太空垃圾包括因寿命已尽而报废、因事故和故障而失控的人造卫星、发射各类航天器时使用过的火箭本身及其一部分零件。
多级火箭分离时产生的碎片、大块碎片相互碰撞后产生的小碎片，甚至还有宇航员在太空作业时遗失的手套和工具等物品。
宇航员太空舱外高空作业
据不完全统计，从1957年到2005年，世界各国总共发射成功了约6000个航天器。
其中俄罗斯3121个，美国1802个，其他国家、地区和组织为764个（其中日本109个，中国88个，法国46个，印度38个等）。
其中通信卫星1671颗，遥感卫星2107颗，导航卫星384颗，科学卫星和试验卫星1049颗，空间探测器140个。
另据美国关注科学家联盟组织2007年初公布的世界卫星数据库显示，环绕地球飞行的共有近800颗各类卫星，其中413颗属于美国。
这些卫星在使用寿命耗尽后都会通过变轨来碰撞大气自毁，然而，高轨道卫星动能庞大，使得它们难以减速坠毁，一些老旧的卫星的操作也会遇到不可预期的问题而失控。
这是目前大型垃圾的主要来源，如“高层大气研究卫星（UARS）”、尖兵一号人造卫星。
高层大气研究卫星太空假想
在发射卫星上太空的过程中，大部分火箭的第一节都会自然落入大气烧毁，而后面级若能达到入轨高度，一般则会进行反推来回收（早期版本的火箭可能不会拥有此功能）。
不过少部分情况下，会因为引擎突然爆炸或是零组件遗落、燃料估算错误而导致最终可能无法进行所谓可操作坠毁的过程。
除了航天器之外，美国在20世纪60年代曾经执行过西福特计划（Project West Ford），将4亿3000万根铜制偶极天线散布在轨道上形成云状环，从而反射无线电信号以便海外的美军能更好地与本国联系。
这个计划散布的针状物分布于高度在3500公里到3800公里之间，轨道倾角在96度到87度之间的轨道范围。
根据当时美国联合国大使阿德莱·史蒂文森的说法，在太阳辐射压力的作用下，这些针将会在短短3年内离开轨道。
但事实上直到现在仍有相当数目的针残留在轨道上，偶然才会返回大气层。
铜制偶极天线，全长1.78厘米，直径25.4微米（1961年）/17.8微米（1963年）的针状物
一些太空作业过程也会意外地遗留下太空垃圾。
在Edward Tufte所著的书籍《Envisioning Information》中提及到现存的太空垃圾当中包括一只太空人爱德华·怀特在进行舱外活动时遗失的手套。
迈克尔·科林斯在双子星座10号任务期间遗失的摄影机及和平号空间站运作15年间弃掉的垃圾袋、一个扳手和一支牙刷。
参与STS-116（第120次航天飞机计划）的苏尼特·威廉斯在一次舱外活动期间也丢失了一个摄影机。
STS-120的工作人员在维修国际空间站上一块太阳能电池板时遗失一对钳，在STS-126中一名太空人进行舱外活动时丢失了一个大约公文包大小的工具包。
在STS-126中丢失的工具包
太空垃圾的另一主要来源是冷战时期反卫星武器的研发，美国与苏联在60至70年代所进行的一系列反卫星武器试验制造了大量太空垃圾。
80年代，美国重新启动反卫星武器计划，与渥特（Vought）公司签约研发出ASM-135反卫星导弹，并在1985年进行实验击毁了一个环绕地球重2200磅的卫星，制造了上千颗大于1厘米的太空垃圾。
所幸由于实验在较为低的轨道上进行，大部分的碎片被重力牵引并在大气层内燃烧殆尽。
反卫星武器假想图
太空垃圾一般在高300~450公里的近地轨道上以每秒7~8公里高速运动，而在36000公里高度的地球静止轨道上则以每秒3公里的速度运动。
根据轨道倾角碰撞时的相对速度甚至可以达到每秒10公里以上，因此具有巨大的破坏力。
因此太空垃圾若与运作中的人造卫星、载人飞船或国际空间站相撞，会危及设备甚至宇航员的生命。
据计算，一块直径为10厘米的太空垃圾就可以将航天器完全摧毁，数毫米大小的太空垃圾就有可能使它们无法继续工作。
而太空垃圾也因此成为了国际问题。
太空垃圾的分布示意图
