空间碎片，是指人类空间活动的产物。包括完成任务的火箭箭体和卫星本体、火箭的喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间的碰撞产生的碎块等，是空间环境的主要污染源。

失效的航天器：寿命终结的卫星，探测器等；

运载火箭的末级：完成任务后遗留在轨道上的运载火箭末级；

任务相关碎片：卫星部署时抛弃的适配器、罩盖、缆绳等，航天员遗落的工具，火箭燃烧的残渣等；

航天器解体碎片：航天器受撞击等原因在轨解体产生的碎片，废弃火箭末级在轨爆炸产生的碎片，反卫星实验产生的碎片，空间物体在轨碰撞产生的碎片等；

可编目碎片（>10厘米）：地面监测网络（如美国的太空监视网络）能够持续跟踪并编目，数量约39246个（截至欧空局2025年空间环境报告中的数据）。

危险小碎片（1毫米 - 10厘米）：无法被地面系统有效跟踪，但足以击穿航天器舱壁或损坏关键部件，根据ESA的MASTER模型估计，尺寸大于1厘米的物体约有120万个，大于1毫米的则高达1.3亿个。

微小碎片（<1毫米）：数量极为庞大（数亿甚至更多），长期累积效应会对航天器表面造成侵蚀。

自从1957年苏联人造卫星发射以来，美国监测网络NORAD监测和编目了大约20000个左右直径大于10cm的空间碎片。现在，大约还有7500个碎片处于地球轨道中，主要在低地球轨道中（1995年数量为5747）。剩下的13000个，有的被燃尽，有的则返回地球，比如有效载荷。此外，还有直径大于1cm的碎片约10000个，直径大于1mm碎片约100000个。碎片数量肯定会不断增加，因为碎片彼此相撞会产生新的碎片（这种碎片被称作二次碎片）。

多数碎片位于近似圆形的轨道上。在500km高度，质量小于1g的物体寿命最多只有几年，在太阳活动高峰期间，寿命则只有几个月。而地球静止轨道上的碎片寿命实际是无限的。

空间碎片主要由以下四类活动产生：

发射遗留物体：包括完成任务后遗留的火箭上面级、发射适配器、罩盖等。这些物体通常长期滞留轨道，构成巨大风险。据统计，火箭体的受控再入数量在2024年首次超过了非受控再入，但历史上遗留的大量火箭体仍是主要碎片源之一。

寿命末期（EOL）失效的航天器：完成任务后未进行妥善处置的卫星。目前，大型有效载荷（>1000公斤）对“25年规则”的合规率明显偏低（约52%），导致大量失效卫星滞留在关键轨道上。

碎裂事件：这是空间碎片数量增长的最主要驱动因素。过去二十年，平均每年发生10.5次非故意的碎裂事件。推进系统故障（如剩余燃料导致的爆炸）是首要原因。2024年的数次重大碎裂事件就产生了超过3000个新编目碎片。还有包括电池爆炸、故意反卫星试验（ASAT）等原因。

轨碰撞事件：两个空间物体（如碎片与碎片、碎片与航天器）之间的碰撞会产生大量新碎片。报告模拟指出，即使停止所有发射，现有碎片间的碰撞仍将导致低地球轨道（LEO）碎片数量长期增长，存在碰撞级联效应（凯斯勒效应） 的风险。（凯斯勒效应指空间物体的密度达到一个临界点，以至于物体之间偶然发生的碰撞产生的新碎片又增加了下一次碰撞的概率，从而引发链式反应，导致碎片数量呈指数级增长，最终使该轨道区域变得无法安全使用）

从空间碎片观测的角度讲，雷达探测区间能覆盖星载平台前进方向半球牵域最好，可解决多方向碎片探测问题。基于星载平台的毫米波雷达观测区域如图1所示，其中大球表示地球，小球表示某时刻雷达的可观测区域，筒状结构内包含的区域即为所有可被雷达观测到的区域集合。

在一定数据率下，为实现上述探测区域的覆盖，雷达探测方式和天线的形式都需深入研究。比较可取的是不过度复杂的具有同时多波束的宽覆盖天线。与此同时，根据星载平台周围空间碎片的尺寸和其径向速度的大小来划分目标的威胁等级，确定星载雷达在某个时间段的观测方向，插入目标确认和重复观测任务，研究观测过程中的雷达和碎片的时空关系也十分必要。

