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 。
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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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