太空垃圾|装科小私塾|飞网:捕获太空垃圾“清道夫”

近日 , 欧洲航天局与“清洁太空”公司签订合同 , 将在2025年发射世界上第一颗太空垃圾清洁卫星——“清洁太空一号” 。 消息一经发布 , 太空垃圾清除问题再次成为人们关注的热点 。


太空垃圾|装科小私塾|飞网:捕获太空垃圾“清道夫”
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▲严峻的太空垃圾形势示意图

多年来 , 面对太空垃圾影响在轨航天器安全和后续航天发射的问题 , 各国科学家们已尝试了多种手段 , 包括激光推进、机械臂抓捕等 。 有科学家从渔网捕鱼中受到启发 , 提出了专门用于捕获太空垃圾的飞网捕获系统设想 , 并初步付诸实践 。


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▲空间飞网捕获太空垃圾概念图

今天 , 让我们一起了解一下 , 在浩瀚无垠的太空中 , 太空垃圾是如何产生的 , 又有哪些危害?面对这一威胁人类航天活动的共同问题 , 各国科研人员提出了哪些奇思妙想、做出了哪些大胆尝试?

太空垃圾无节制增长的“凯斯勒效应”
随着航天技术迅猛发展 , 航天器发射越来越频繁 。 这给人类生活带来各种便利的同时 , 也不可避免地造成大量太空垃圾滞留在茫茫宇宙中 , 既对在轨运行的航天器和后续航天发射构成风险 , 又使空间轨道资源日益紧缺 。
太空垃圾 , 是指人类在太空活动中产生的废弃物及衍生物 。 其主要包括:航天发射的抛弃物、火箭末子级、火箭爆炸物、废弃航天器 , 以及飞行器解体产生的碎片等 。 太空垃圾密度超过一定数量 , 就会诱发“凯斯勒效应”:太空垃圾相互碰撞 , 产生的碎片又将诱发更多的碰撞 。 如此连锁反应 , 导致太空垃圾数量急剧增加 。
据欧洲航天局可跟踪空间目标数据库统计 , 截至2020年 , 尺寸大于10厘米的太空垃圾数量已超3.4万个 , 尚有数以万计的微小碎片未在编目之内 。 太空垃圾的质量从几克至几吨不等 , 尺寸在几毫米至数十米之间 。 有些太空垃圾个头不大 , 但飞行速度极快 , 达到每秒6至7公里 , 对航天发射、在轨卫星和载人航天器构成极大威胁 。
如果把航天器发射、在轨运行的轨道比作地球上的一条条高速公路 , 那么 , 在这些高速公路上 , 同样有各种车辆日夜穿梭、川流不息 。 不同的是 , 它没有警察、没有交通管制、没有道路维护和清扫人员 。 发生交通事故后 , 也没人处理和清理路障 。
航天发射如今日益频繁 , 进入太空门槛不断降低 , 大量航天器过期失效 , 太空垃圾不断增多 , 路上变得越来越拥挤、脏乱 , 到处充斥着“各种报废车辆、交通事故残片”等抛弃物 。 在这样的高速公路上行驶 , 即便是技术再过硬的司机 , 也难免发生交通事故 。 如2009年 , 美国“铱星33”卫星与俄罗斯失效的“宇宙2251”卫星相撞 , 引起世界航天领域极大关注 。 这让国际社会进一步认识到太空垃圾对航天器构成的严重威胁 , 清除太空垃圾成为一项迫在眉睫的世界性课题 。

