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20 世纪 60 年代以来，空间碎片的数量迅速增长，它们在其运行轨道上围绕地球高速运转，形成了一个类似小行星带的地球外层空间碎片带。空间碎片环境的形成与演变过程如图 2 -12 所示。
图 2 -12 空间碎片环境的形成与演变过程（来源： NASA ODPO）
空间碎片环境的形成是一个长期动态积累的过程，并且处于不断演化与变动之中。新的航天发射将有效载荷、运载火箭末级以及相关操作性物体送入太空，在轨航天器或运载火箭末级爆炸以及空间物体之间的相互碰撞引起的轨道物体解体碎裂等因素是空间碎片数量增长的重要因素。截至 2019 年 4 月 1 日，美国空间监测网编目的各国在轨物体数量如表 2 -7 所示 [5] 。
表 2 -7 美国空间监测网编目的各国在轨物体数量（2019 年 4 月 1 日）
另外，空间碎片还会在自然因素与某些人为因素影响下发生数量的减少。其中，高层大气阻力、太阳辐射压力、地球扁率及日月引力摄动等是引起空间碎片数量减少的自然因素；而人类主动从轨道上进行空间物体的回收、实施各种减缓措施等则是空间碎片数量减少的人为因素。在自然因素中，大气阻力对低轨道空间碎片数量的减少起着不可替代的重要作用，特别是在太阳活动峰年时，高层大气密度也会随之增加，对空间碎片的影响更为显著。空间碎片的增加与减少因素如图 2 -13 所示。
图 2 -13 空间碎片的增加与减少因素
空间碎片环境随时空不断变化主要体现在以下两个方面。
在 LEO 区域，厘米级空间碎片由 2005 年的 30 万个增长到 2015 年的 50 万个，年增长率达 15% [22] 。空间碎片研究之父——— Kessler 对 2020 年后无发射活动条件下 LEO 区域 10cm 以上碎片数量增长预测，如图 2 -14 所示，推算认为在 LEO 区域 70 年后碎片密度将达到一个临界值，将发生碎片链式撞击效应，近地空间将彻底不可用 （ Kessler 灾难） [23 -24] 。
图 2 -14 LEO区域 10 cm以上碎片数量增长预测
在 GEO 区域，目前在轨空间物体为 1 396 个，其中可编目物体 1 142 个，其他 254 个，可控物体 436 个，非可控物体 960 个 [22,25] 。原则上讲 , GEO 区域最多可容纳的在轨空间物体为 1 800 个 （0.2° 一个轨位），按照目前的占位速度 30 年后轨位将饱和，无新的轨位资源可用。
空间碎片数量急剧增加的同时，在轨卫星数量也在不断增加，使得空间碰撞风险急剧上升 。 NASA 统计结果显示，空间碎片撞击占空间环境引发各类卫星在轨失效事件的比例，已从早期 （1960 — 1984 年 ）25 年内的 10.6% 上升到 1990 — 1999 年 10 年内的 27.3%, 上升了 1.5 倍。
据欧空局估算，引起失效或丧失部分功能的碰撞次数从 2015 的每年 2 次将增长到 2075 年的每年 10 次 。2100 年内每年的碰撞次数增长 12% 以上，如图 2 -15 所示 [26] 。
图 2 -15 引起失效或丧失部分功能的碰撞次数
对我国在轨卫星近年来碰撞预警分析显示，红色预警（碰撞概率大于 10 -4 且交会距离小于 1 km） 次数 5 年内上升了 2.5 倍 。2016 年我国已有 170 余颗在轨卫星 ,100m 以内危险交会达 100 余次/年。如图 2 -16 所示。
图 2 -16 我国在轨卫星红色预警数量
应对空间碎片撞击风险主要有三个途径：空间碎片减缓，即控制、减少碎片产生；碰撞规避 （ collision avoidance, COLA） , 主动规避降低碰撞概率，从而减少碎片产生；空间碎片主动移除 （ active debris removal, ADR） , 彻底控制碎片数量增长，清洁外层空间 [23] 。
