太空垃圾清理技术研究与实践进展低地轨道的高速碎片正成为太空活动的隐形威胁这些碎片包括废弃卫星、火箭残骸和碰撞产生的碎屑，以每小时 29000 公里的速度在轨道运行，微小颗粒也能对航天器造成致命损伤 —— 直径 1 毫米的铝制碎片撞击能量相当于一颗手枪子弹，直径 10 厘米的物体则足以摧毁整颗卫星2009 年，美国铱星 33 号与俄罗斯报废卫星宇宙 2251 号在近地轨道相撞，产生 2100 多块可追踪碎片，其中多数至今仍在轨道漂浮；2021 年，一块两吨重的火箭残骸在太空漂浮三年后重返地球，砸穿印度尼西亚一栋两层楼房，虽未造成人员伤亡，但留下直径约 1 米的撞击坑；国际空间站自 2000 年运行以来，已因碎片逼近实施过 32 次紧急机动，2023 年一次规避操作甚至中断了宇航员的太空行走任务，迫使团队提前返回舱内截至 2023 年，低地球轨道直径大于 1 厘米的垃圾已超 1 万颗，毫米级碎片更是达到数百万颗，部分高使用率轨道区域密度每立方公里超过 5000 个物体，十年内新增垃圾增长率保持在每年 10% 以上，根据欧洲空间局预测，未来碰撞产生的次级碎片占比预计将达 40% 以上，若不采取干预措施，2040 年低地轨道垃圾总量可能突破 3 万颗。
商业卫星的近距离探测为垃圾清理提供了关键数据2024 年 12 月，日本一家公司的 ADRAS-J 卫星成功接近 H-IIA 火箭上级残骸至 15 米范围，创下商业会合与邻近操作的最短距离纪录这款碎片检查演示卫星重量约 300 公斤，搭载高分辨率光学相机、激光雷达和微波测距仪，在距离目标 50 米时启动直线接近程序，通过星载计算机实时计算相对速度与姿态，每 0.5 秒更新一次轨道参数，最终抵达预定捕获点下方区域任务进行到关键阶段时，目标残骸因太阳辐射压影响出现轻微姿态摆动，触发卫星的自动中止系统，虽未完成捕获测试，但完整记录了碎片表面状态、旋转周期和材质特征，获取的 3000 多组数据包括残骸表面温度分布、表面腐蚀程度等细节，为后续任务的捕获方案优化提供了核心参数该任务由日本宇宙航空研究开发机构选定执行，验证了近距离探测的安全控制能力，也让商业卫星参与太空垃圾治理从概念走向实践，目前已有三家欧洲公司基于此次任务数据启动同类探测卫星研发磁性对接技术正在降低大型垃圾捕获的风险同一家日本公司的 ELSA 系列项目已通过 ELSA-d 卫星验证捕获技术可行性，这款由服务卫星与目标卫星组成的测试系统，2021 年在太空完成三次捕获与释放操作，最长一次保持对接状态达 72 小时。
服务卫星搭载的电磁对接装置重量仅 8 公斤，通过调节磁场强度实现与目标卫星磁性对接板的精准结合，相比机械臂减少了接触损伤风险，尤其适合表面不规则的火箭残骸计划 2026 年发射的 ELSA-M 卫星将执行首次商业清理任务，清除一颗 2009 年报废的通信卫星，这款卫星重量约 600 公斤，携带的化学燃料可支持 3 至 4 次清理任务，每次任务中，它将先通过星载导航系统定位目标，再缓慢接近并完成磁性对接，随后启动推进系统将目标拖至 350 公里高度 —— 这一高度的大气阻力足以让目标在数月内自然脱轨，并在进入大气层时因摩擦燃烧殆尽该设计让重复使用清理设备成为现实，单次任务成本相比早期方案降低约 40%，目前已有两家通信公司预订了 2027 年的清理服务多种技术路线正在并行推进垃圾清理能力建设中国 “长征七号” 火箭 2024 年搭载的空间碎片主动清理飞行器，配备了 6 自由度机械臂，机械臂末端的触觉传感器能感知接触力度，避免抓取时损伤碎片表面，在地面测试中，该机械臂成功抓取过模拟火箭残骸的不规则物体，误差控制在 5 毫米以内激光技术方面，美国空军研究实验室在新墨西哥州的星火光学靶场部署了功率 2 千瓦的地基激光系统，2023 年通过持续照射一块 10 厘米的模拟碎片，使其轨道高度降低了 2 公里，验证了激光改变碎片轨迹的可行性；太空基激光设备则面临能源供应难题，目前欧洲空间局正在研发的太空激光清理卫星，计划采用太阳能电池与蓄电池组合供电，功率目标设定为 500 瓦，预计 2030 年前完成在轨测试。
