1 引言
空间碎片（space debris）是指位于地球轨道上的或者重返大气层的非功能性人造物体，包括其残块和组件等
[1]。随着人类探索太空活动的增多、巨型星座的建设，空间碎片也越来越多，占据了大量轨道资源
[2]、严重威胁航天器等运行安全
[3]。因此，关于空间碎片的研究日益受到国内外学者关注。
关于应对空间碎片问题的方法研究包括对空间碎片的探测
[4]、清除方法
[5]、空间碎片碰撞预警
[6]等，已有许多学者综述了相关的技术，如Shan Minghe等综述了空间碎片的主动捕获和清除技术，并设计了捕获和清除空间碎片的框架，比较了各种方法的优缺点
[7]；Ledkov Alexander等比较了空间碎片碰撞预警和主动清除方法，认为非接触式碎片运输系统是一种较为安全可靠的主动清除系统
[8]；陶江等总结了基于光学、雷达、激光等设备的空间碎片检测技术，并对其中的难点和关键技术进行了介绍
[9]。
还有一些研究从不同国家科技政策分析的角度，对空间碎片清除的国家战略、规划、政策举措等进行了介绍，例如彭亚媛等介绍了美国在应对空间碎片方面的法律法规制定情况，建议我国借鉴相关经验制定《航天法》以应对空间碎片等问题
[10]；贾平等基于时间顺序，对日本应对空间碎片的技术发展进行了回顾，并分析了日本政府在应对空间碎片问题方面开展的统筹支持、发展路线制定情况、国际合作开展情况等
[11]；Johnson N L回顾了美国航空航天学会对空间碎片的立场，分析了当前美国和西方关于空间碎片缓解的政策和实践
[12]；McCormick Patricia K从国际合作的角度，对如何利用国际审查委员会等机制应对空间碎片问题进行了分析
[13]等。
为了支持特定技术领域的发展规划、帮助科研人员选择优先研究方向、为国内外技术发展态势提供定量证据，许多学者经常利用科学计量学方法针对特定技术领域开展定量态势分析。例如，马雪梅等利用2016－2020年间的10万余篇中文航天领域文献，对我国航天领域研究热点进行了分析
[14]；魏家佳等利用Scopus数据库中的“航空航天工程”（Aerospace Engineering）学科文献数据，对2010－2019年间的24万余条论文数据的“人才”等字段进行了分析，描绘了航空航天人才的全球分布图景
[15]；董璐等聚焦“引力波”这一研究领域，设计了针对性检索策略，利用在科睿唯安（Clarivate Analytics）公司的Web of Science平台的科学引文索引数据库（SCIE）中收集的1万余篇论文数据，从高频关键词、高被引论文等角度分析了引力波研究的国际态势
[16]。
还有许多学者利用文本聚类的方法，对特定科学技术领域的研究主题或研究热点进行了分析。例如，Wang Y等采用共引聚类、关键词聚类手段，对近55年来发表的挥发性有机物处理研究论文数据进行了分析
[17]；Shen J L等利用关键词聚类、国际合作网络分析等方法对近10年“元宇宙”研究的主题分布进行了分析
[18]；Stopar Karmen等采用文献标题、文献摘要切词后聚类分析的手段，对近10年间棉花研究的主题分布进行了分析
[19]；刘俊伟利用K-means聚类算法和动态主题模型，对近10年的计算机学科论文数据进行了分析，并将相关论文研究主题分为主流主题、上升主题、下降主题、非主流主题和爆发主题5种类型
[20]；侯倩倩利用Cite Space软件内嵌的对数似然率（LLR）聚类算法，对我国制氢领域的近3000篇论文的关键词进行了聚类分析
[21]等。但是，目前尚未发现专门针对“空间碎片”这一重要主题开展的科学计量、聚类分析的学术研究成果。
在上述背景下，本文拟通过制订专门面向“空间碎片”这一研究领域的检索策略，对国内外学术论文成果进行检索和统计计量分析，并借助VOSviewer等工具分析该领域的研究热点主题、开展国内外对比分析。
2 研究方法和步骤
2.1 研究方法
本文在研究过程中主要采用了科学计量学（scientometrics）和聚类（clustering）的方法。
科学计量学
[22]是应用数理统计和计算技术等数学方法对科学活动的投入（如科研人员、研究经费）、产出（如论文数量、被引数量）和过程（如信息传播、交流网络的形成）进行定量分析，从中找出科学活动规律性的一门科学学分支学科，目前已被广泛应用于国家科技政策或某个学科领域、研究主题的政策研究和分析中
[23]。本文借助这种方法，对空间碎片研究成果在不同国家、机构间的分布情况进行了定量对比，并从时间维度分析了空间碎片研究成果规模的增长趋势，利用国家间论文合著的比例分析了空间碎片研究的国际合作现状等。