航天器钝化 （ passivation） 和任务后处置 （ post mission disposal, PMD） 主要包括限制发射过程产生碎片、机动规避防止碰撞产生碎片、任务后钝化防止在轨爆炸解体产生碎片及任务后离轨。
UNCOPOUS、 IADC、 NASA、 ESA、 中国等组织或者国家已经颁布的减缓指南都要求 LEO 区域航天器任务后在轨寿命不得超过 25 年 ,25 年后必须主动进入大气层烧毁 ; GEO 区域航天器任务后主动抬高轨道近 300km, 进入坟墓轨道 （ graveyard orbit） 。
图 2 -17 给出了 NASA 和 ESA 等机构分析的从 2020 年开始没有发射活动、正常发射但不进行任务后处置和进行 90% 任务后处置时空间碎片增长趋势对比。可见 PMD 能显著减少碎片产生，显著降低碎片数量增长速度，但却不能遏制碎片数量的增长趋势，碎片数量在某个时间还是会达到临界值。任务后处置有用，但不足以遏制碎片数量增长。
图 2 -17 任务后处置效果图
碰撞规避能够降低碰撞风险，从而减少碎片产生，能降低碎片数量增长速度 [27 -28] 。图 2 -18 给出了 NASA 和 ESA 等机构分析的从 2020 年开始正常发射和进行 90% 任务后处置情况下，有无碰撞规避时空间碎片增长趋势的对比，可见碰撞规避能降低碎片数量增长速度，但也不能遏制碎片数量增长趋势，碎片数量在某个时间还是会达到临界值。碰撞规避有助，但远不够有效降低碎片数量增长趋势。
图 2 -18 碰撞规避效果图
空间碎片主动移除是指通过人为作用，使 LEO 区域碎片进入大气层烧毁，或使 GEO 区域碎片轨道抬高进入坟墓轨道，从而达到保护在轨航天器不受碎片撞击。图 2 -19 给出了从 2020 年开始每年不移除、移除 2 个和移除 5 个在仿真时段内对空间环境影响最大的碎片时的空间碎片增长趋势，可见每年移除 2 个碎片可使碎片数量增长趋势显著下降；每年移除 5 个碎片可使碎片数量增长趋势趋于平稳。因此，只有主动移除才能彻底遏制碎片数量的增长。目前国际社会的普遍共识是空间碎片主动移除是确保空间长期可持续的必然选择和唯一出路。但是，空间碎片主动移除不仅涉及技术问题，而且涉及空间政策与法律法规和国际合作问题。
图 2 -19 主动移除效果图
小卫星通常是指重量在 500kg 以下的人造卫星，按照重量级别可细分为小型卫星 （ minisat, 100 ~ 500 kg） 、 微型卫星 （ microsat, 10 ~ 100 kg） 、 纳米卫星 （ nanosat, 1 ~ 10 kg） 、 皮卫星 （ picosat, < 1 kg） [29 -30] 。小卫星主要具有以下特点。
（1） 设计简单。小卫星对制造条件要求不高，生产周期短，可以在普通的工厂或实验室制造，而大型卫星则要求在洁净的和空气纯净的实验室中制造。
（2） 研制时间短。制造小卫星所采用的大部分技术是已成熟的技术，无须进行更多的测试和实验，这样就大大地缩短了研制时间。现在，小卫星从设计到发射，一般只需 1 ~2.5 年的时间。
（3） 成本低。由于小卫星设计简单、重量轻，而且多是采用已成熟的现代技术，涉及人员少，有利于降低成本。
（4） 易于发射。从发射方面说，小卫星的修整及发射测试工作较少，而且既可用小型火箭发射，又可搭载发射一箭多星。
（5） 抗毁能力强。使用多颗小卫星组网互为备份工作方式时，即使几颗卫星被毁，系统仍能工作，而且可随时发射补充卫星。
如上所述，与中高轨大型卫星相比，小卫星具有投资与营运成本低、应急能力与灵活性强、系统建设周期短等众多优点，可为专用通信、遥感、快速反应的科学和军事任务和技术实验等方面提供低成本的解决方案，应用前景十分广阔。