飞网捕获技术由瑞士一家公司主导研发，他们使用的超高分子量聚乙烯纤维制成的网具，重量仅 1.2 公斤却能覆盖 20 平方米面积，网具边缘的微型推进器可调整张开角度，2022 年的气球搭载测试中，该网具成功捕获了空中释放的模拟碎片电磁防护技术通过航天器表面的电磁线圈产生磁场，改变金属碎片的飞行轨迹，中国航天科技集团在 “天宫” 空间站的实验舱外部署了小型电磁防护装置，运行两年来未发生过金属碎片撞击事件，但该技术目前面临成本和复杂度偏高的问题，一套完整的电磁防护系统重量约 50 公斤，造价超过 200 万美元，暂未大规模推广全球监测网络为清理任务提供基础支撑地基雷达中，美国空军的 AN/FPS-85 相控阵雷达可追踪距离地球 3 万公里内、直径大于 10 厘米的物体，其探测范围覆盖整个低地轨道和部分中地球轨道，每秒能处理 1000 组目标数据；俄罗斯在哈萨克斯坦部署的 “顿河” 雷达系统则擅长监测微小碎片，可识别直径 5 厘米以上的物体，两者数据通过国际合作渠道共享，形成互补监测能力光学望远镜方面，智利帕瑞纳天文台的甚大望远镜通过高分辨率成像，能拍摄到距离地球 800 公里处直径 1 米的卫星细节，帮助判断目标的结构状态；中国在青海部署的空间碎片观测望远镜，配备了自适应光学系统，可抵消大气扰动影响，观测精度达到 0.1 角秒，2023 年成功追踪到一颗退役气象卫星的解体过程。
空间探测卫星中，美国的 “太空跟踪与监视系统” 卫星运行在地球同步轨道，通过红外传感器和光学相机全天候监测碎片，可同时跟踪 500 个目标；欧洲空间局的 “哨兵 - 6” 卫星则通过雷达高度计间接获取碎片位置信息，补充地面观测的盲区数据处理借助机器学习算法实时分析探测信息，美国国家航空航天局开发的碎片轨迹预测算法，能基于过去 72 小时的观测数据，预测未来 10 天内碎片的位置，准确率达 95% 以上；动态更新的垃圾数据库目前记录了超过 3.4 万颗直径大于 10 厘米的物体，联合国空间事务厅通过空间碎片登记中心收集各国航天器信息，每年更新两次全球碎片分布报告，为国际协同提供数据基础目前近地轨道监测覆盖率约 90%，但远地轨道和深空区域的监测能力仍显不足，距离地球 3.6 万公里的地球同步轨道，直径小于 1 米的物体监测率仅为 60%，深空区域更是缺乏持续观测手段技术实施过程中面临多重现实障碍太空垃圾碎片微小且高速移动，精确追踪位置和轨迹难度极大，直径小于 1 厘米的碎片难以被现有雷达捕捉，这些 “隐形杀手” 可能在毫无预警的情况下撞击航天器，2022 年一颗商业遥感卫星的太阳能板就因不明微小碎片撞击出现故障，发电量下降 30%。
清理设备需在地面完成充分测试才能确保太空环境中的可靠性，模拟太空真空和极端温度的测试舱建造成本高昂，一套完整的热真空测试设备造价超过 1 亿美元，单次测试费用达 500 万美元，许多中小型企业难以承担极端温度和辐射会侵蚀设备材料和电子系统，低地轨道白天温度可达 120℃，夜间降至 - 180℃，反复冷热循环会导致材料疲劳，欧洲空间局的一项研究显示，航天器材料在轨道运行 5 年后，强度会下降 25%；宇宙辐射则会干扰电子元件，2023 年一颗清理卫星因辐射导致计算机重启，中断了原定的观测任务操作时需绝对避免触碰在轨卫星或空间站，任何失误都可能引发连锁碰撞，2021 年俄罗斯进行反卫星试验，产生 1500 多块碎片，迫使国际空间站紧急调整轨道，此类事件让各国对清理任务的安全性更加谨慎《外层空间条约》等国际法律对太空活动的限制，以及各国的技术出口管制，进一步增加了技术落地的复杂度，条约中 “不得将外层空间据为己有” 的条款，让清理任务的责任归属难以界定；部分国家对高精度导航和推进技术实施出口限制，导致跨国合作项目常因技术共享问题延迟国际合作是突破治理瓶颈的关键路径轨道环境的全球性决定了单一国家无法独立应对垃圾问题，低地轨道垃圾会在数年内扩散到全球范围，某一区域的清理成果可能因其他区域的新增垃圾被抵消，2023 年全球新增太空垃圾中，60% 来自三个国家的发射活动，若缺乏协同管控，单个国家的清理努力效果有限。