聚类是将数据对象分组为多个类或簇（cluster），在同一个簇中的对象之间具有较高的相似度，而不同的簇中的对象差别较大。与人为主观分类不同，聚类是在事先不知道欲划定的类的情况下对数据进行分析，其目的是根据最大化类内的相似性、最小化类间的相似性这一原则，合理地划分数据集合，把类似的事物组织在一起
[24]。目前，常用的文本聚类软件包括VOSviewer
[25]、Derwent Data Analyzer（DDA）
[26]等，这些软件可对文本进行切词，然后将文本转化为词向量，根据词向量之间的“相似度”得到聚类结果，生成可视化图谱。利用这种文本聚类分析的方法和上述2种软件，本文开展了空间碎片领域研究热点图谱、国家间合作网络图谱的分析。
2.2 分析步骤
主要分析步骤如下。
第一步，设计面向“空间碎片”领域的检索策略。为此，需要先梳理“空间碎片”领域的技术关键词，如“空间碎片”“空间碎片探测”“太空垃圾”等。在此基础上，利用科学文献数据库检索和下载相关研究成果数据，形成待分析数据集。
第二步，开展数据清洗和初步分析。清洗的过程主要是为了去除噪声和重复情况，例如有些论文的“国家”字段中，将“英国”分别写作“UK”和“England”，此时应当利用叙词表（或Derwent Data Analyzer软件）等工具进行国家去重。在此基础上，可以从文献计量的常用视角出发，分析研究规模的分布情况，如论文成果的国家统计、研究机构统计、高被引学者统计、被引频次统计等。
第三步，开展基于文本聚类的研究热点主题分析。这一步可以利用的字段有论文关键词、论文标题切分形成的词组、或进行组合分析等，可以根据实际效果选用不同字段。文本聚类有许多开源工具可以选用，例如内嵌了无监督文本聚类功能的VOSviewer软件等，也可以自行编写计算机程序来分析。
第四步，利用上述步骤分析的结果开展中外对比分析。可以从研究成果规模的对比、研究成果影响力的对比（可以用论文被引频次作为指标之一）、国际合作情况对比等角度开展分析；最终面向我国空间碎片研究领域提出启示和建议。
3 国际空间碎片研究分析结果
利用
图1所示的研究方法，本文在SCIE核心合集中检索到“空间碎片”相关论文共3944篇，检索时间为2023年8月31日，检索式为：TS=(("space debris") or ("space junk" and ("detection" or "Collision avoidance " or "removal")))。
将这3944篇论文数据用Web of Science平台的“导出”功能批量下载，下载字段包括论文发表时间、国家、机构、作者、论文题目、关键词、摘要等。
3.1 空间碎片研究成果数量分布
利用DDA软件进行数据清洗后，对这3944篇论文的发表时间、机构、国家分布等进行了统计，结果如
图2至
图4所示。从
图2可以看出，国际上对空间碎片的研究基本呈增长趋势，其中一个高峰出现在2001年，这可能与美国政府2001年发布《轨道碎片减缓标准实践》
[27]推动了相关研究兴趣有关。
此外，从
图3、
图4还可以看出，我国以及我国的科研机构在空间碎片研究论文成果的规模上具有领先地位，特别是中国科学院、哈尔滨工业大学、西北工业大学等，是国际上产出论文数量最多的机构。
3.2 空间碎片研究主题分布
尽管在研究规模上，我国科研机构具有成果数量上的优势，但是从空间碎片研究主题的全面性等角度来看，我国与国外各有侧重，对比国际论文关键词聚类图（
图5）和中国论文关键词聚类图（
图6）可以看出。
图5是通过对3944篇国际论文的“关键词”字段进行抽取，利用VOSviewer软件生成基于关键词共现关系的聚类图。可以看到，国际上对空间碎片研究的热点主题包括空间碎片的超高速撞击、碎片清除方法、空间态势感知等。
图6是对3944篇论文中“国家”为中国的911篇论文的关键词聚类结果。从
图6中可以看出，中国论文的研究主题与国际研究主题存在交集，但同时有一些独特的主题词出现，例如“激光烧蚀”“反射层析成像”“Whipple防护屏”等。
值得指出的是，
图5中出现的许多研究主题在中国论文的聚类图上没有出现，显示我国与外国相比在这些研究主题上“存在感”较弱。这些主题包括：弹道靶道
[28]、聚偏氟乙烯
[29]、定向能
[30]、原子氧
[31]、鱼叉
[32]以及地球同步轨道
[33]、双基地雷达
[34]、红外成像
[35]、逆合成孔径雷达
[36]、在轨服务
[37]等。
这些主题中有一些可能包括中国暂时没有关注的空间碎片分布范围（如地球同步轨道），有些可能显示了国外正在重点发展的一些空间碎片清除方法（如“鱼叉”式清除方法），有的可能与国外正在推进的国家战略有关（如美国在轨服务国家战略
[38]），有的可能显示了外国领先的一些器件和技术（如红外成像）等。