2015 年，美国 SpaceX 公司和英国 OneWeb 公司等启动了巨型微小卫星星座计划 （ giant small satellites constellations） 。 SpaceX 公司近期计划在 LEO 区域 1 100km 高度部署 12000 颗微小卫星，用于全球高速网络通信，远期星座规模将达到 4 万颗左右 。 One Web 公司计划在 LEO 区域 1 200 km 高度部署 720 颗微小卫星，这些微小卫星分布在 18 个不同的轨道面上，用于全球高速网络通信。已知的全球 LEO 大型星座计划如表 2 -8 所示 [31] 。
表 2 -8 已知的全球LEO大型星座计划
这些大型星座的部署计划为人类的未来生活绘制了一张美丽的蓝图，但是这些卫星也给天文研究者带来了极大的困扰，对空间环境造成了极大的污染。下面对 SpaceX 公司的星座计划及其影响做简要介绍 [32] 。
2019 年 5 月 24 日 , SpaceX 用一枚“猎鹰 9” 火箭将首批 60 颗星链 （ Starlink） 卫星打包送入太空，发射前的画面如图 2 -20 所示，此次发射标志着星链计划正式拉开组网序幕 。 SpaceX 计划在 2019 年至 2024 年间每年发射 1 000 ~ 2 000 颗卫星，完成“星链”计划一期的部署。根据欧空局的最新数字，截至 2019 年，地球轨道上共有 2 000 余颗工作卫星，星链计划如果完成部署，其新入轨的卫星总数将是目前所有国家在轨运营的卫星总数的近 6 倍，成为迄今为止人类提出发展的规模最大的星座项目。
图 2 -20 首批 60 颗星链卫星发射前的画面[ 32 ]
星链计划星座拟由 4 409 颗分布在 550 ~ 1 300 km 左右的 LEO 星座和 7 518 颗分布在 340km 左右的 VLEO （极低地球轨道）星座构成，组网卫星总数达到 11927 颗。星链计划的搭建基本上分三步走：第一步是用 1 584 颗卫星完成初步覆盖，其中，前 800 颗卫星满足美国和加拿大等国的天基高速互联网的需求；第二步是用 2 825 颗卫星完成全球组网；第三步是用 7 518 颗卫星组成更为激进的低轨星座。前两步的卫星总数量为 4 409 颗，位于 LEO 轨道，这些卫星工作在较为传统的 Ka 波段和 Ku 波段，力争以量取胜。第三步的 7 518 颗卫星位于 VLEO, 将工作在 V 波段 。2019 年年底，美国联邦通信委员会 （ FCC） 代表 SpaceX 又向国际电信联盟提交了 3 万颗低轨道运行的小型微型卫星计划，这意味着，加上这次提交的计划，星链计划最终会形成近 42000 颗卫星的超巨型星座。
已经发射的这些星链卫星对天文观测已经产生了实质性困扰 。2019 年 11 月 18 日，大约 19 颗星链卫星划过托洛洛山美洲天文台上空，打断了科学家的天文观测，如图 2 -21 所示 [32] ；星链卫星出现在托洛洛山美洲天文台 4 m 望远镜的视野中，通常通过分析影像将这些“乱入”的像素轨迹去除，但这将降低侦测近地小行星以及其他可变物体的能力，如图 2 -22 所示 [32] 。
如果美国联邦通信委员会批准的 SpaceX 公司 12000 颗星链卫星按照计划进行，无疑这些卫星将对地基天文观测带来很大的负面影响。截至 2019 年 12 月，太空中低轨道大约有 1 463 颗卫星，而星链计划从首次发射到 2021 年 3 月 4 日共发射了 1 205 颗卫星（其中 64 颗已脱离轨道），这些影响不能被忽视。如果再加上 Kuiper Systems 和 OneWeb 公司类似的卫星通信计划，届时将有约 42000 颗卫星。这意味着如果使用双筒望远镜观测，视野中的卫星甚至超过恒星数量，如图 2 -23 所示 [32] 。
图 2 -21 19 颗星链卫星划过托洛洛山美洲天文台上空图（2019 年 11 月 18 日）
图 2 -22 托洛洛山美洲天文台 4 m望远镜视野中的星链卫星图
图 2 -23 双筒望远镜观测的太空垃圾（黑点代表运行中的卫星、废弃的卫星及太空活动残片）
