星的意外碰撞，产生了数千块碎片。萨尔瓦多

两个太空物体之间的最后一次重大事故发生在2009年2月，当时一颗名为Kosmos 2251的俄罗斯军用卫星撞上了铱星33号，这是一颗由美国电信公司铱星运营的现役通信卫星。那次事件产生了一个巨大的云，由近2000块直径近4英寸(10厘米)的碎片和数千块甚至更小的碎片组成。

较小规模的类似事件也很常见:例如，跟踪太空物体的公司LeoLabs周一表示，美国空军的一颗气象卫星于12月19日在轨道上解体，产生了至少50块新的碎片。这只是过去几个月里一连串的四次“碎片化”事件中最新的一次，这些事件产生了300多块新的垃圾。

我们能看到什么，不能看到什么

对于那些管理卫星的人来说，太空中的拥挤可能是一场噩梦。卫星运营商每天都会收到十几个甚至更多关于潜在碰撞的警报，这很常见。

跟踪轨道上物体的过程称为空间态势感知，包括跟踪可能的“会合”，或两个实体之间的近距离接近。

例如，据LeoLabs称，在今年的一次事故中，一颗美国国家航空航天局气象卫星以不到65英尺(20米)的距离险些与一枚报废的俄罗斯火箭相撞。

但风险可能比空间态势感知所能预测的还要高。

在大多数情况下，要跟踪的对象必须比网球大。其余的物体太小，无法反射光线，或者位于难以直接观察的遥远轨道区域。

空间交通软件公司COMSPOC Corp .的特别项目主任鲍勃·霍尔(Bob Hall)说:“即使有今天最好的传感器，也有限制可以可靠地'看到’或跟踪什么，较小的空间碎片通常是无法跟踪的。”

但是小物体仍然会造成重大威胁。根据美国国家航空航天局的说法，在轨道上，物体旋转的速度如此之快，以至于即使是一点油漆也能穿透金属。这意味着留在太空中的任何垃圾都令人深感担忧，并且可能是灾难性的。

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挑战者号航天飞机上的一个窗口坑是1983年STS-7任务中发生的油漆碎片撞击轨道碎片的结果。美国国家航空航天局

海拔越高，风险越大

太空中碰撞的连锁反应究竟会如何发生还不清楚。

地球轨道的不同区域有它们自己的拥挤程度和风险。近地轨道延伸到地球表面上方约1200英里(2000公里)，是迄今为止最拥挤的轨道。

这个地区是两个载人空间站和大规模卫星星座的所在地，这些卫星向互联网发送光束——如太空探索技术公司的近7000颗Starlink卫星网络——监测天气，观察作物产量或分析气候。

如果在近地轨道发生连锁爆炸，可能会威胁宇航员的生命，停止火箭发射，并导致那里所有卫星技术的毁灭。

这种情况下的好消息(如果有的话)是，灾难性的条件可能不会持续几代人:“我们在低地球轨道上仍然有残余的大气层，所以我们有一个自然的清洁机制，”印第安纳州普渡大学航空航天副教授卡罗琳·弗鲁说。

Frueh说，在大约300英里(500公里)的高度，轨道上的物体将在大约25年内自然落回地球或在大气层中解体，这表明在这个距离的碎片场可能不会威胁未来几代人进入太空。

但是在更高的轨道上，情况变化很快。在近500英里(800公里)的高度，一片碎片至少需要一个世纪才能被自然拖出太空。在超过621英里(1000公里)的地方，这个过程需要数千年。

这对地球同步轨道来说是个坏消息，地球同步轨道距离地球表面约22，236英里(35，786公里)，是价值2.5亿美元的通信卫星的所在地，这些卫星向全球广泛地区传输电视和其他服务。

“可能发生这种(类似凯斯勒综合症的事件)的最危险的地方是地球同步轨道，”亚利桑那大学的研究员雷迪说。“因为我们没有办法快速清理它。”

级联碰撞是如何发生的

2013年的电影《地心引力》将凯斯勒综合症的概念搬上了大银幕:俄罗斯导弹袭击一颗报废的卫星引发了一连串的碰撞，产生了一团垃圾，摧毁了其他卫星和航天器。

专家说，虽然《地心引力》中的戏剧在一个半小时内展开，但现实生活中的凯斯勒综合症可能需要几年或几十年才能结束。

自从这部电影在十多年前上映以来，轨道拥堵迅速增加:美国军方当时跟踪了大约23，000个物体，而今天只有47，000个物体。

普渡大学的弗鲁说，尽管人们正在努力计算连锁反应可能在哪里、何时以及如何开始，但这是一项不可能完成的任务。

“一旦我们预测未来，我们就必须做出假设，”Frueh说。“每个模型都是错的——(但)有些是有用的。”