对于尺度在厘米级的空间碎片，由于其雷达横截面积很小，要达到探测所需的信噪比，需要较大尺寸的雷达天线和高的发射功率：在星载环境下，这两个条件很难保证。脉冲积累尤其是脉冲相干积累是提高雷达探测信噪比的一个有效方法。从理论上讲，1000个脉冲的相干积累可获得30dB的信噪比提升，可大大提升雷达对目标的探测性能。但由于目标和雷达处于高速运动状态，目标大范围的距离徙动，使传统相干积累的效果极为有限，需要研究新的运动目标探测技术。

解决上述问题的一个办法是降低雷达的距离分辨率，但是降低分辨率会给后续其他信号处理工作，如目标速度在三维空间求解等，带来很多闲难：：由于提高距离分辨率会增大系统信号处理的压力，但并不会影响目标信噪比，为同时解决目标速度的测量问题，系统使用宽带信号并具有高分辨率成像模式还是有意义的。

和传统的目标探测雷达相比，以SAR和ISAR为代表的成像雷达对目标成像时都实施了运动补偿，通过长时间的相十积累，获得了较大的目标信噪比改善，这集中体现在SAR雷达方程中的信噪比和目标距离的3次方成反比 。可考虑将SAR和ISAR的一些成像处理方法引入空间目标的探测过程，用来提高检测目标的信噪比。在此基础上，雷达对远距离目标信号可采用长时间相干积累，对近距离目标信号可采用短时间相干积累，并自动实现一定的灵敏度时间控制（STC）功能。由于在成像处理过程中，获得目标径向速度的同时，也可获得目标横向速度，故雷达成像可获得更多的运动目标信息。

在星载条件下，雷达和空间碎片间存在高速径向和横向运动，传统的搜索-捕获-跟踪-目标运动参数估计一轨道测量过程很难建立。同时，由于雷达的作用距离有限，基于天线波束顺序扫描通过连续跟踪从目标较短的轨迹获取轨道信息比较困难，需研究新的目标轨道测量方法。

雷达容易获取某时刻目标的三维位置以及径向速度，通过成像处理，也能获得目标的横向速度，但只有将径向速度和横向速度分解到平台坐标系三维空间并转入天球坐标系，才可能解决目标的轨道预测问题。在星载平台上，由于空间正交布局天线的基线较短，传统地基方法对目标在三维空间的测速精度很低，不能满足轨道预测的要求。解决问题的一个办法是，提高雷达的分辨率并对目标进行成像处理，在高分辨率成像模式下利用图像配准将获得的目标速度分解到雷达平台的三维空间，获取目标三维运动参数，为其轨道预测创造条件。

设平台坐标系和天球坐标系的关系如图2所示，平台坐标系原点到地心的方向可设为x'轴方向，轴方向，z'轴方向垂直于平台的轨道平面，y’轴与x‘轴，z’轴构成右手坐标系，同时定义y’轴为平台前进方向，x’O'y’平面为天线波束俯仰扫描平面，y’O'z’平面为天线波束方位扫描平面。当天线波束任意指向时，为求解目标三维速度，需在坐标系原点O’和x‘、y’和z’三轴上正交布设4个天线；当天线波束指向在x’O’y’平面时，需在坐标系原点O’，和x’z’两轴上正交布设三个天线，其基线长度可设为lx'和lz'。

由于需要使用多天线结构，且在有限基线数日卜要准确分解目标速度，宙达还需具有较高的分辨率，这样的一个审问碎片观测雷达系统实际上较为复杂。

现代化学火箭推进的航天器，其液体推进剂的质量占航天器总质量50%以上，因此，航天器液体推进剂的贮存系统具有质量轻、强度大、贮箱壁簿、安全系数小等特点。大尺寸的宇宙尘撞击液体推进剂贮箱的可能性几乎为零，能撞击液体推进剂贮箱的宇宙尘质量范围为10-12~1g。撞击液体推进剂贮箱的宇宙尘质量虽小，但在太阳引力场作用下的撞击速度可高达84km/s。在这样高的撞击速度下，质量为1ug的宇宙尘埃，就可以穿透1mm的铝板。