3.3 空间碎片研究国际合作情况
为了对空间碎片研究的国际合作情况进行分析，将3944篇论文的“国家”字段抽提出来，构建“国家×国家”矩阵，从而得出各国论文中的国际合作论文的数量和占比情况，如
表1所示；对发论量最多的10个国家之间的相互合作情况进行两两分析，所得结果如
表2所示。
从
表1可以看出，在论文总数排名前10的国家中，中国的国际合作比例最低；西班牙的国际合作比例最高。
从
表2可以看出，在中国发表的国际合作论文中，与美国合作产出的论文数量最多，其次是加拿大与英国（并列）、俄罗斯以及意大利。而在美国发表的国际合作论文中，合作最多的依次是英国、德国、意大利和法国（并列）等。
利用“国家”字段和“机构”字段做自相关图谱（利用DDA软件），得到国家间合作网络图（
图7）和机构间合作网络图（
图8）。从
图7可以看出，中国与俄罗斯等国家合作较多，而在世界范围内，欧洲国家在空间碎片研究领域的国际合作最为密切，德国、西班牙等位于合作的中心位置。
从
图8则可以看出，中国机构间合作紧密，特别是在北京的高校和航天院所之间合作非常密切，而中国科学院、中国科学院大学、中国科学技术大学合作也非常紧密；国际上合作突出的也基本上是美国、欧洲、俄罗斯的知名航天研究机构，日本一些研究机构也在该图中占据较大节点，但与其他国家机构间合作并不特别密切。
4 研究结论
本文检索收集了国际上3944篇空间碎片研究论文数据，并从研究数量规模、论文发表时间、国家和机构、研究主题（基于关键词聚类分析）、国际合作网络等角度开展了定量分析。
4.1 国际空间碎片研究规模呈现增长趋势，未来应进一步加强对相关技术研发的支持
从国际空间碎片研究论文成果的发表时间分布看，近年来空间碎片研究规模快速增大，随着未来我国和国际上一系列重大航天工程计划的实施，预计国内外对空间碎片问题的关注将持续增长。因为有理由推测，对空间碎片研究的兴趣增长与国际航天活动的持续增加是密切相关的：一方面，开展航天活动的国家在不断增多，冷战时期主要是美国、苏联2个大国开展“太空竞赛”，如今一些中小国家（如韩国等）都已具备自主的航天发射能力
[39]；另一方面，开展航天活动的机构（特别是私人机构）也在不断增加，传统上执行航天发射的主要是国家级航天机构（如美国国家航空航天局等），而现在许多商业航天公司（如SpaceX公司）也成为了航天发射的主力
[40]；最后，“星链”等由微小卫星构成的巨型星座在近年来得到快速发展
[41]，大量微小卫星的损毁或退役将导致空间碎片数量进一步增长。在上述因素的推动下，未来的太空将变得越来越“拥挤”，解决空间碎片问题的紧迫性也将进一步升高，因此应当进一步加强对探测、跟踪、消减空间碎片等研究的支持，以实现空间环境的可持续发展。
4.2 中国空间碎片研究规模位居世界前列，但国际合作比例较低
根据空间碎片论文总数排序，中国是相关论文成果最多的国家，且成果最多的研究机构中，前3位也是中国的研究机构。但是，在论文成果TOP10国家中，中国论文的国际合作比例是最低的，仅有10.4%，比倒数第二名日本（15.5%）低近5个百分点。有理由认为，这与当前国际科技竞争合作的整体趋势是一致的，特别是考虑到一些用于空间碎片跟踪、探测、消减的技术具有国防应用价值（能够用于清理空间碎片的很多技术也可以用于“清理”正常运行的卫星）
[42]，因此这些研究主题上的国际合作面临的限制较多。为了实现在空间碎片国际合作方面的“破局”，我国可以重点面向在空间碎片研究规模上占据优势的欧洲国家（如德国、俄罗斯、意大利、法国等）寻求合作机会，重点开展敏感性较低的空间科学合作、空间环境治理合作，从而以科学合作带动技术交流合作。
4.3 国际空间碎片研究的部分热点主题中欠缺“中国身影”
从论文关键词的共现聚类图中可以看出，我国的空间碎片研究主题没有覆盖国际研究的全部热点主题，对于定向能和鱼叉式空间碎片捕获和清理技术、空间碎片的红外成像技术、地球同步轨道的空间碎片问题、在轨航天器服务等问题研究较少。我国在这些研究主题上“存在感”不强的原因可能包括2种：一种原因可能是我国在相关研究主题上人才、技术、研究储备比较薄弱，面临“研究空白”；另一种原因可能是这些主题都是与国防应用密切关系，我国科研人员按照规定主动避免发表相关科学成果；也可能上述2种原因兼而有之。考虑到科研论文成果主要反映的是基础研究能力，而做好基础研究是更好地实现工程开发和实际应用的前提，因此还是建议我国空间碎片研究领域的科研人员和决策者重点关注上述“欠缺中国身影”的研究主题，未来在项目选题、科技规划等方面采取针对性措施，不断提高我国空间碎片研究的综合水平。
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