不同国家在技术标准、政策立场上的差异亟需协调，欧洲空间局推动制定的《空间碎片减缓行为准则》已得到 27 个国家认可，准则要求航天器设计时预留离轨推进系统，报废后在 25 年内脱离低地轨道，但仍有 12 个航天活动较多的国家未加入该准则欧洲空间局的空间碎片协调网推动多国信息共享，该网络每月召开视频会议，交换碎片监测数据和清理任务进展，2024 年通过该网络协调，美国和德国的监测卫星联合完成了一次碎片碰撞风险评估，避免了两颗在轨卫星的机动冲突一些联合项目正尝试建立统一操作协议，美国、日本和加拿大联合开展的 “清除碎片倡议”，计划 2028 年发射联合清理卫星，目前已就目标选择标准、数据共享方式和成本分摊比例达成初步共识但技术标准不统一、政治利益冲突和资金分配分歧，仍在阻碍深度合作，不同国家的卫星导航系统参数存在差异，导致联合任务中需要额外的校准环节；部分国家担心技术共享会泄露军事机密，对关键技术采取保密措施；太空清洁项目耗资巨大，单次任务成本通常在 1 亿至 3 亿美元之间，如何平衡投入与收益，明确责任归属，需要更完善的国际法律框架支撑，目前联合国正在起草的《外层空间可持续发展条约》草案，已将太空垃圾治理纳入议题，但各国在责任划分和资金机制上仍存在分歧。
源头控制技术正在减少新增垃圾产生猎鹰 9 号火箭的回收率超过 90%，通过网格翼控制和着陆腿缓冲，实现一级助推器的海上平台或陆地回收，2024 年该型号火箭完成 38 次发射，35 个一级助推器成功回收，其中 12 个助推器实现了 5 次以上重复使用，大幅降低发射过程中的残骸数量 —— 传统火箭发射会产生 2 至 3 吨残骸，而回收助推器的发射仅产生约 200 公斤的整流罩碎片蓝色起源的 “新 Shepard” 火箭则实现了亚轨道飞行的完全回收，包括推进舱和乘员舱，2023 年完成 12 次飞行，全部实现回收，为小型载荷发射提供了低垃圾方案优化轨道设计可缩短卫星在轨时间，低地球轨道卫星运行寿命通常为几年到十几年，相比中地球轨道几十年的寿命更易控制离轨节奏，英国一家卫星公司设计的 “短命卫星”，在轨寿命仅 2 年，配备小型推进系统，报废后可在 3 个月内脱轨，目前已发射 18 颗此类卫星，未产生任何遗留垃圾实施轨道保持能延长卫星使用寿命 20% 以上，减少报废卫星数量，中国 “北斗” 导航卫星通过定期轨道调整，将在轨寿命从设计的 8 年延长至 12 年，减少了卫星更新换代产生的垃圾；欧洲的 “伽利略” 卫星则采用电推进系统进行轨道保持，相比化学推进减少燃料消耗，降低了推进剂耗尽导致失控的风险。
受控分解技术可使卫星在预定区域解体，让碎片坠入大气层烧毁，欧洲空间局的 “普朗克” 卫星任务结束后，通过精准控制推进系统，让卫星在南太平洋 “航天器坟场” 上空解体，所有碎片均在大气层中烧毁，未留下任何轨道垃圾；采用该技术的卫星能减少 70% 以上的垃圾产生，目前全球已有 40% 的新发射卫星配备了受控离轨系统，较 2015 年提升了 25 个百分点现有技术进展为太空可持续发展奠定基础从近距离探测到多种捕获技术验证，人类已逐步突破清理任务的核心技术难点，ADRAS-J 的探测数据让目标定位误差从原来的 100 米缩小至 15 米，ELSA-d 的磁性对接验证让捕获成功率提升至 90% 以上，机械臂、激光、飞网等技术的并行发展，形成了覆盖不同尺寸、不同类型垃圾的清理能力监测网络的完善让风险预警更及时，全球碎片监测数据更新频率从 2015 年的每天 1 次提升至现在的每小时 1 次，碰撞风险预。