因此，必需研究宇宙尘撞击的规律，使液体推进剂贮箱避免宇宙尘埃的撞击。宇宙尘埃和空间碎片撞击液体推进剂贮存系统造成航天器损坏主要有以下3种特征。

（1）大尺度宇宙尘埃和空间碎片撞击。宇宙尘埃和空间碎片的尺寸接近或超过液体推进剂贮箱的壁厚，质量接近或超过被撞击部分的材料质量时，称之为大尺度宇宙尘埃和空间碎片。大尺度宇宙尘埃和空间碎片撞击液体推进剂贮箱，贮箱将被彻底贯穿，宇宙尘埃和空间碎片几乎不损失动量和能量。

（2）中等尺度宇宙尘埃和空间碎片撞击。宇宙尘埃和空间碎片尺度为液体推进剂贮箱壁厚的10%—20%时，称为中等尺度宇宙尘埃和空间碎片。中等尺度宇宙尘埃和空间碎片撞击液体推进剂贮箱，贮箱将被击穿，宇宙尘埃和空间碎片的大部分能量被推进剂贮箱吸收，并引起强烈的冲击波，导致被撞击贮箱壁背面沿着裂缝扩散。贮箱破裂产生的碎片速度较低，但质量却比宇宙尘埃和空间碎片大得多。空间环境中，中等尺度宇宙尘埃和空间碎片数量远超过大尺度宇宙尘埃和空间碎片，因此，它的撞击危害性更严重。

（3）微尺度宇宙尘埃和空间碎片撞击。微尺度宇宙尘埃和空间碎片撞击液体推进剂贮箱时，贮箱外表面被撞击形成浅凹痕，并逐渐被微宇宙尘埃和空间碎片侵蚀。由于微尺度宇宙尘埃和空间碎片在地球周围浓度较大，航天器在低地球轨道做长时间航行时，微尺度宇宙尘埃和空间碎片的危害性尤为严重，液体推进剂贮箱被微宇宙尘埃和空间碎片破坏的概率为3.6%/年。

目前空间碎片的探测是通过天地一体化的网络进行监测。

雷达

通过向太空发射电磁波并接收其反射信号，可以精确测定空间碎片的位置与速度。这项技术能够实现全天候、远距离的持续监测，其中高分辨率雷达系统更可达到厘米级的探测精度，即便在茫茫太空中，也能清晰捕捉到微小目标的踪迹。

光学望远镜

利用光学望远镜与高灵敏度相机，我们可以捕捉遥远碎片反射的太阳光，这种方式特别适用于探测地球高轨道上的空间碎片。与此同时，配备先进图像处理技术的高精度光学系统，甚至能够识别出直径小至10厘米的微小碎片。若通过多个观测站点联合跟踪，即可综合分析碎片的运行轨迹，从而降低其轨道预测的不确定性，显著提升太空碰撞预警的准确度。

卫星搭载宽视场相机、红外相机、成像相机、电磁监视、多光谱相机、算力单元、智能处理软件等载荷，对太空当中的碎片以及在轨的卫星信息进行采集，把这些数据进行分析，提供给在轨的卫星，防止这些卫星跟卫星之间碰撞，以及卫星跟碎片之间的碰撞。

载人飞船是典型的低轨道航天器（LEO），其轨道所处区域空间碎片密度较大，碎片的撞击对飞船运行的可靠性和安全性构成严重威胁。特别是当航天员进行舱外活动时，由于失去了舱壁的保护，碎片撞击的危害会更加严重，甚至直接威胁到航天员的生命安全。因此，通过考虑飞船运行的轨道高度、轨道倾角以及任务的时间节点等预报因子，采用国际上通用的预报模型，计算飞船轨道的空间碎片分布，得到任务期间飞船所处的空间碎片环境；在预报中给出环境评估结果，评估结果对于飞船调姿、变轨具有一定参考作用；同时，在预警软件中以动态图形的方式对飞船所经轨道的空间碎片环境进行预示，直观显示载人航天任务的空间碎片环境预警信息。在任务期间，可实时提供飞船所在位置不同尺度的空间碎片通量，并发布预警信息，以及时规避危险空间碎片。