为控制和减少太空垃圾，宇航专家们提出了许多对策，总结为“避、禁、减、清”四个字。
“避”就是发展现代太空监视系统，使航天器及时避开太空垃圾。
日本本州岛冈山县一台远程控制雷达2005年开始工作，这是世界上第一台专门用来跟踪太空垃圾移动的雷达，它能同时跟踪近十个物体。
美国空间监视网络（US Space Surveillance Network, SSN）、俄罗斯空间监视系统（Space Surveillance System, SSS）等机构对约10厘米以上的较大太空垃圾进行编录并实时监视，而日本也在美星空间警戒中心、上斋原空间警戒中心进行太空垃圾的观测工作。
已被编录的大于10厘米的太空垃圾现已经超过9000个，而1毫米以下的微小太空垃圾可能有几百万甚至几千万个。
“禁”是禁止在空间进行试验和部署各种武器，限制发射核动力卫星。
“减”就是尽量减少太空垃圾的增加。
我国已掌握了火箭剩余燃料排放技术，避免在执行火箭发射任务后产生太空垃圾。
“清”就是发展太空垃圾清除技术，美国航空航天局正在试验一种“激光扫帚”技术击落太空垃圾。
俄罗斯科研人员还开发出保护航天器与太空垃圾碰撞的新防护屏。
当太空碎片与其发生碰撞时，将降低碰撞的强度，碰撞产生的能量还使太空垃圾发生爆炸式的化学反应，大大加快了太空碎片变成粉末的过程。
目前比较具体的太空垃圾清理方案设想有五个，一是美国德州农工大学提出“弹弓-卫星太空清扫器”的设计方案。
该方案能够捕获太空垃圾，再将太空垃圾投向地球大气层燃烧，之后使用动量航行至下一个太空残骸目标进行清除。
太空弹弓设想图
二是“立方太阳帆”。英国提议建造“立方太阳帆”，使用小型人造卫星带动太阳帆捕获太空残骸至低轨道。
最初计划于2011年实施，但目前该计划仍在筹划之中，期待生产商萨里太空中心制造更多小型人造卫星来实现。
立方太阳帆计划
三是大气层爆炸法。美国弗吉尼亚州雷神BBN科技公司的丹尼尔-格雷戈里（Daniel Gregory）提出一种策略——在大气层制造“爆炸”，使人造卫星残骸进入低轨道燃烧。
他们在高海拔平原释放气球爆炸，2012年初进行的研究测试表明该方法足以扰乱低地球轨道太空残骸的运行路径。
四是美国国家航空航天局希望研制的“激光扫帚”，它主要针对直径1~10厘米的太空垃圾。
“激光扫帚”锁定某个太空垃圾目标后，将发出一束激光，照射在太空垃圾背离地球的一端，使之部分升华为气体。
就像喷气式飞机的原理一样，利用气体的反作用力推动太空垃圾朝地球的方向运动，最终使其进入大气层，与大气层产生强烈摩擦而燃烧自毁。
五是太空清理卫星，瑞士航天中心正在研发一种超快仿生手臂，将其安装在“清洁空间一号”卫星上，捕捉并回收太空垃圾。
瑞士航天中心希望这个机械手臂能在0.05秒内抓住各种不规则形状的抛掷物。
我国新一代运载火箭长征七号2016年6月25日首飞搭载的远征1A上面级，为中国未来空间碎片清理等轨道服务奠定了工程应用基础，对于中国空间运输与应用系统的发展具有里程碑意义。
首飞火箭搭载载荷“遨龙一号空间碎片主动清理飞行器”也在探索太空垃圾清除相关技术。
遨龙一号空间碎片主动清理飞行器发射
虽然说由于太空垃圾的体积限制，导致数量众多的它们均摊到地球周围广袤太空时显得稀稀疏疏，但太空垃圾的存在依旧会严重影响到地球太空探索的安全。
2005年1月17日世界时2点14分，在南极上空东经306.8°、南纬80.6°的885千米高空发生了一起“宇宙交通事故”。
我国一块长征四号火箭的碎片与美国雷神-博纳火箭的末级相撞，撞击的结果是雷神-博纳火箭被撞出两块地面可跟踪的碎片。
太空垃圾假想图
太空垃圾能否清除关系到我们未来能否自由地进入太空，我们不能任由它们漫天飞舞。
各国科学家正在行动，相信一定能够还宇宙一片干净的星空。
（作者系中国科学院国家空间科学中心博士，现中国运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师）
中科院地质地球所