未来数年，如果星链计划 12000 颗卫星部署完毕，任何时间、任何地点平均将看到 140 颗卫星。虽然它们在轨状态下肉眼不可见，但对于光学和射电望远镜的天文研究，以及职业天文摄影来说影响非常大。如果这些卫星比较暗且数量不多，可以通过影像分析去除这些“噪点或异常轨迹”。但如果是大量的并且是明亮的卫星，影像处理的难度就会非常大。而对于天文摄影来说，由于曝光时间较长，很容易不小心捕捉到这些卫星。图 2 -24 为摄影师菲利浦·马色 （ Philip Massey） 2019 年 12 月 8 日拍摄的大麦哲伦云被星链卫星破坏图像，图 2 -25 为 2019 年 5 月 25 日，亚利桑那州洛厄尔天文台拍摄的星系 NGC5353 和 NGC 5354 的图像，可以看到来自 25 颗星链卫星的轨迹。
图 2 -24 被星链卫星破坏的大麦哲伦云图像（ Philip Massey摄于 2019 年 12 月 8 日）[ 32 ]
图 2 -25 亚利桑那州洛厄尔天文台拍摄的星系NGC 5353 和NGC 5354 的图像（2019 年 5 月 25 日）[ 32 ]
2019 年年初，马斯克曾发表声明称星链卫星对天文学影响不大，他们会尽量降低这些卫星的发射率，并且承诺将为天文台提供按需的卫星方向调整。但反对和质疑的呼声高涨，初步分析表明，这些卫星对天文学研究的负面影响是显著且不可消除的。目前多数小卫星星座计划尚处于开始阶段，发射量较小 , SpaceX 仅发射了 120 颗星链卫星，但是它们的影响已经不容小觑 。2019 年 9 月，欧空局一颗地面遥感卫星紧急操作来避让星链卫星。而地面上的天文台已受到星链卫星的干扰，这些卫星依然是明亮的，并且没有调整方向避免对天文台的影响。
目前，很多商业公司提出的电信通信星座的计划主要由部署在 LEO 的 100~300kg 航天器构成，这些计划一旦顺利实施，将极大程度地改变当前的 LEO 轨道环境。当前 LEO 环境的质量分布如图 2 -26 所示 [33] ，其中，蓝色折线（折线 1） 是空间物体总质量分布，下面的三条折线分别指航天器、火箭箭体和其他空间物体。航天器和上面级（火箭箭体）在质量分布上占据了主导地位。从 1 100km 到 1 300km 轨道高度上的灰色部分代表了预估的 8 000 个 150kg 的大型星座航天器，或者等效成 4 000 个 300kg 的航天器。从其涉及的大量质量可以很明显看出，所提议的大型星座的部署、运行以及频繁的离轨和补充会极大地加剧现存的空间碎片问题。
图 2 -26 当前LEO环境的质量分布（2018 年 1 月 1 日）
为了更好地解释这个问题的本质 , NASAODPO 最近对大型星座完成了一个参数化的研究，主要目的是确定大型星座造成的碎片潜在增长对 LEO 环境的影响，并对相应的减缓措施提出建议。对大型星座的研究可利用 OPDO 的近地轨道—地球静止轨道环境碎片 （ LEO - to - GEO environment debris） 模型进行仿真，这个模型已广泛应用于各种各样的减缓和补救措施研究中。针对大型星座的研究，该模型基于不同用户特定的假设和参数定义了 300 多个场景。下面选择几个主要场景的仿真结果来进行分析。
为获得一个基准来评定大型星座对 LEO 环境的影响，首先分析几个基准场景，即没有大型星座情况下 LEO 环境预测，如图 2 -27 所示 [33] 。历史分布曲线（曲线 4） 反映了 1957 年至 2015 年之间的具有记载的发射和爆炸解体事件 。2007 年和 2009 年的阶跃性跳变主要原因是中国的反卫实验以及美国 Iridium 33 和 Cosmos 2251 的意外相撞。未来的发射量设定为对过去 8 年 （2008 — 2015 年）空间发射活动的重复，空间环境的预测时间为 200 年，也就是 2215 年。