采用Ordem 2000模型对神舟飞船所处的空间碎片环境进行评估。Ordem2000是美国航空航天局根据遥测数据和地面测量数据开发的半经验空间碎片环境工程模型，广泛应用于对运行高度介于200~2000km之间的近地轨道区域的航天器空间碎片风险评估。具体来说，Ordem 2000碎片模型为一个有限元模型，将空间及速度离散化，基于已有观测数据再进行偏差修正得出空间碎片通量分布等分布状态。以飞船运行的轨道参数及时间作为Ordem 2000模型的输入，其中轨道参数包括远地点高度、近地点高度和轨道倾角，或是以轨道半长轴、离心率和轨道倾角的形式表示；经过Ordem 2000模型计算得到给定轨道的空间碎片通量分布，对飞船进行空间碎片碰撞风险评估。

空间碎片直接威胁载人航天器的飞行安全，尤其对于长期在轨飞行器，空间碎片的保障是空间天气保障的常规性重要内容，而现有的碎片模型不具备提供飞行器与碎片的交会预报等功能。针对载人航天任务空间天气保障需要，设计了专门的空间碎片预警系统软件。通过对模型现有软件进行优化，使之能够实现飞行器与碎片的交会预报功能。软件可根据每天下载更新的飞行器轨道数据，计算未来一天内，每秒钟的飞行器与碎片的相对位置，并评估出飞行器与碎片的最小距离，同时能够给出给碎片的编号，方便进一步的跟踪模拟。软件可设置起始时间、计算步长、计算天数、警戒距离、高度上限和下限，计算飞行器在轨运行过程中与空间碎片的交会状况，包括交会的时间、最小距离和空间物体的名称等。

被动防护：航天器安装防护结构，缓冲微小碎片冲击，分散撞击能量；

主动规避：对可监测的大碎片，航天器实施主动变轨规避；

应急修复：2024 年神舟十七号乘组通过模块化更换受损部件曾成功修复被碎片击伤的太阳翼，验证了在轨维修能力；

救援备份：自神舟十二号任务起，中国实施载人航天“滚动备份策略”，即每艘发射飞船均配备一艘技术状态一致的备份飞船和火箭，始终处于预激活待命状态，确保接到指令后能快速响应。

限制正常操作中释放的碎片

设计原则：航天器和轨道级的设计应做到在正常操作中不释放碎片。若无法实现应当降至最低水平；

对地静止轨道区域处置：

将GEO卫星在寿命末期推升至“坟墓轨道”（通常高于GEO约300公里），以避免干扰运行轨道。[6]过去十年，尝试遵守该指南的GEO有效载荷比例高达85%-100%，其中70%-95%获得成功。

穿越低地球轨道区域的物体处置：

25年规则：任务终止后，应通过离轨再入（首选）或机动至一条预期剩余轨道寿命不超过25年的轨道进行处置。处置行动的成功概率应至少为90%。ESA等机构提倡将离轨时间缩短至5年。数据显示，全球对5年规则的遵守率比对25年规则的遵守率约低10%，表明实现更严格目标在技术上是可行的，但需更大努力。