模型是不准确的，因为即使是专家也不清楚物体在轨道上的位置。小于4英寸(10厘米)的物体基本上是看不见的。此外，科罗拉多大学空间天气技术、研究和教育中心主任托马斯·伯杰博士表示，空间天气可以改变轨道轨迹，因此很难准确预测碎片的移动方式和位置。12月11日，伯杰在DC华盛顿州举行的美国地球物理学联合会年会上就此话题发表了讲话。

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可视化描绘了绕地球运行的直径大于4英寸(10厘米)的物体。有线电视新闻网/欧空局

太空垃圾碎片的大小和形状也是一个谜。因此，为了模拟一个单一的凯斯勒综合症效应，分析人员必须准确地猜测卫星将如何分裂，碎片的每一部分看起来是什么样子，它将向何处移动，以及它接下来可能会撞击什么其他物体。

COMSPOC公司太空标准和创新中心主任、首席科学家丹·奥尔特罗格(Dan Oltrogge)说，“让我担心的是，这些数据不够准确，不足以让你真正避免你认为你在避免的事情。”

凯斯勒综合症已经开始了吗？

鉴于“凯斯勒综合症”不是一个瞬间事件，科学家们正在争论这一现象是否已经在运动中。凯斯勒的思想实验要求研究人员考虑，即使所有的火箭发射停止，太空中的碰撞是否仍然会增加轨道上的物体数量。目前还不清楚这一点是否已经达到。

这篇文章采访的研究人员对凯斯勒综合症的症状是否已经开始提供了不同的观点。

但是Frueh说这就是为什么她不再相信凯斯勒综合症是一个有用的术语。

“我认为不同的实体不同意，这让公众感到困惑，”她说。"这个概念本身并不像你想象的那样清晰明了。"

专家们似乎都同意轨道上的情况是有问题的。没有人说他们相信灾难肯定可以避免。他们说，更有可能的是，轨道上的垃圾将继续激增。

Frueh说，“我很悲观…我们会及时采取行动，不会在这个过程中造成经济损失。”

密歇根大学气候和空间科学与工程教授尼尔通·雷诺博士说，他天生乐观。但是地球轨道上的情况让他想起了我们地球上正在发生的生态灾难。

“我喜欢把太空垃圾比作海洋中的塑料，”他说。“我们过去认为海洋是无限的，我们扔垃圾和塑料，现在我们意识到——不，那些是有限的资源。如果我们不小心行事，就会造成巨大的损失。”

预防凯斯勒综合征

当谈到防止地球轨道上碎片的扩散时，有两大考虑因素。

一个是清理技术:公司和政府倡议正在寻求开发将碎片拖出轨道的方法，例如由欧洲航天局和技术公司高性能空间结构系统公司或HPS有限公司开发的阻力增加脱轨子系统或ADEO。根据欧空局的说法，原型制动帆于2022年12月从离子卫星上成功部署。

es a的一份新闻稿称，sail技术“通过增加大气表面阻力效应提供了一种被动的脱轨方法”，旨在使一颗报废的卫星更快地下降，并在地球大气层中无碎片地烧毁。

然而，Renno指出，这些方法都是实验性的，而且非常昂贵。也不清楚谁会愿意为此买单。

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欧洲航天局和航空航天技术公司高性能空间结构系统公司，或HPS有限公司，开发了一种原型阻力帆，于2022年12月成功部署。这将有助于加速退役小型卫星的脱轨。萨尔瓦多

第二个考虑是监管。空间政策专家多年来一直在努力通过新的国际准则或国家法律，以防止航天公司或坏人不负责任地行事。

有一些努力在进行中。9月，联合国通过了《未来公约》。

会员国通过的这份文件包括一项意图，即各国“通过和平利用外层空间委员会讨论建立空间交通、空间碎片和空间资源的新框架。”

语言似乎含糊不清，空间政策专家指出，联合国没有强制手段。

Renno说，也许更实际的是，各个国家为太空利益相关者通过法律。他认为美国应该在这个过程中发挥领导作用。

亚利桑那大学的雷迪表示同意。

“我认为最大的担忧是缺乏监管，”他说。“我认为由行业提出一些规范和指导方针会有很大帮助。”

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