图 2 -27 LEGEND模型仿真的三个未来场景及历史的LEO环境（没有大型星座影响）
每一个未来空间环境预测曲线都取 LEGEND 模型 100 次蒙特卡罗仿真的平均。最上面的曲线 1 是对没有任何减缓措施情况下的预测结果，这种情况下，进入 LEO 区域的上面级和航天器在任务操作结束后留在任务轨道，而不是按照 25 年的减缓措施在执行任务后机动到较低轨道。再假设上面级和航天器有一定的偶然概率爆炸，这个概率由历史爆炸事件决定，同时进行 90% 的任务后处理，其预测曲线为中间的曲线 2。 最下面的曲线 3 为在不考虑爆炸的情况下进行任务后处理 90% 的仿真情况。
就像预期的一样，没有减缓措施直接导致 LEO 质量分布随时间快速增长，从 2016 年至 2215 年的 200 年间增长了约 330%。 这种非线性的增长也是爆炸解体对空间环境负面影响的一个间接反映。然而，实行 90% 的任务后处理后， 200 年内碎片增长减少为约 110%。 如果不考虑爆炸解体概率，那么 200 年内碎片增长将减少为 40%。
10cm 及更大尺寸空间物体导致的灾难性碰撞累计次数随时间的增长如图 2 -28 所示 [33] 。我们认为，当冲击动能和靶目标质量之比超过 40J/g 时，将发生灾难性的碰撞。灾难性碰撞的直接结果就是目标的全部碎片化，相反，非灾难性碰撞仅仅导致目标较小的损坏和产生少量的碎片，对长期碎片分布增长影响很小。没有任何减缓措施的场景将导致灾难性碰撞次数的一个非线性增长 ,200 年内可达 61 次。然而在进行 90% 任务后处理的前提下，考虑和不考虑爆炸概率两种场景可以分别将灾难性碰撞减少到 27 次和 21 次。
图 2 -28 10 cm及更大尺寸空间物体导致的灾难性碰撞累计次数随时间的增长
除了图 2 -27 中按照未来发射量周期的背景情况外，在所有场景中都假定 ,3 个大型星座以不同的轨道倾角和平面运行在 1 000~ 1325km 的轨道高度。第一组场景假设 8 300 个航天器均来自这 3 个大型星座，对于星座 A 和 B 每个航天器是 150kg, 对于星座 C 是 300kg。 每一个航天器都部署在 500km 轨道，将其轨道提升至任务轨道运行 5 年后，对其进行任务后处理操作来降低轨道，使其在 5 年内自然衰减。随后，由一个新的航天器来取代它。此外，假设对那些成功进行部署、运行和任务后处理的星座航天器都进行了联合评估和碰撞规避机动。
星座航天器在不同任务后处理成功率情况下碎片增长预测结果如图 2 -29 所示 [33] ，所有的星座都正常运行，进行 20 年的卫星持续补网。假设星座航天器有意外爆炸的可能性，在 5 年寿命期间意外爆炸的概率为 0.001。 图 2 -27 中的曲线 2 （ 考虑意外爆炸并进行 90% 的任务后处理）被用于比较。对于大型星座任务后处理 90% 的场景，额外的碎片分布相对基准分布（曲线 4 ） 在 200 年内增加了约 290%。 甚至即使是 95% 的任务后处理，额外的碎片增长也接近 100%。 当大型星座航天器任务后处理成功率达到 99% 时，额外的碎片分布增长减少到 22%。
图 2 -29 星座航天器在不同任务后处理成功率情况下碎片增长预测结果
星座航天器在不同任务后处理成功率情况下累计灾难性碰撞次数如图 2 -30 所示 [33] 。对大型星座进行 90% 任务后处理导致了 200 年内灾难性碰撞达 260 次的一个非线性的增长。对于 PMD95% 的情况 ,200 年内总的灾难性碰撞次数为 90, 等效为每 2.2 年发生 1 次灾难性碰撞。由于大部分预测的灾难性碰撞发生在 1 000~ 1300km 轨道高度上，生成的碎片云严重威胁了这个区域内大型星座的安全运行。如果任务后处理成功率达到 99%,200 年内灾难性碰撞次数为 34, 这与环境评估中没有大型星座情况时的 27 次灾难性碰撞很接近。