对于大型物体（尤其是火箭体），引导其再入地球大气层并坠入预定的无人海域。这是目前最有效的处置方式之一，2024年火箭体的受控再入实践比例已超过65%。

钝化

在任务结束时排空所有剩余燃料、排出高压气体、断开电池连接，以彻底消除爆炸风险，防止产生新的碎裂事件。

防止在轨碰撞

设计评估：在任务设计阶段，应评估并限制航天器在其寿命期内与已知物体发生意外碰撞的概率。

规避机动：在获得可靠轨道数据的前提下，若碰撞风险不可忽略，应考虑进行规避机动或协调发射窗口。

防撞设计：航天器设计应考虑抵御微小碎片撞击，以防止因失控而无法执行任务后处置。

接触式主动移除空间碎片

接触式移除空间碎片分为两个阶段，捕获技术与运输/离轨技术。首先要对目标碎片进行捕获，然后要将目标碎片运输到“轨道坟场”或使其再入大气层。

捕获技术

机械臂：技术成熟，但针对非合作目标（未知运动与结构）的捕获极具挑战性。设计多样，从简单的插入火箭喷嘴的杆状结构到仿生柔性臂均有研究。

网捕系统：通过发射网状物包裹目标，适用于不规则或旋转目标。

系留空间机器人：将机械臂置于一个通过系绳与主航天器连接的独立模块上，提高了任务安全性。

鱼叉：通过发射带系绳的鱼叉刺入并锁定目标结构。

运输/离轨技术

传统推力器：适用于刚性连接（硬抓取）的情况，技术成熟可靠。

系绳拖曳：使用低推力电推进器进行拖曳，但系绳的摆动和避免羽流烧蚀是控制难点。

电动系绳：利用系绳与地磁场的相互作用产生洛伦兹力进行离轨，无需消耗推进剂，是极具前景的技术。

动量交换系绳：通过改变系绳长度或使系统旋转，在两端物体间交换角动量，从而实现一个物体的离轨。

充气气球/太阳帆：通过增大目标横截面积，利用大气阻力（低轨）或太阳光压（各轨道）使其减速。太阳帆技术已在IKAROS和LightSail-2任务中得到验证。

不直接捕获碎片，而是通过对碎片施加一个力，来改变碎片的轨道，使其再入或者抵达“轨道坟场”

离子束：服务航天器向碎片目标发射离子束，利用粒子撞击产生的力推动碎片，同时自身需开启另一个推力器进行补偿。这是研究最深入的非接触方法，涉及复杂的离子力/力矩建模、相对控制及目标姿态控制问题。

静电运输：通过使服务航天器和碎片带异种电荷（拉式）或同种电荷（推式），利用库仑力进行操控。该方法高度依赖轨道高度，在地球同步轨道（GEO）等等离子体稀薄环境更具应用潜力。

激光：高能激光束辐照物质表面，向物质表面注入能量，表面温度急剧上升，表面熔融、汽化、产生等离子体，形成蒸气和等离子体反喷羽流（与入射激光方向相反），使得靶材物质获得冲量，即获得速度增量（简称烧蚀反喷获得速度增量）。研究表明，入射激光方向即使偏离表面法线方向，烧蚀反喷羽流方向始终沿着表面法线方向。

使用地基或天基高能激光照射碎片表面，通过烧蚀产生的反冲力改变其轨道或进行消旋。激光产生的力比纯光压大数个量级，是实时碰撞规避和碎片移除的有力候选方案。

激光能源保障子系统以及激光瞄准和发射子系统构成激光器系统（简称激光站）。激光清除空间碎片方法中，如果将激光器系统部署在地面称为地基清除空间碎片方法；如果将激光器系统部署在外层空间称为天基清除空间碎片方法。

地基激光清除空间碎片是激光站部署在地面，激光束通过大气传输，作用在空间碎片表面，表面烧蚀反喷获得速度增量，降低原来轨道速度，改变碎片轨道近地点高度，当近地点高度低于150km时，碎片很快坠人大气层中，在气动阻力作用下迅速烧毁。

地基激光清除空间碎片，由于具有能源保障方便、系统提供能量高、易于维护和技术可行性强等优点，得到普遍关注。美国、德国和日本等相继开展了地基激光清除空间碎片研究，其中美国NASA的ORION计划最具有代表性。

2023年，紫金山天文台联合中国科学院云南天文台、中国科学院光电技术研究所、中国科学院上海光学精密机械研究所启动“分布式空间碎片激光测距关键技术与应用研究”。

2025年11月5日，中国载人航天工程办公室消息，神舟二十号载人飞船疑似遭空间微小碎片撞击，正在进行影响分析和风险评估。为确保航天员生命健康安全和任务圆满成功，经研究决定，原计划11月5日实施的神舟二十号返回任务将推迟进行。

2025年11月14日，神舟二十号成员组乘坐神舟二十一号返回舱，顺利在东风着陆场着陆。

2025年12月9日，神舟二十一号乘组顺利完成一次高难度出舱作业。经过超过八小时的连续操作，两名航天员在轨完成了对受损飞船舷窗的全面检测，并为空间站关键部位加装新型防护层。神舟二十号将在无人状态下择机受控再入大气层。届时，科研团队将全程监测其烧蚀情况，重点观察破损舷窗区域的热响应表现。飞船残骸落入预定海域后，还将组织打捞，对残存结构进行拆解研究。这些一手资料将成为改进未来飞船防护设计的重要参考。