探索应对太空垃圾之策

2020年12月8日6时59分 , 我国嫦娥五号上升器完成月球样本转移任务后 , 按照地面指令受控离轨 , 降落到月面经度0度、南纬30度附近的预定落点 。 这不仅是我国在减少太空垃圾数量、保持空间环境清洁领域的一次成功实践 , 更是对和平利用空间资源承诺的一次践行 。
目前 , 保持空间环境清洁 , 已成为负责任航天大国所达成的共识 。 为确保航天器发射、在轨运行安全和空间轨道资源的可持续性利用 , 科学家们面对“茫茫太空路 , 征途艰险多”的现实问题 , 在积极探索一系列应对太空垃圾的方法手段 。 主要有以下几种——
首先是规避 。 即以轨道监测预测技术为基础 , 根据目前跟踪观测到的太空垃圾数据 , 在航天器发射时间和运行轨道选择上 , 尽量避开太空垃圾 。 这一预防性规避手段 , 只能是尽力而为 , 不能确保万无一失 。 还有一种主动性规避手段 , 即提升航天器的“驾驶技术”——通过航天器主动变轨来躲避轨道碎片碰撞 。 由于太空垃圾多且速度极快 , 要实现完全规避难度依然很大 。
其次是预防 。 即通过航天器前期任务规划 , 降低航天器自身成为太空垃圾的可能性 , 让它达到运行寿命或失效时自动驶离太空“高速公路” 。 这种预防措施 , 受太空环境、寿命周期等制约 , 实现起来也不容易 。
再者是防护 。 即让航天器穿上“铠甲” , 通过在其外表加装铝板、高强度复合材料板等防护装置 , 以阻挡太空垃圾的“袭击” 。 这种手段可以防范规模较小的冲击损害 , 但不能有效阻止大形碎片的撞击 , 且“铠甲”会增加航天器重量 , 导致发射成本大幅增加 。
最后是清除 。 即通过太空捕获拖船进行“道路救援拖离” , 降低太空垃圾轨道 , 使其进入大气层被烧毁 , 或者抬高太空垃圾的轨道 , 将其遗弃在不常用的轨道高度上 。 这项技术带来的问题是捕获难度大 , 特别对于运动状态未知的非合作航天器 , 或是极小航天碎片 , 更是无能为力 。
总的来说 , 以上手段虽能在一定程度上规避、清除或减少太空垃圾 , 但无法应对所有的太空垃圾 , 更无法从根本上抑制航天器间相互碰撞而产生更多的太空垃圾 。 国外一项研究表明 , 即使停止一切航天器发射任务 , 太空垃圾也会因为不断的连续碰撞而继续增加 。 要清除日益增多的太空垃圾 , 呼唤更先进的技术手段 。

一“网”飞来可否打尽太空垃圾

随着人类社会发展 , 网的捕获对象已从水中游弋的鱼类 , 逐步扩展到地面奔跑的野兽、空中飞行的鸟禽等 。 到了现代 , 网捕应用得到进一步拓展 , 出现了诸如警用网枪、飞机拦阻网等产品 。
2001年 , 欧洲航天局的科学家们受网捕应用拓展的启发 , 推出一种由发射器、系绳、飞网、收口机构等部件组成的太空柔性飞网捕获系统 。 其具体设想为:执行捕获任务时 , 发射一艘载有飞网捕获系统的太空拖船 , 发现并接近太空垃圾后 , 选择时机向捕获目标发射展开一张由柔性绳索编织而成的大型飞网 , 将太空垃圾包裹起来 , 再通过收口机构收紧网口完成捕获 , 最后由太空拖船将其拖离太空“高速公路” 。
与传统机械臂爪等刚性捕获方式相比 , 飞网的柔性可以有效减少捕获过程中可能发生的碰撞 , 通过对太空拖船的控制 , 让其在距捕获目标百米以外实施捕获 , 安全性能相对较高 。 飞网属于一种稀疏结构 , 使用很少的材料就可覆盖相当大的空间范围 。 质量3千克左右的飞网 , 捕获面积可达近千平方米 , 对太空垃圾的识别与测量、太空拖船制导控制的精度要求相对较低 , 非常适合自旋废弃卫星和大型空间碎片等太空垃圾的清除 , 具有安全性高、捕获面积大、控制精度要求低等特点 。
这一构想于2003年完成总体方案设计 , 2012至2014年先后进行了高空投放试验、抛物线飞行微重力试验、真空罐试验 。 2018年4月 , 成功完成了空间演示验证试验 。
当然了 , 要真正实现飞网捕获系统的应用 , 还面临一些技术难题 。 主要是——
对飞网制作的材料性能要求高 。 必须具有高强度、低密度、耐高温低温、抗强辐射、耐热氧、柔软光滑等特性 , 能满足捕获任务和空间环境需求 。
应具备飞网折叠封贮技术 。 也就是需有合理的折叠封贮方法 , 保证飞网内部自我隔离和避免穿透、打结 , 并对飞网拉出网舱过程进行有效的时序控制 , 解决飞网缠绕等工程应用难题 , 保证飞网系统高可靠展开 。
应具备高可靠收口技术 。 飞网捕获到太空垃圾后 , 如何达到自适应触发、高可靠收口和有效收紧锁死网口 , 还有一系列关键技术需要突破 。
需对绳系复合体进行有效的离轨控制 。 飞网捕获系统是一个由拖船、系绳、飞网及捕获物构成的绳系复合体 , 在实施过程中 , 如何有效利用系绳张力实施目标消旋控制、复合体转向控制、拖曳离轨控制 , 最终将捕获的太空垃圾清除出太空“高速公路” , 其涉及技术领域广泛且要求苛刻 。
有理由相信 , 在不久将来 , 人类一定能将飞网应用拓展至太空 , 在清除太空垃圾、和平利用太空方面有所作为 , 为缓解空间轨道资源日益紧缺的现状提供有力技术支撑 。

【太空垃圾|装科小私塾|飞网:捕获太空垃圾“清道夫”】来源:装备科技

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