大型星座高 PMD 成功率的需求在图 2 -31 中 [33] 进行了阐明，其中这 3 个大型星座的运行和日常航天器补充被假定为持续 50 年。在这组场景中设置 3 个大型星座的航天器总数减少为 6 700 个。每一个航天器在一个 5 年的任务寿命中意外碰撞概率仍然为 0.001。 对于任务后处理 90%、95%、99% 和 99.9% 的大型星座场景来说，相对于参考基准 ,200 年内额外的碎片分布增长分别为 + 590%、+ 180%、+ 40% 和 + 27%。 星座航天器在不同任务后处理成功率情况下累计碰撞次数如图 2 -32 所示 [33] ，从中可以看出，即使是 95% 的任务后处理，也有一个碰撞次数达到 158 次的非线性增长，等效为每 1.3 年 1 次灾难性碰撞。如果大型星座能够实现任务后处理 99%, 灾难性碰撞次数降为 40 次。更进一步地增加任务后处理成功率到 99.9% 有一些额外的好处，但是很少。
图 2 -30 星座航天器在不同任务后处理成功率情况下累计灾难性碰撞次数
图 2 -31 星座航天器在不同任务后处理成功率情况下碎片增长预测结果
图 2 -32 星座航天器在不同任务后处理成功率情况下累计碰撞次数
第三组场景主要评估大型星座航天器意外爆炸概率对 LEO 环境的影响。 3 个星座的航天器总数为 6 700 个，假设这 3 个星座的运行和常规航天器补给为 50 年，而且任务后处理的成功率为 90%。 航天器在 5 年任务寿命期内意外爆炸概率分别设定为 0.01、0.001、0.0001 和 0 这四种情况。星座航天器不同意外爆炸概率下碎片增长情况如图 2 -33 所示 [33] 。为了比较，其中也包括了没有大型星座的预测曲线（图 2 -27 中曲线 2）。
图 2 -33 星座航天器不同意外爆炸概率下碎片增长情况
PMD90% 成功率和航天器意外爆炸概率为 0.01 时将导致碎片分布在 200 年内超过 10 倍的增长（曲线 1）。 当航天器意外爆炸概率为 0.001 时，碎片的增长速度约减少了一半。更进一步减少爆炸概率仅带来了较小的改善。这一点在图 2 -33 中也得到很明显的体现，图 2 -34 展示了 200 年后空间物体分布随轨道高度的变化情况。相对于没有大型星座的环境预测，在轨道高度为 1 000km 和 1 200km 之间碎片有 2 ~3 个数量级的变化。关于意外爆炸概率的影响，最大的改善是 5 年任务时间内从 0.01 到 0.001。 对于图 2 -33 和图 2 -34 中的场景，一旦爆炸概率被限定到 0.001, 碎片分布增长主要取决于航天器任务后处理的成功率。如果星座航天器可以取得 99% 的任务后处理成功率，并且意外碰撞概率为 0.001, 它们对未来碎片环境的影响是有限的，也是可以接受的，就像图 2 -31 和图 2 -32 中曲线 3 展示的一样。
图 2 -34 200 年后（2215 年）空间物体分布随轨道高度的变化情况[ 33 ]
小卫星星座迅猛发展使得典型轨道区域内卫星密集度急剧增加，使轨道和频率资源日趋紧张，更重要的是大多数小卫星目前不具备主动离轨能力，其所处的轨道高度将使其完成任务后被废弃还会在轨运行超过数百年，将使空间碰撞概率剧增，给空间碎片减缓指南的实施和空间交通管理带来新的挑战。为此，国际机构间空间碎片协调委员会已经连续 3 年在联合国外空委大会发表有关立场声明。
基于以上的各种分析，未来空间碎片环境的发展趋势可归纳如下。
（1） 如果继续保持现在的空间发射频度，碎片总数将会加速上升，以至达到无法控制的地步，这是因为较大碎片之间的碰撞将日益增加。
（2） 利用任务后处理、碰撞规避、主动移除等技术可以有效减缓空间碎片的增长速度。
（3） 大型小卫星星座的密集式部署势必会给空间环境带来极大的负面影响，必须对大型星座进行评估，提前对小卫星进行技术处理，确保将对空间环境的影响降到最低。